Πανεπιστήμιο Αιγαίου Τμήμα Περιβάλλοντος

Πανεπιστήμιο Αιγαίου Τμήμα Περιβάλλοντος Τίτλος Πτυχιακής Εργασίας: Μελέτη των προβλέψεων κλιματικών μοντέλων στο πλαίσιο του CMIP5 για την ηλιακή και γήινη ακτινοβολία σε πλανητικό επίπεδο μέχρι το 2100 Σταθόπουλος Μενέλαος Επιβλέπων Καθηγητής: Ματσούκας Χρήστος Μυτιλήνη, 2016

Ευχαριστίες Ευχαριστώ πολύ τον επιβλέποντα της πτυχιακής μου κ. Ματσούκα Χρήστο, Επίκουρο Καθηγητή του Τμήματος Περιβάλλοντος για την πολύτιμη βοήθεια που μου προσέφερε κατά τη διάρκεια της συγγραφής της παρούσας εργασίας και για την προθυμία του να απαντήσει σε κάθε μου απορία. 1

Περιεχόμενα Πίνακας Εικόνων και Γραφημάτων... 3 Ήλιος: Πηγή ενέργειας του κλιματικού συστήματος... 4 Γιατί υφίσταται η κλιματική αλλαγή;... 8 Σύννεφα... 11 Τα κλιματικά μοντέλα... 12 Κατηγορίες μοντέλων... 14 IPCC... 17 Πρόγραμμα CMIP5... 19 RCP... 21 Μεθοδολογία... 23 Επεξεργασία δεδομένων... 25 Αποτελέσματα... 29 Διαγράμματα Ηλιακής Ακτινοβολίας... 29 Διαγράμματα Γήινης Ακτινοβολίας... 35 Στόχοι και συμπεράσματα... 41 Παράρτημα... 42 Βιβλιογραφία... 56 2

Πίνακας Εικόνων και Γραφημάτων Εικόνα 1: Ηλιακή σταθερά υπολογισμού... 4 Εικόνα 2: Πόση ηλιακή ενέργεια πέφτει πάνω στη γή;... 5 Εικόνα 3: Ποσό της ηλιακής ενέργειας που υπάγεται σε ένα τετραγωνικό μέτρο της επιφάνειας της Γης... 7 Εικόνα 4: Σχηματική απεικόνιση της δομής και της λειτουργίας ενός κλιματικού μοντέλου.... 12 Εικόνα 5: Τύποι κλιματικών μοντέλων... 15 Εικόνα 6: Κατηγοριοποίηση των πειραμάτων που συμμετέχουν στο πρόγραμμα... 20 Εικόνα 7: Περιβάλλον της ιστοσελίδας του προγράμματος CMIP5... 23 Γράφημα 1: Total Difference per Rsds Rcp Scenario (Worlwide)... 29 Γράφημα 2: Total Difference per Rsds Rcp Scenario (-90,-60 )... 30 Γράφημα 3: Total Difference per Rsds Rcp Scenario (-60,-30 )... 31 Γράφημα 4: Total Difference per Rsds Rcp Scenario (-30,30 )... 32 Γράφημα 5: Total Difference per Rsds Rcp Scenario (30,60 )... 33 Γράφημα 6: Total Difference per Rsds Rcp Scenario (60,90 )... 34 Γράφημα 7: Total Difference per Rlds Rcp Scenario (Worlwide)... 35 Γράφημα 8: Total Difference per Rlds Rcp Scenario (-90,-60 )... 36 Γράφημα 9: Total Difference per Rlds Rcp Scenario (-60,-30 )... 37 Γράφημα 10: Total Difference per Rlds Rcp Scenario (-30,30 )... 38 Γράφημα 11: Total Difference per Rlds Rcp Scenario (30,60 )... 39 Γράφημα 12: Total Difference per Rlds Rcp Scenario (60,90 )... 40 Γράφημα 13: Σύνολο όλων των μοντέλων για το σενάριο Rcp 2.6 ηλιακής ακτινοβολίας... 47 Γράφημα 14: Σύνολο όλων των μοντέλων για το σενάριο Rcp 8.5 ηλιακής ακτινοβολίας... 48 Γράφημα 15: Σύνολο όλων των μοντέλων για το σενάριο Rcp 2.6 γήινης ακτινοβολίας... 49 Γράφημα 16: Σύνολο όλων των μοντέλων για το σενάριο Rcp 8.5 γήινης ακτινοβολίας... 50 Χάρτης 1: Rsds Rcp 2.6 για το 2006... 52 Χάρτης 2: Rsds Rcp 2.6 για το 2100... 52 Χάρτης 3: Rsds Rcp 8.5 για το 2006... 53 Χάρτης 4: Rsds Rcp 8.5 για το 2100... 53 Χάρτης 5: Rlds Rcp 2.6 για το 2006... 54 Χάρτης 6: Rlds Rcp 2.6 για το 2006... 54 Χάρτης 7: Rlds Rcp 8.5 για το 2006... 55 Χάρτης 8: Rlds Rcp 8.5 για το 2100... 55 3

Ήλιος: Πηγή ενέργειας του κλιματικού συστήματος Το πρώτο βήμα για την κατανόηση του κλίματος είναι ο υπολογισμός της ενέργειας. Ποια είναι η ενέργεια εντός και εκτός της Γης; Η απόλυτη πηγή ενέργειας για τον πλανήτη μας είναι ο Ήλιος, ο οποίος εκπέμπει ενέργεια ίση με 3,8 10 26 W (380 τρισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων W). Ο ήλιος εκπέμπει φωτόνια σε όλες τις κατευθύνσεις, έτσι ώστε μόνο ένα μικρό κλάσμα φωτονίων που εκπέμπονται καταλήγει να πέφτει στη Γη. Για να προσδιοριστεί το ακριβές ποσό της ηλιακής ενέργειας που διέρχεται στη Γη, θα μπορούσαμε να την παρομοιάσουμε με μια σφαίρα που περιβάλλει τον Ήλιο, με ακτίνα ίση με την απόσταση Ηλίου-Γης, ή 150 εκατομμύριο km (Σχήμα 1). Επειδή η σφαίρα περικλείει πλήρως τον Ήλιο, το σύνολο του ηλιακού φωτός που εκπέμπεται από τον ήλιο πρέπει να προσπίπτει στο εσωτερικό της σφαίρας. Η επιφάνεια της σφαίρας είναι 4πr 2 = 4π (150 εκατομμύρια χιλιόμετρα) 2 = 2,8 10 17 km 2 = 2,8 10 23 m 2. Αυτό σημαίνει ότι η ενέργεια που εκπέμπεται από τον ήλιο και πέφτει σε μια επιφάνεια 1 m 2 -της σφαίρας είναι 3,8 10 26 W 2,8 10 23 m 2 = 1360 W / m 2. Αυτή η τιμή, 1360 W / m 2, είναι γνωστή ως η ηλιακή σταθερά της Γης και σε ορισμένες εξισώσεις περιγράφεται με το σύμβολο S. (Dessler A., 2011) Εικόνα 1 Ηλιακή σταθερά υπολογισμού: Μια σφαίρα περιβάλλει τον Ήλιο με ακτίνα ίση με την τροχιά της Γης (διακεκομμένη γραμμή) η ολική ακτινοβολία που εκπέμπεται από τον ήλιο (μαύρα βέλη) εμπίπτει πάνω σε αύτη σφαίρα. (Από Dessler Introduction to Modern Climate Change ) Το ερώτημα πόση ηλιακή ενέργεια πέφτει πάνω στη Γη είναι πλέον εύκολο να απαντηθεί, εφόσον είναι γνωστή η ποσότητα της ηλιακής ενέργειας που υπάγεται σε κάθε τετραγωνικό μέτρο της τροχιάς της Γης. Εάν τοποθετήσουμε μια οθόνη πίσω από τη Γη, η Γη θα ρίξει μια κυκλική σκιά στην οθόνη, και η σκιά αυτή θα έχει ακτίνα ίση με την ακτίνα της Γης. Το ποσό του ηλιακού φωτός που πέφτει πάνω στη Γη, θα είναι ίσο με το ποσό που θα είχε πέσει στη περιοχή υπό σκιά, αν η Γη δεν ήταν εκεί. Αυτό είναι ίσο με το εμβαδόν της σκιάς, πr 2, όπου R είναι η ακτίνα της Γης. Δεδομένου λοιπόν, ό,τι η ακτίνα της Γης είναι περίπου 6400 km = 6.4 10 6 m, και S = 1360 W / m 2, η ηλιακή ενέργεια πέφτει στη Γη με ρυθμό 1,8 10 17 W ή 180.000 TW (1 TW είναι ένα terawatt, το οποίο είναι ένα τρισεκατομμύριο Watt). Αυτό είναι ένα τεράστιο ποσό ενέργειας. Σήμερα καταναλώνονται περίπου 15 TW, επομένως είναι απολύτως κατανοητό γιατί η ηλιακή ενέργεια 4

είναι τόσο ελκυστική. Αν μπορούσαμε να συλλέξουμε μόλις 0,01% της ηλιακής ενέργειας που υπάγεται στη Γη, θα μπορούσαμε να ικανοποιήσουμε όλες τις τρέχουσες ενεργειακές ανάγκες του κόσμου. Εικόνα 2 Η Γη είναι μια σκιά, μια οθόνη τοποθετείται ακριβώς πίσω από αυτή, επειδή εμποδίζει το φως του ήλιου. Το συνολικό ποσό της ηλιακής ενέργεια που πέφτει στην Γη είναι το ίδιο με αυτό που θα είχε πέσει στην περιοχή υπό σκιά. (Από Dessler Introduction to Modern Climate Change ) Δεν απορροφώνται όλα τα φωτόνια που πέφτουν από τον Ήλιο στη Γη. Ένα κλάσμα της ηλιακής ενέργειας ανακλάται πίσω στο διάστημα από τα σύννεφα, τον πάγο και άλλα ανακλαστικά στοιχεία του συστήματος της Γης. Η ανακλαστικότητα του πλανήτη ονομάζεται albedo, από τη λατινική λέξη για το «λευκότητα». Στις εξισώσεις, η ανακλαστικότητα συνήθως αντιπροσωπεύεται από το ελληνικό γράμμα α (άλφα). Έτσι, το συνολικό ποσοστό της ενέργειας στην (ΑΑΕ) για τη Γη είναι: E in = S(1 α)πr 2 Όπου: α : E in : είναι το κλάσμα των φωτονίων που αντικατοπτρίζονται. είναι το συνολικό ποσοστό της ενέργειας. (1 α): είναι το κλάσμα φωτονίων που απορροφώνται. R: είναι η ακτίνα της Γης. πr 2 : είναι το εμβαδόν της σκιάς. S = 1360 W / m 2 η ηλιακή σταθερά της Γης. 5

Για τη Γη, α = 0,3, πράγμα που σημαίνει ότι περίπου 126.000 TW απορροφώνται από το σύστημα-γη και το άλλο 54000 TW των φωτονίων του Ήλιου αντανακλώνται πίσω στο διάστημα. Ο υπολογισμός ανά τετραγωνικό μέτρο της επιφάνειας της Γης είναι: Σημειώνεται ότι οι όροι πr 2 ακυρώνονται, άρα το καθαρό ποσό της ηλιακής ενέργειας που απορροφάται από τη Γη ανά τετραγωνικό μέτρο της επιφάνειάς της δεν είναι συνάρτηση του μεγέθους της Γης. Η Γη απορροφά κατά μέσο όρο 238 W / m 2 από τον Ήλιο, αλλά το γεγονός αυτό δεν σημαίνει ότι κάθε τετραγωνικό μέτρο της Γης απορροφά αυτό το ποσό. Στην πραγματικότητα, το ποσό της ηλιακής ενέργειας που απορροφάται ποικίλλει ευρέως σε όλο τον πλανήτη. Πρώτον, σε κάθε δεδομένη στιγμή, ένα δεύτερο του πλανήτη βιώνει νύχτα, για κάθε δεδομένο χρονικό διάστημα το ήμισυ του πλανήτη δεν λαμβάνει καμία ενέργεια από τον ήλιο. Κατά τη διάρκεια της ημέρας, η ποσότητα του ηλιακού φωτός που πέφτει σε ένα τετραγωνικό μέτρο καθορίζεται από τον προσανατολισμό του εν λόγω τετραγωνικού μέτρου σε σχέση με τις εισερχόμενες ακτίνες του ηλιακού φωτός. Η ποσότητα του ηλιακού φωτός που λαμβάνεται βρίσκεται στο μέγιστο αν η επιφάνεια είναι προσανατολισμένη κάθετα προς την εισερχόμενη δέσμη. Καθώς η επιφάνεια περιστρέφεται και απομακρύνεται από την κάθετη θέση προς την δέσμη των φωτονίων, η ποσότητα της ηλιακής ενέργειας στην επιφάνεια μειώνεται, φθάνοντας τελικά μηδέν για μια επιφάνεια παράλληλη προς την εισερχόμενη δέσμη. Ωστόσο οι διακυμάνσεις στην εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία εν συναρτήσει με το γεωγραφικό πλάτος, δεν είναι οι μοναδικές. Η ανακλαστικότήτα του πλανήτη επίσης ποικίλλει ευρέως. Οι τροπικές περιοχές έχουν μεγάλες εκτάσεις ωκεανού, ο οποίος έχει χαμηλό albedo. Σε συνδυασμό με την μεγάλη ποσότητα της ηλιακής ενέργειας ανά τετραγωνικό μέτρο, οι τροπικοί ως εκ τούτου, βιώνουν πολύ περισσότερη ηλιακή θέρμανση από ό, τι οπουδήποτε άλλη περιοχή στον πλανήτη. Αυτό μας παρέχει μια απλή, αλλά ουσιαστικά σωστή εξήγηση γιατί οι τροπικές περιοχές τείνουν να είναι το πιο ζεστό μέρος στον πλανήτη. Τα υψηλά γεωγραφικά πλάτη καλύπτονται συχνά από πάγο, προκαλώντας υψηλή ανακλαστικότητα. Σε συνδυασμό με τη μικρή ποσότητα της ηλιακής ενέργειας που λαμβάνεται ανά τετραγωνικό μέτρο, αυτό σημαίνει ότι οι πολικές περιοχές βιώνουν το μικρότερο ποσό της ηλιακής θέρμανσης και ως εκ τούτου έχουν την τάση να είναι τα πιο κρύα μέρη του πλανήτη (Dessler A., 2011). 6

Εικόνα 3 Το ποσό της ηλιακής ενέργειας που υπάγεται σε ένα τετραγωνικό μέτρο της επιφάνειας της Γης προσδιορίζεται από το γεωγραφικό πλάτος. (Από Dessler Introduction to Modern Climate Change ) Στους τροπικούς (βέλος Α), η επιφάνεια της Γης είναι κάθετη προς τις εισερχόμενες ηλιακές ακτίνες φωτός, αυτό σημαίνει ότι, κατά μέσο όρο, περισσότερη ηλιακή ενέργεια πέφτει πάνω στις τροπικές περιοχές από ό,τι σε υψηλότερα γεωγραφικά πλάτη. Η επιφάνεια στα μέσα γεωγραφικά πλάτη (βέλος Β) είναι σε μέτρια γωνία ως προς τις εισερχόμενες ηλιακές ακτίνες φωτός. Έτσι, τα μέσα γεωγραφικά πλάτη λαμβάνουν λιγότερη ηλιακή ακτινοβολία ανά τετραγωνικό μέτρο από τις τροπικές περιοχές. Τέλος, οι πολικές περιοχές (βέλος C) λαμβάνουν ακόμη λιγότερη ηλιακή ενέργεια (Dessler A., 2011). 7

Γιατί υφίσταται η κλιματική αλλαγή; Τα τελευταία εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια έχουν παρατηρηθεί διάφορες, μικρές ή μεγάλες μεταβολές στο κλίμα της Γης. Προφανώς, οι περισσότερες από τις μεταβολές αυτές δεν σχετίζονται με τις ανθρώπινες δραστηριότητες. Συνεπώς, αν λάβουμε υπόψη την πρόσφατη αύξηση της θερμοκρασίας, το πρώτο πράγμα που θα έπρεπε να διερευνήσουμε είναι αν η σημερινή αύξηση της θερμοκρασίας οφείλεται σε φυσικές διακυμάνσεις (τεκτονική κίνηση, τροχιακές μεταβολές, διαφοροποιήσεις στον ήλιο). Αντίθετα, υπάρχουν συντριπτικά στοιχεία που υποστηρίζουν ότι η τωρινή υπερθέρμανση του πλανήτη οφείλεται κατά κύριο λόγο στην αύξηση του φαινομένου του θερμοκηπίου. Υπάρχουν ισχυρές θεωρητικές αποδείξεις ότι τα αέρια του θερμοκηπίου θερμαίνουν τον πλανήτη, συμπεριλαμβανομένων και των υπολογισμών των κλιματικών μοντέλων, όπως θα μελετήσουμε. Υπάρχουν ακόμα ισχυρές αναφορές μέσα από επιστημονικές μελέτες, ότι το διοξείδιο του άνθρακα έχει διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στο κλίμα μας τα τελευταία 500 εκατομμύρια χρόνια. Σε συνδυασμό με την έλλειψη αντικρουόμενων υποθέσεων, η υπόθεση ότι το διοξείδιο του άνθρακα είναι μια σημαντική αιτία της πρόσφατης θέρμανσης του πλανήτη είναι ισχυρή. Το 2007 η έκθεση της Διακυβερνητικής Επιτροπής για την Αλλαγή του Κλίματος (IPCC) ήρθε με το ακόλουθο συμπέρασμα: «Το μεγαλύτερο μέρος της παρατηρούμενης αύξησης της παγκόσμιας μέσης θερμοκρασίας, έως τα μέσα του 20ου αιώνα, είναι πολύ πιθανό να οφείλεται στην παρατηρούμενη αύξηση στις συγκεντρώσεις των αέριων του θερμοκηπίου». Αξίζει να αναφερθεί ότι σε αυτή τη δήλωση υπάρχουν τρεις περιορισμοί. Η πρώτη προειδοποίηση αφορά τη φράση «Το μεγαλύτερο μέρος της παρατηρούμενης αύξησης της παγκόσμιας μέσης θερμοκρασίας». Η χρήση αυτής της φράσης καθιστά σαφές ότι τα αέρια του θερμοκηπίου δεν είναι ο μόνος παράγοντας που επηρεάζει το κλίμα, καθώς υπάρχουν και άλλοι παράγοντες (ήλιος, εσωτερική μεταβλητότητα κτλ.) οι οποίοι επηρεάζουν σε μικρότερο βέβαια βαθμό, την αύξηση της θερμοκρασίας στον πλανήτη. Ωστόσο, οι αυξημένες συγκεντρώσεις των αερίων του θερμοκηπίου ευθύνονται περισσότερο από το ήμισυ. Η δεύτερη προειδοποίηση αφορά τη φράση «από τα μέσα του 20ου αιώνα.» Αναφέρεται μόνο κατά τη διάρκεια του δεύτερου μισού του 20ου αιώνα, που οι παρατηρήσεις είναι αρκετές για να αποκλείσουν κάποιες εναλλακτικές εξηγήσεις για την αύξηση της θερμοκρασίας. Αν και είναι σχεδόν βέβαιο ότι τα αέρια του θερμοκηπίου ήταν η κυρίαρχη αιτία της αύξησης της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια του πρώτου μισού, ωστόσο η συγκεκριμένη υπόθεση αυτό δεν μπορεί να αποδειχθεί πλήρως από την επιστημονική κοινότητα. Η τρίτη προειδοποίηση αφορά τη φράση πολύ πιθανό. Η Διακυβερνητική Επιτροπή για την Κλιματική Αλλαγή χρησιμοποιεί ένα σύνολο από προσεκτικά καθορισμένους όρους για την εγκυρότητα του συμπεράσματος σχετικά με τα αέρια του θερμοκηπίου. Το ιδίωμα της IPCC, υποδηλώνει την εγκυρότητά του κατά 90%. Το γεγονός αυτό επιβεβαιώνει ότι η επικρατούσα επιστημονική άποψη θα μπορούσε να είναι λανθασμένη (σε αντίθεση με την υπόθεση ότι ο πλανήτης θερμαίνεται, όπου η IPCC την περιγράφει ως κατηγορηματική). Ωστόσο, η πιθανότητα λάθους είναι μικρή - περίπου 1 στις 10. Για τους παραπάνω λόγους θα ήταν χρήσιμο να αναφερθούν ορισμένες από τις προηγούμενες δηλώσεις της IPCC, σχετικά με το γιατί το κλίμα του πλανήτη θερμαίνεται: 8

1990: Το μέγεθος της παρατηρούμενης θέρμανσης του πλανήτη είναι σε γενικές γραμμές σύμφωνο με τις προβλέψεις των κλιματικών μοντέλων, αλλά είναι επίσης του ίδιου μεγέθους με τις φυσικές διακυμάνσεις του κλίματος. Συνεπώς, η παρατηρούμενη αύξηση της θερμοκρασίας θα μπορούσε να οφείλεται σε μεγάλο βαθμό σε αυτή τη φυσική μεταβλητότητα. Αυτή η δήλωση αντανακλούσε το γεγονός ότι η επιστήμη της κλιματολογίας βρισκόταν σε πρώιμο στάδιο εκείνη την εποχή. Οι δορυφόροι είχαν εστιάσει στη μέτρηση των κλιματικών δεδομένων για λίγο περισσότερο από μια δεκαετία, οι υπολογιστές ήταν αργοί, ενώ οι επιστήμονες που μελετούσαν το πρόβλημα της κλιματικής αλλαγής ήταν πολύ λίγοι, ως αποτέλεσμα, δεν ήταν δυνατό εκείνη τη χρονική στιγμή να αποδειχθεί έγκυρα η ανθρώπινη επιρροή στην θέρμανση του πλανήτη. 1995: Το ισοζύγιο των ενδείξεων δείχνει μια ευδιάκριτη ανθρώπινη επίδραση στις παγκόσμια θέρμανση του κλίματος. Μετά την έκθεση του 1990, υπήρξε σημαντική πρόοδος στην επιστήμη της κλιματολογίας. Οι επιστήμονες θα μπορούσαν τώρα να ισχυριστούν με σιγουριά ότι οι άνθρωποι πιθανότατα έχουν κάποια επίδραση στο κλίμα, αν και το σύνολο των αποδείξεων δεν υποστήριζε ολοκληρωτικά αυτή την άποψη, αφού η δήλωση δεν περιλάμβανε καμία ποσοτικοποίηση της ανθρώπινης επιρροής. 2001: Οι περισσότερες από τις παρατηρήσεις σχετικά με την θέρμανση του πλανήτη τα τελευταία 50 χρόνια έδειχναν ότι η θέρμανση του κλίματος ήταν πιθανό να οφείλονταν στην αύξηση των συγκεντρώσεων των αερίων του θερμοκηπίου. Αυτή η δήλωση ήταν ισχυρότερη από τις προηγούμενες, και αυτό οφείλεται στις βελτιώσεις του κλιματικού συστήματος, στην αναβάθμιση των ηλεκτρονικών υπολογιστών και των κλιματικών μοντέλων, καθώς επίσης και στην καλύτερη κατανόηση του πλανήτη. Η δήλωση του 2001 είναι πανομοιότυπη με εκείνη του 2007, εκτός από το ότι χρησιμοποιεί τη λέξη πιθανό, η οποία υποδηλώνει τα 2/3 της πιθανότητας του να είναι η δήλωση έγκυρη, σε αντίθεση με τη δήλωση του 2007 η οποία χρησιμοποιεί τη φράση πολύ πιθανό και υποδηλώνει τα 9/10 της πιθανότητας η δήλωση να είναι αληθινή. Η εξέλιξη των εκθέσεων της IPCC αντικατοπτρίζει την εξέλιξη της επιστήμης του κλίματος. Η συνολική σταθερότητα της επιστήμης του κλίματος θα πρέπει να μας παρέχει με μεγάλη αυτοπεποίθηση έγκυρα αποτελέσματα. Η εγκυρότητα αυτή οφείλεται στο γεγονός ότι σημαντικές επιστημονικές ιδέες συνεχώς επανελέγχονται από τους επιστήμονες, οπότε όσο περισσότερο μια ιδέα επιβιώνει στο χρόνο το πιο πιθανό είναι να είναι σωστή. Αξίζει επίσης να αναφερθεί ότι δεν αποδεικνύεται ότι τα αέρια του θερμοκηπίου είναι η πρωταρχική αιτία της πρόσφατης θέρμανσης του πλανήτη. Στην πραγματικότητα, γνωρίζουμε ότι η Γη ήταν πολύ θερμότερη από ό, τι είναι σήμερα, κατά το μεγαλύτερο μέρος της, τα τελευταία 500 εκατομμύρια χρόνια η Γη ήταν τόσο ζεστή που δεν υπήρχε πάγος πουθενά στον πλανήτη. Παρά το γεγονός λοιπόν ότι η σημερινή θέρμανση του κλίματος της Γης είναι πράγματι αξιοσημείωτη, δεν μπορούμε να ισχυριστούμε με βεβαιότητα ότι οφείλεται σε ανθρωπογενείς παράγοντες, διότι δεν υπάρχουν τα στοιχεία που καλύπτουν την ιστορία του κλίματος ολόκληρης της Γης. Επιπλέον, η υπόθεση της διαταραχής του κλίματος δεν μπορεί να αιτιολογηθεί από την εμφάνιση ακραίων φαινομένων, όπως η εποχή των τυφώνων του 2005 ή το ευρωπαϊκό κύμα καύσωνα του 2003. Αντίθετα, η περίπτωση για τα αέρια του θερμοκηπίου είναι βασισμένη σε μια διεξοδική εξέταση όλων των πιθανών εξηγήσεων για την πρόσφατη αύξηση της θερμοκρασίας. Η εξέταση αυτή δείχνει ότι η αύξηση των αέριων του θερμοκηπίου είναι μακράν η πιο πιθανή αιτία. Η ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας που λαμβάνει μια περιοχή στο επίπεδο του εδάφους της είναι η κύρια πηγή ενέργειας για την ανάπτυξη πολλών φυσικών διεργασιών, όπως η θέρμανση του εδάφους και των στρωμάτων του αέρα κοντά σε αυτό και στην ατμόσφαιρα, καθώς επίσης και η διαδικασία της εξατμισοδιαπνοής και της φωτοσύνθεσης όπου σε έναν μικρό βαθμό αποτελούν μια 9

από τις κλιματικές παραμέτρους της περιοχής. Ως εκ τούτου, η γνώση της ηλιακής ακτινοβολίας σε μια περιοχή είναι υψίστης σημασίας για την εκτίμηση της δυνητικής χρήσης της ηλιακής ενέργειας, η οποία μετατρέπεται είτε σε θερμική είτε σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι πληροφορίες αυτές αποτελούν προϋπόθεση για το σχεδιασμό των ηλιακών συστημάτων μετατροπής ενέργειας. Σε σύγκριση με τις μετρήσεις άλλων μετεωρολογικών μεταβλητών, η μέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι η πιο επιρρεπής σε λάθη και συχνά αντιμετωπίζει περισσότερα προβλήματα, όπως οι τεχνικές βλάβες και τα λειτουργικά προβλήματα (Moradi, 2009). 10

Σύννεφα Τα σύννεφα επηρεάζουν σημαντικά τον προϋπολογισμό της ακτινοβολίας στο σύστημα της ατμόσφαιρας της Γης και διαμορφώνουν το παγκόσμιο albedo, τη κατανομή της θερμοκρασίας και τη γενική κυκλοφορία της ατμόσφαιρας (Abbot and Fowle, 1908; London, 1957; Manabe και Wetherald, 1967, αναφέρεται στο Pyrina et al., 2013). Καλύπτουν περίπου το 60% της επιφάνειας της Γης και είναι οι πιο σημαντικοί ρυθμιστές του κλίματος (Rossow and Schiffer, 1999 Vardavas and Taylor, 2011, αναφέρεται στο Pyrina et al., 2013). Ακόμα και οι πιο μικρές αλλαγές στις ιδιότητες τους, όπως για παράδειγμα ένα μικρό ποσοστό αλλαγής στη νεφοκάλυψη, θα μπορούσε να ξεπεράσει τις επιπτώσεις που προκύπτουν από τις μεταβολές των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Τα μοντέλα έχουν δείξει ότι το κλίμα της Γης είναι ευαίσθητο όσον αφορά την κατανομή της νεφοκάλυψης και την σχέση νεφών-ακτινοβολίας, οι οποίες είναι εξαιρετικά μεταβλητές και οι αλλαγές σε αυτές τις ιδιότητες θα μπορούσαν να επηρεάσουν σημαντικά το κλίμα του πλανήτη (Hartmann, 1993, Stephens, 2005, IPCC, 2007, Shen et al., 2011, αναφέρεται στο Pyrina et al., 2013). Κατά τις τελευταίες δεκαετίες η πρόοδος σε μελέτες που σχετίζονται με την ηλιακή και θερμική μέτρηση της ακτινοβολίας έχουν βελτιώσει σημαντικά τις γνώσεις μας για το πώς τα σύννεφα επηρεάζουν τον υπολογισμό της ακτινοβολίας που εισέρχεται στη Γη. Η διαθεσιμότητα των επικυρωμένων μοντέλων καθώς και τα νέα δεδομένα έχουν οδηγήσει σε μια σημαντική βελτίωση στην αξιολόγηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ νεφών-ακτινοβολίας (Randles et al., 2013, αναφέρεται στο M. Pyrina et al., 2013). Ωστόσο, παρά τις προόδους που έχουν διεξαχθεί στην επιστήμη της κλιματολογίας, η ανάδραση μεταξύ νεφών-ακτινοβολίας εξακολουθεί να αποτελεί την κύρια πηγή αβεβαιότητας στις εκτιμήσεις της αλλαγής του κλίματος (IPCC, 2007). Οι επιδράσεις της ακτινοβολίας μπορούν να υπολογιστούν από αριθμητικά κλιματικά μοντέλα που βασίζονται σε προσεγγίσεις για τα φυσικά νέφη και τις ιδιότητες της ακτινοβολίας. Ωστόσο, συχνά οδηγούν σε ανεπαρκείς αναπαραστάσεις των νεφώσεων (Fowler and Randall, 1994; Lin and Zhang, 2004; Chepfer et al., 2008, αναφέρεται στο Pyrina et al., 2013). Από την άλλη πλευρά, τα λεπτομερή μοντέλα διάδοσης της ακτινοβολίας που χρησιμοποιούν δορυφορικά δεδομένα και περιλαμβάνουν τις ατμοσφαιρικές ιδιότητες, προσφέρουν μια πιο αξιόπιστη εκτίμηση στην αλληλεπίδραση των νεφών με την ηλιακή ακτινοβολία (Randles et al., 2013, αναφέρεται στο M. Pyrina et al., 2013) και θεωρούνται πιο αξιόπιστα εργαλεία για την απόκτηση του συνολικού υπολογισμού της ακτινοβολίας (Raschke et al., 2012, αναφέρεται στο M. Pyrina et al., 2013). Πολλές μελέτες έχουν διεξαχθεί σε παγκόσμια κλίμακα για συγκεκριμένες περιοχές (π.χ. Rieland και Stuhlmann, 1993, Mace et al., 2006, Min et al., 2010, Du et al., 2011, αναφέρεται στο M. Pyrina et al., 2013), όπως για παράδειγμα στη λεκάνη της Μεσογείου, η οποία χαρακτηρίζεται ως ένα σύστημα ημι-κλειστό, είναι ιδανική για την παρακολούθηση και την αξιολόγηση της αλλαγής του κλίματος (Vardavas and Taylor, 2011, αναφέρεται στο M. Pyrina et al., 2013) με ισχυρές ενδείξεις για μείωση των βροχοπτώσεων και αύξηση της θερμοκρασίας (IPCC, 2007). 11

Τα κλιματικά μοντέλα Τα κλιματικά μοντέλα αποτελούν πλέον τα χρησιμότερα εργαλεία για την παρακολούθηση του παγκόσμιου κλίματος, την ανάλυση παλαιοκλίματος αλλά κυρίως για μελλοντικές εκτιμήσεις για τις κλιματικές συνθήκες τις επόμενες εκατονταετίες. Ένα κλιματικό μοντέλο χρησιμοποιεί αριθμητικές μεθόδους για να εξομοιώσει τις αλληλεπιδράσεις των ωκεανών με την ατμόσφαιρα, την επιφάνεια της γης και τις πολικές περιοχές. Η πιο διαδεδομένη χρήση των κλιματικών μοντέλων τα τελευταία χρόνια εστιάζεται στην παρακολούθηση της μέσης παγκόσμιας θερμοκρασίας λόγω του φαινομένου του θερμοκηπίου. Όλα τα κλιματικά μοντέλα βασίζονται στο ενεργειακό ισοζύγιο υπολογίζοντας την εισερχόμενη, μικρού μήκους κύματος ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία προερχόμενη από τον ήλιο, καθώς επίσης και την εξερχόμενη, υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπεται από τη Γη. Οποιαδήποτε διαφορά ανάμεσα στις δυο ποσότητες ακτινοβολίας οδηγεί σε μεταβολές της θερμοκρασίας του πλανήτη. Ένα κλιματικό μοντέλο μπορεί να προσδιοριστεί ως η μαθηματική προσομοίωση του κλιματικού συστήματος βασισμένη σε φυσικές, χημικές και βιολογικές διεργασίες. Οι εξισώσεις που προκύπτουν από τις παραπάνω διεργασίες είναι αρκετά περίπλοκες και ως εκ τούτου πρέπει να λυθούν αριθμητικά. Ως αποτέλεσμα, τα μοντέλα παρέχουν δεδομένα τα οποία είναι διακριτά στο χώρο και στο χρόνο, δηλαδή τα αποτελέσματα αντιπροσωπεύουν μέσες τιμές ανά περιοχή, η οποία εξαρτάται από τη χωρική ανάλυση του μοντέλου, για δεδομένες χρονικές περιόδους. Για παράδειγμα, κάποια μοντέλα παρέχουν μόνο παγκόσμιες ή ζωνικές μέσες τιμές ενώ κάποια άλλα διαθέτουν χωρικό πλέγμα με ανάλυση μικρότερη από 100 km. Το χρονικό βήμα μπορεί να είναι της τάξης των μερικών λεπτών μέχρι και μερικών ετών, ανάλογα με τις απαιτήσεις της εκάστοτε έρευνας. Εικόνα 4 Σχηματική απεικόνιση της δομής και της λειτουργίας ενός κλιματικού μοντέλου. 12

Ακόμη και για τα μοντέλα με ικανοποιητική ανάλυση, το βήμα του πλέγματος είναι τόσο μεγάλο, ώστε δεν μπορούν να προσομοιωθούν διεργασίες μικρής κλίμακας όπως οι τυρβώδεις ροές του οριακού στρώματος της ατμόσφαιρας ή των ωκεανών, οι αλληλεπιδράσεις μικρής κλίμακας με τα χαρακτηριστικά της τοπογραφίας, οι καταιγίδες, οι μικροφυσικές διεργασίες των νεφών κ.α.. Επιπλέον, κάποιες διεργασίες δεν είναι απολύτως γνωστές, ώστε να συμπεριληφθούν οι λεπτομερείς επιδράσεις τους στο μοντέλο. Κατά συνέπεια, είναι επιτακτική η ανάγκη για την παραμετροποίηση τέτοιων διεργασιών, βασισμένη σε εμπειρικούς ή και αριθμητικούς κανόνες. Καθώς όμως η παραμετροποίηση αναπαράγει μόνο τις άμεσες επιδράσεις αυτών των φαινομένων, είναι συχνά μια πηγή αβεβαιότητας μεγάλης κλίμακας στα κλιματικά μοντέλα. Σε συνδυασμό με τις βασικές αρχές της φυσικής, της βιολογίας και της χημείας, τα κλιματικά μοντέλα απαιτούν κάποια δεδομένα εισόδου από παρατηρήσεις μετρήσεις μεγεθών, ή αποτελέσματα άλλων μοντέλων. Για ένα κλιματικό μοντέλο το οποίο περιγράφει σχεδόν όλες τις παραμέτρους ενός συστήματος, απαιτείται ένας σχετικά μικρός όγκος δεδομένων, όπως η εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία, η ακτίνα και η περίοδος περιστροφής της γης, η τοπογραφία και η βαθυμετρία των ωκεανών, κάποιες ιδιότητες του εδάφους κ.α. Από την άλλη πλευρά, ένα μοντέλο που αναπαριστά συγκεκριμένα τη φυσική της ατμόσφαιρας, του ωκεανού και του θαλάσσιου πάγου, πρέπει να διαθέτει και όλα τα υπο-συστήματα του συστήματος όπως π.χ. η κατανομή της βλάστησης και η τοπογραφία των πάγων, σε μορφή οριακών συνθηκών (boundary conditions). Τα δεδομένα εισόδου συνήθως κατατάσσονται σε δύο κατηγορίες: στις οριακές συνθήκες (boundary conditions), οι οποίες κατά κανόνα διατηρούνται σταθερές καθ όλη τη διάρκεια της προσομοίωσης, και στους εξωτερικούς εξαναγκασμούς (external forcing) όπως παραδείγματος χάρη οι μεταβολές της ηλιακής δραστηριότητας. Ωστόσο, οι παραπάνω ορισμοί δεν είναι σαφώς καθορισμένοι. Οι καταναγκασμοί που λαμβάνονται υπόψη σε ένα μοντέλο, μπορεί να είναι τα δεδομένα εξόδου για ένα άλλο μοντέλο. Παραδείγματος χάρη, οι μεταβολές στη συγκέντρωση του CO 2, μπορούν να εισαχθούν ως δεδομένα σε κάποια μοντέλα, ενώ σε κάποια άλλα μπορεί να υπολογίζονται απευθείας από ένα συζευγμένο μοντέλο του κύκλου του άνθρακα. Επιπλέον, οι οριακές συνθήκες κάποιων μοντέλων, όπως η τοπογραφία των περιοχών που είναι καλυμμένες με πάγο, μπορούν να εξελίσσονται διαδραστικά σε ένα μοντέλο το οποίο έχει σχεδιαστεί για τη μελέτη κλιματικών μεταβολών σε μεγάλες χρονικές κλίμακες. Έχουν αναπτυχθεί πολλά κλιματικά μοντέλα με σκοπό να εκτελούν προβλέψεις για το κλίμα, δηλαδή για να προσομοιώσουμε και να κατανοήσουμε τις κλιματικές αλλαγές έτσι ώστε να μπορούμε καλύτερα να αντιμετωπίσουμε τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου αλλά και αερολυμάτων. Επιπλέον, τα μοντέλα μπορούν να είναι τρομερά εργαλεία για να βελτιώσουν τις γνώσεις μας για τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά του κλιματικού συστήματος και των αιτίων των μεταβολών του κλίματος. Προφανώς, οι κλιματολόγοι δε μπορούν να εκτελέσουν πειράματα σε πραγματικό κλιματικό σύστημα ώστε να προσδιορίσουν το ρόλο μιας συγκεκριμένης διαδικασίας με σαφήνεια ή να εξετάσουν μια συγκεκριμένη περίπτωση. Ωστόσο, αυτό μπορεί να γίνει στον ιδεατό κόσμο των κλιματικών μοντέλων. Για τα μη-γραμμική συστήματα, ο σχεδιασμός αυτών των ελέγχων, που συχνά αποκαλούνται πειράματα ευαισθησίας, πρέπει να προγραμματίζεται πολύ προσεκτικά. Σε απλά πειράματα, όμως, παραμελώντας μια διαδικασία ή ένα στοιχείο του διαμορφωμένου συστήματος (για παράδειγμα, την επίδραση της αύξησης της συγκέντρωσης του CO 2 στις ιδιότητες ακτινοβολίας της ατμόσφαιρας) μπορεί συχνά να μας δώσει μια πρώτη εκτίμηση του ρόλου αυτής της διαδικασίας ή αυτού του στοιχείου στο σύστημα. 13

Κατηγορίες μοντέλων Κατά το σχεδιασμό ενός μοντέλου, είναι αναπόφευκτες αρκετές απλοποιήσεις, καθώς οι παράμετροι που προσομοιώνονται διαφέρουν ως προς την τάξη μεγέθους τους, τόσο χωρικά όσο και χρονικά. Οι χρονικές κλίμακες που χρησιμοποιούμε, επίσης, ποικίλλουν σε μεγάλο βαθμό, από τάξεις δευτερολέπτων για ορισμένα κύματα έως δισεκατομμύρια χρόνια όταν πρόκειται να αναλύσουμε την εξέλιξη του κλίματος από τότε που σχηματίστηκε η Γη. Έγκειται λοιπόν στην κρίση του μελετητή, ο διαχωρισμός των διεργασιών σε αυτές που πρέπει οπωσδήποτε να συμπεριληφθούν στο σχεδιασμό του μοντέλου και σε αυτές οι οποίες μπορούν να αγνοηθούν ή να ενσωματωθούν με ένα απλουστευμένο τρόπο. Η επιλογή των παραμέτρων που θα παραληφθούν είναι άμεσα συνδεδεμένη με τους επιστημονικούς σκοπούς για τους οποίους σχεδιάζεται το μοντέλο, αλλά δεν μπορεί να γίνει, χωρίς να ληφθούν υπόψη τα διαθέσιμα τεχνικά και υπολογιστικά χαρακτηριστικά, καθώς τα περισσότερα μοντέλα απαιτούν αρκετά μεγάλη υπολογιστική ισχύ. Για τη μελέτη φαινομένων που αντιστοιχούν σε μεγάλες χρονικές κλίμακες, ή όταν είναι αναγκαίος ένας αρκετά μεγάλος αριθμός πειραμάτων, θεωρείται απαραίτητο να χρησιμοποιούνται απλά μοντέλα που δουλεύουν με μεγάλες ταχύτητες και δίνουν γρήγορα τα αποτελέσματά τους. Επιπλέον, κατά τη μελέτη ενός μηχανισμού ανάδρασης του κλίματος και των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των κλιματικών παραμέτρων, θεωρείται σκόπιμος ο σχεδιασμός ενός απλού μοντέλου το οποίο να περιέχει μόνο τα βασικά χαρακτηριστικά του κλίματος, αναγόμενα μάλιστα σε μεγάλες κλίμακες, ώστε να μην επηρεάζονται τα αποτελέσματα από τοπικές ή εποχιακές διακυμάνσεις και μικρές μεταβολές του συστήματος. Αυτός είναι και ο βασικότερος λόγος για τον οποίο τα απλούστερα μοντέλα χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των αποτελεσμάτων άλλων πολυπλοκότερων. Εκτός από την πολυπλοκότητα και το σχεδιασμό ενός μοντέλου, σημαντική παράμετρος κατηγοριοποίησης αυτών, αποτελεί ο διαχωρισμός τους βάση των μεταβλητών τους, σε αυτές που προσομοιώνονται ως σταθερές, και σε αυτές που εξορισμού τροποποιούνται και μελετώνται μέσα στο μοντέλο. Στην πλειονότητα των μοντέλων, προσομοιώνεται τουλάχιστον η βασική φυσική συμπεριφορά της ατμόσφαιρας, των ωκεανών και των παγετών. Επιπλέον, μοντέλα που περιλαμβάνουν περισσότερες λεπτομέρειες για τον κύκλο του άνθρακα (σε ξηρά και θάλασσα), πληροφορίες για τη βλάστηση και την επέμβασή της στους βιογεωχημικούς κύκλους και τις ιδιότητες του πάγου, απαρτίζουν μια γενική ομάδα μοντέλων τα όποια καλούνται Earth System Models. 14

Εικόνα 5 Τύποι κλιματικών μοντέλων Ένας δεύτερος τρόπος διαφοροποίησης μεταξύ των μοντέλων σχετίζεται με την πολυπλοκότητα των διαδικασιών που περιλαμβάνονται (εικόνα 1). Στη μία άκρη του φάσματος, τα Μοντέλα Γενικής Κυκλοφορίας (Global Circulation Models, GCMs), τα οποία λαμβάνουν υπόψιν όλες τις σημαντικές ιδιότητες του συστήματος στην υψηλότερη οικονομικά δυνατή ανάλυση. Ο όρος GCM καθιερώθηκε επειδή ένας από τους πρώτους στόχους αυτών των μοντέλων ήταν η ρεαλιστική προσομοίωση της τρισδιάστατης δομής των ανέμων και ρευμάτων. Έχουν χωριστεί ανά σφαίρα σε Μοντέλα Γενικής Ατμοσφαιρικής Κυκλοφορίας (Atmospheric General Circulation Models, AGCMs) και Μοντέλα Γενικής Ωκεάνιας Κυκλοφορίας (Ocean General Circulation Models, OGCMs). Για τις κλιματικές μελέτες που χρησιμοποιούν ατμοσφαιρικά και θαλάσσια στοιχεία διαδραστικά, συνήθως επιλέγονται τα ακρωνύμια AOGSM (Atmosphere Ocean General Circulation Model) και το ευρύτερο CGCM (Coupled General Circulation Model). Αντίθετα, τα μοντέλα Ενεργειακού Ισοζυγίου (ΕΒΜs), αποτελούν μια κατηγορία μοντέλων με ιδιαίτερα απλή δομή. Οι βασικές συνιστώσες του κλιματικού συστήματος προσομοιώνονται με αρκετές παραμετροποιήσεις, ενώ οι κύριες μεταβλητές εμφανίζονται ως χωρικές ή χρονικές μέσες τιμές, με μικρό αριθμό βαθμών ελευθερίας. Τέλος, τα μοντέλα ενδιάμεσης πολυπλοκότητας (Earth Models of Intermediate Complexity, EMICs) όπως υποδηλώνει και το όνομά τους, αποτελούν μια ενδιάμεση κατηγορία, καθώς αναπαριστούν με περισσότερες λεπτομέρειες το κλιματικό σύστημα, αλλά συμπεριλαμβάνουν αρκετές απλουστεύσεις και παραμετροποιήσεις κατά τη διαδικασία εξαγωγής αποτελεσμάτων. 15

Όταν χρησιμοποιούνται σωστά, όλοι οι τύποι κλιματικών μοντέλων μπορούν να παράγουν χρήσιμες πληροφορίες για τη συμπεριφορά του κλιματικού συστήματος. Δεν υπάρχει μέχρι στιγμής τέλειο μοντέλο που να είναι επαρκές για κάθε κλιματική έρευνα. Αυτός είναι ο λόγος που υπάρχει ένα ευρύ φάσμα κλιματικών μοντέλων. Ανάλογα με το στόχο ή την ερώτηση, θα μπορούσε να επιλεγεί και ένας διαφορετικός τύπος μοντέλου. Ο καλύτερος τύπος μοντέλου που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε εξαρτάται από το στόχο ή την ερώτηση. Από την άλλη πλευρά, συνδυάζοντας τα αποτελέσματα από διάφορους τύπους μοντέλων είναι συχνά ο καλύτερος τρόπος για να αποκτήσουμε βαθιά κατανόηση των κυρίαρχων διαδικασιών που ερευνούμε. 16

IPCC Η Διακυβερνητική Επιτροπή για την Κλιματική Αλλαγή (Intergovernmental Panel on Climate Change) είναι ο διεθνής οργανισμός για την αξιολόγηση της επιστήμης που σχετίζεται με την Κλιματική Αλλαγή. Η IPCC ιδρύθηκε το 1988 από τον Παγκόσμιο Μετεωρολογικό Οργανισμό (WMO) και το Πρόγραμμα των Ηνωμένων Εθνών για το Περιβάλλον (UNEP) για να παρέχει στους πολιτικούς τακτικές αξιολογήσεις της επιστημονικής βάσης της κλιματικής αλλαγής, τις επιπτώσεις της, τους μελλοντικούς κινδύνους, καθώς επίσης και επιλογές για την προσαρμογή και τον μετριασμού. Οι εκτιμήσεις τις IPCC παρέχουν μια επιστημονική βάση για τις κυβερνήσεις σε όλες τις βαθμίδες να αναπτύξουν πολιτικές σχετικές με το κλίμα και αποτελούν τη βάση των διαπραγματεύσεων στη διάσκεψη για το κλίμα του ΟΗΕ Σύμβαση Πλαίσιο των Ηνωμένων Εθνών για το κλίμα (UNFCCC). Οι αξιολογήσεις-εκτιμήσεις αυτές είναι σχετικές με την πολιτική αλλά όχι πολιτικά δεσμευτικές: μπορεί να παρουσιάζουν τις προβλέψεις της μελλοντικής κλιματικής αλλαγής βασισμένες σε διαφορετικά σενάρια και τους κινδύνους που εγκυμονεί η αυτή, και να συζητήσουν τις επιλογές που υπάρχουν, αλλά δεν επιβάλλουν στους πολιτικούς ποιες ενέργειες πρέπει να ληφθούν. Η IPCC ενσωματώνει μια μοναδική ευκαιρία να παρασχεθούν αυστηρά και ισορροπημένα επιστημονικά δεδομένα στους υπεύθυνους για τη λήψη αποφάσεων, λόγω του επιστημονικού και διακυβερνητικού χαρακτήρα της. Η συμμετοχή στην IPCC είναι ανοικτή σε όλες τις χώρες-μέλη του Παγκόσμιου Μετεωρολογικού Οργανισμού (WMO) και των Ηνωμένων Εθνών (UN). Σήμερα διαθέτει 195 μέλη. Η επιτροπή, η οποία απαρτίζεται από αντιπροσώπους των κρατών-μελών, συνεδριάζει σε ολομέλεια για να λάβει σημαντικές αποφάσεις. Το προεδρείο της IPCC, που εκλέγεται από τα κράτη-μέλη, παρέχει καθοδήγηση στην επιτροπή σχετικά με τις επιστημονικές και τεχνικές πτυχές του έργου της ειδικής επιτροπής και συμβουλεύει την ομάδα σε θέματα διαχείρισης και στρατηγικής. Οι εκτιμήσεις-αξιολογήσεις της IPCC είναι γραμμένες από εκατοντάδες κορυφαίους επιστήμονες, οι οποίοι προσφέρουν εθελοντικά το χρόνο και την εμπειρία τους ως συγγραφείς των εκθέσεων. Έχουν επιστρατεύσει επίσης εκατοντάδες άλλους εμπειρογνώμονες ως συνεργάτες ώστε να παράσχουν συμπληρωματική εμπειρογνωμοσύνη σε συγκεκριμένους τομείς. Οι εκθέσεις της IPCC υποβάλλονται σε πολλαπλούς γύρους κατάρτισης και αναθεώρησης για να εξασφαλιστεί ότι είναι ολοκληρωμένες και αντικειμενικές και ότι παράγονται με ανοικτό και διαφανή τρόπο. Χιλιάδες ακόμα εμπειρογνώμονες συμβάλλουν στις εκθέσεις ενεργώντας σαν αξιολογητές, εξασφαλίζοντας ότι οι εκθέσεις αντικατοπτρίζουν το πλήρες φάσμα των απόψεων στην επιστημονική κοινότητα. Ομάδες από κριτικούς συντάκτες έχουν δημιουργήσει έναν ακριβή μηχανισμό παρακολούθησης για τη διασφάλιση της ποιότητας των εκθέσεων και την αντιμετώπιση πιθανών λαθών. Η IPCC λειτουργεί αξιολογώντας δημοσιευμένη βιβλιογραφία. Δεν διεξάγει τη δική της επιστημονική έρευνα ως οργανισμός. Για όλα τα ευρήματα, οι συγγραφικές ομάδες χρησιμοποιούν συγκεκριμένη γλώσσα για να χαρακτηρίσουν το βαθμό της βεβαιότητας που έχουν τα συμπεράσματα της αξιολόγησης. Οι εκτιμήσεις της IPCC στοχεύουν σε πεδία όπου υπάρχει επιστημονικά εδραιωμένη γνώση και εξέλιξη της κατανόησης, καθώς και όπου υπάρχουν διαφορετικές οπτικές στη βιβλιογραφία. Οι συγγραφείς που γράφουν τις εκθέσεις σήμερα χωρίζονται σε τρεις ομάδες: 17

Ομάδα εργασίας 1: οι βάσεις των φυσικών επιστημών Ομάδα εργασίας 2: Επιπτώσεις, προσαρμογή και ευπάθεια Ομάδα εργασίας 3: Μετριασμός της αλλαγής του κλίματος και την ομάδα δράσης για τις εθνικές στατιστικές απογραφές αερίων του θερμοκηπίου (TFI). Ως μέλος της IPCC, μια ακόμη ομάδα επεξεργάζεται όλα τα δεδομένα και αναλύει το αντίκτυπο της κλιματικής αλλαγής, διευκολύνει επίσης τη διανομή και χρήση των δεδομένων που έχουν να κάνουν με τα σενάρια κλιματικής αλλαγής. Οι εκθέσεις της IPCC καλύπτουν την πλήρη επιστημονική, τεχνική και κοινωνικο-οικονομική αξιολόγηση της κλιματικής αλλαγής σε τέσσερα μέρη, ένα για κάθε μία από τις ομάδες εργασίας συν μια συνθετική έκθεση. Οι ειδικές εκθέσεις είναι ενός συγκεκριμένου θέματος. Οι εκθέσεις της μεθοδολογίας παρέχουν πρακτικές οδηγίες για την προετοιμασία της απογραφής των αερίων του θερμοκηπίου στο πλαίσιο της UNFCCC. 18

Πρόγραμμα CMIP5 Στα πλαίσια του IPCC λειτουργεί το πρόγραμμα CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) το οποίο αποτελεί την Πέμπτη φάση ενός προγράμματος συγκριτικής μελέτης συζευγμένων μοντέλων. Με τον όρο σύζευξη γίνεται αναφορά στην σύζευξη ωκεανού ατμόσφαιρας. To Σεπτέμβριο του 2008 είκοσι (20) ομάδες μοντέλων από όλο τον κόσμο, με το Working Group On Coupled Modelling (WGCM) σε συνδυασμό με δεδομένα από το IGBP AIMES project οδήγησαν στην προώθηση ενός νέου πειράματος μοντέλων που αποτέλεσε την απαρχή του προγράμματος CMIP5. Σε αυτή τη φάση του προγράμματος παρέχεται ένα πλαίσιο για την αξιολόγηση των μηχανισμών που ευθύνονται: για την περιορισμένη κατανόηση που υπάρχει σε θέματα που σχετίζονται με μηχανισμούς ανατροφοδότησης του κύκλου του διοξειδίου του άνθρακα και των νεφών για την ικανότητα του προγράμματος να κάνει προγνώσεις σε κλίμακες δεκαετιών αλλά και μεγαλύτερες καθώς και τη μελέτη του λόγου για τον οποίο παρόμοιας δυναμικής μοντέλα οδηγούν σε διαφορετικού βαθμού κλιματική απόκριση. Ο σκοπός του CMIP5 είναι να δώσει απαντήσεις σε θέματα που έχει εγείρει η μελέτη του κλίματος σύμφωνα με το AR4 (Assessment Report 4) του IPCC καθώς και η βελτίωση της κατανόησης των μηχανισμών του κλίματος για την μελέτη κλιματικών παραμέτρων στο μέλλον. Ένας από τους πιο σημαντικούς σκοπούς του προγράμματος είναι η μελέτη και αξιολόγηση του κλίματος στο μέλλον. Στο AR5, που δημοσιεύτηκε το 2013, υπάρχουν εκτενείς αναφορές στα αποτελέσματα του προγράμματος CMIP5 καθώς τα μοντέλα που εμπεριέχει το πρωτόκολλο αποτέλεσε προτεραιότητα στην ατζέντα μελέτης για το κλίμα του μέλλοντος. Σύμφωνα με τους Taylor et al. (2009) το CMIP5 έχει σαν στόχο να παράσχει ένα πλαίσιο για την διενέργεια συντονισμένων πειραμάτων/μοντέλων για το μέλλον σχετικά με τη μελέτη του κλίματος ώστε να αποτελέσει την πηγή πληροφοριών για την συγγραφή του AR5 καθώς και άλλων που θα ξεπερνούν την συγκεκριμένη έκθεση. Δεν είναι δυνατό στο CMIP5 να περιληφθεί η μελέτη σύγκρισης όλων των διαφορετικών μοντέλων, που πιθανό να έχει αξία. Αναμένεται να αναπτυχθούν από διάφορες ομάδες επιπρόσθετα πειράματα τα οποία θα αυξήσουν την δυναμική μελέτης του κλίματος. Το πρόγραμμα παρέχει μια συγκεκριμένη ομάδα προσομοιώσεων με σκοπό: την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των διαφορετικών μοντέλων για την εκτίμηση των παροντικών κλιματικών συνθηκών την παροχή εκτιμήσεων για κλιματικές αλλαγές σε βραχυπρόθεσμη και μακροπρόθεσμη μελλοντική κλίμακα τέλος, την κατανόηση εκείνων των παραγόντων οι οποίοι ευθύνονται για τις διαφορές στα αποτελέσματα των μοντέλων, συμπεριλαμβανομένων και κάποιων μηχανισμών αλληλεπίδρασης, όπως παραδείγματος χάριν αυτού του κύκλου του άνθρακα με τα νέφη. Κατά κύριο λόγο τα πειράματα διακρίνονται σε δυο κατηγορίες ως προς τη χρονική περίοδο που καλύπτουν: στις βραχυχρόνιες προσομοιώσεις, με χρονική διάρκεια από 10 έως 30 έτη, στις οποίες λαμβάνονται πραγματικές μετρήσεις και όχι διαδραστικοί ωκεανοί, και 19

στις μακροχρόνιες, οι οποίες καλύπτουν χρονικές περιόδους εκατονταετιών, και ως αρχικές συνθήκες λαμβάνουν αποτελέσματα μοντέλων με σύζευξη ωκεανού ατμόσφαιρας (AOGCMs) ίσως και με τον κύκλο του άνθρακα. Ωστόσο κάποιες ομάδες μπορεί να χρησιμοποιούν προσομοιώσεις με υψηλή ανάλυση για την ατμόσφαιρα ή τις χημικές ατμοσφαιρικές διεργασίες. Στις περιπτώσεις που η υπολογιστική διαθέσιμη ισχύς δεν επαρκεί για την πλήρως συζευγμένη προσομοίωση, τότε υπάρχει η δυνατότητα καταμερισμού του χρόνου, με μια ομάδα πειραμάτων γνωστή και ως time slice experiments τόσο για τις παροντικές, όσο και για τις μελλοντικές εκτιμήσεις (2026 2035). Λόγω του μεγάλου αριθμού των προσομοιώσεων των μοντέλων που συμμετέχουν στο πρόγραμμα (CMIP5), τα πειράματα και των δυο προαναφερθεισών κατηγοριών ομαδοποιούνται σε ένα «πυρήνα» (core), στο οποίο συμμετέχουν όλες οι ομάδες κλιματικών μοντέλων, και σε μια ή δύο επιμέρους «εστίες» (tiers) (Εικόνα 2.3). Για να καταστεί δυνατή μια συστηματική σύγκριση μοντέλων και να παραχθεί ένα αξιόπιστο σύνολο δεδομένων για ανάλυση, τα βασικά πειράματα (core) θα πρέπει να ολοκληρώνονται από όλες τις ομάδες κλιματικών μοντέλων. Τα πειράματα της πρώτης ομάδας εξετάζουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά των κλιματικών εξαναγκασμών, των αποκρίσεων των μοντέλων και των διεργασιών που αυτά περιλαμβάνουν, ενώ τα πειράματα της δεύτερης ομάδας δίνουν μεγαλύτερη έμφαση σε όλα τα παραπάνω χαρακτηριστικά. Θα μπορούσε λοιπόν κάποιος να πει ότι υπάρχει μια συνέχεια στη μετάβαση από την πρώτη ομάδα πειραμάτων στη δεύτερη ώστε να μελετηθούν με καλύτερη ακρίβεια οι πολύπλοκες διεργασίες απόκρισης του κλιματικού συστήματος. Εικόνα 6 Σχηματική απεικόνιση κατηγοριοποίησης των πειραμάτων που συμμετέχουν στο πρόγραμμα [Taylor et. al] 20

RCP Για να γίνουν κλιματικές προβλέψεις για το μέλλον από το WGI (Working Group I) της IPCC ήταν απαραίτητες πληροφορίες για τις συγκεντρώσεις και τις εκπομπές θερμοκηπικών αερίων, αιωρούμενων σωματιδίων καθώς και των κλιματικών μηχανισμών. Αυτές οι δραστηριότητες συνήθως αναφέρονται σαν σενάρια ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Τα σενάρια αυτά εστιάζουν στις ανθρωπογενείς δραστηριότητες και δεν περιλαμβάνουν μεταβολές σε φυσικούς κλιματικούς μηχανισμούς όπως η ηλιακή δραστηριότητα, η ηφαιστειακή δραστηριότητα και οι φυσικές εκπομπές. Σύμφωνα με τον ορισμό της διακυβερνητικής επιτροπής για τις κλιματικές αλλαγές η ομάδα σεναρίων RCPs (Representative Concentration Pathways) είναι τα σενάρια που περιλαμβάνουν χρονοσειρές εκπομπών, τις συγκεντρώσεις των θερμοκηπικών αερίων καθώς και των αιωρούμενων σωματιδίων. Επίσης περιγράφουν τις χημικές δραστηριότητες των αερίων στην ατμόσφαιρα, την χρήσης γης και της κάλυψης της γήινης επιφάνειας. Ο όρος representative (αντιπροσωπευτικός) υποδεικνύει ότι το κάθε σενάριο RCP προωθεί μόνο ένα από τα πιθανά πολλά σενάρια που οδηγούν σε συγκεκριμένα χαρακτηριστικά του κλιματικού εξαναγκασμού (radiative forcing). Ο όρος pathways (πορεία-μονοπάτι) εστιάζει στην σημασία της πορείας των χρονοσειρών για την μελέτη του αποτελέσματος και όχι μόνο το αποτύπωμα από τις μακροπρόθεσμες τιμές των συγκεντρώσεων. Τα σενάρια RCPs αναφέρονται στο μέλλον και εκτείνονται μέχρι το 2100. Μια άλλη κατηγορία σεναρίων που επεκτείνεται από τα RCPs είναι τα ECPS τα οποία αναφέρονται στο μέλλον και εστιάζουν στην περίοδο 2100 2500. Τα σενάρια αυτά αποτελούν την βάση των προβλέψεων και των προγνώσεων από μοντέλα για το μέλλον στο AR5 της IPCC. Η οικογένεια σεναρίων RCPs περιλαμβάνει τέσσερα σενάρια κάθε ένα από τα οποία αναφέρεται σε διαφορετικό κλιματικό εξαναγκασμό (radiative forcing). Αυτά είναι τα : RCP 2.6: Σε αυτό το μελλοντικό σενάριο ο κλιματικός εξαναγκασμός αυξάνεται μέχρι περίπου τα 3 W/m 2 μέχρι το 2100 και μετά μειώνεται (το αντίστοιχο ECP σενάριο υποθέτει σταθερές εκπομπές μετά το 2100) RCP 4.5 και RCP6.0: Αποτελούν δυο σενάρια μετριοπαθή σύμφωνα με τα οποία ο κλιματικός εξαναγκασμός σταθεροποιείται περίπου στα 4,5 και 6,0 W/m 2 μετά το 2100 (το αντίστοιχο ECP σενάριο υποθέτει σταθερές συγκεντρώσεις μετά το 2150) RCP 8.5: Αποτελεί το ακραίο σενάριο σύμφωνα με το οποίο η τιμή του κλιματικού εξαναγκασμού φτάνει τιμές μεγαλύτερες από 8,5 W/m 2 και συνεχίζει να έχει αυξητική τάση και για ένα διάστημα μετά το 2100 (το αντίστοιχο ECP σενάριο υποθέτει σταθερές εκπομπές μετά το 2100 και σταθεροποίηση των συγκεντρώσεων μετά το 2250) Αυτή η ομάδα σεναρίων ορίσθηκε από την επιστημονική κοινότητα κατά το AR4. Τα σενάρια αναφέρονται στην (κατά προσέγγιση) τιμή του κλιματικού εξαναγκασμού το έτος 2100 αναφορικά με το έτος 1750 (προβιομηχανική εποχή). Για τα αποτελέσματα του προγράμματος CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) αυτές οι τιμές για τον κλιματικό εξαναγκασμό που αναφέρονται στα σενάρια RCPs θα πρέπει να λαμβάνονται μόνο σαν ενδεικτικές στα πλαίσια των συλλογικών μηχανισμών επίδρασης στο κλίμα. Για την περίοδο του εγγύς μέλλοντος (τον 21ο αιώνα) τα σενάρια RCPs, θα είναι αυτά που θα καθορίζουν τις προτάσεις για την ακολουθούμενη πολιτική με στόχο την προστασία του κλίματος. Η λειτουργία των σεναρίων σχετίζεται με τον συνδυασμό μοντέλων εκτίμησης, απλών κλιματικών μοντέλων, την ατμοσφαιρική χημεία (μέσω μοντέλων εξομοίωσης χημείας στην ατμόσφαιρα) καθώς και σε μοντέλα περιγραφής του κύκλου 21

του άνθρακα σε παγκόσμια κλίμακα. Τα αιωρούμενα σωματίδια είναι μια παράμετρος που δεν λαμβάνουν υπόψη τα σενάρια αυτά. Τα μοντέλα γήινου συστήματος (ESM: Earth System Models) στα πλαίσια του προγράμματος CMIP5 λαμβάνουν καθορισμένες τιμές για το διοξείδιο του άνθρακα που φτάνει για το RCP2.6 τα 421 ppm, το RCP4.5 τα 538 ppm, το RCP6.0 τα 670 ppm και το RCP8.5 τα 936 ppm μέχρι το 2100. Επίσης περιλαμβάνουν ορισμένες τιμές για το CH 4 και το N 2 O με τις τιμές ισοζυγίου διοξειδίου του άνθρακα να λαμβάνουν τιμές για το RCP2.6 τα 475 ppm, το RCP4.5 τα 630 ppm, το RCP6.0 τα 800 ppm και το RCP8.5 τα 1313 ppm μέχρι το 2100 (Πηγή: IPCC). Η χημεία, όπως προαναφέρθηκε, αποτελεί μια παράμετρο που λαμβάνεται υπόψη στο CMIP5 από κατάλληλα μοντέλα προσομοίωσης. Όμως υπάρχουν αρκετές αβεβαιότητες στην περιγραφή της χημείας που σχετίζεται με φαινόμενα ανατροφοδότησης του συστήματος των αντιδράσεων λόγω του κύκλου του άνθρακα (CO 2 ). Τα τέσσερα σενάρια RCP είναι ορισμένα με συγκεκριμένες κοινωνικο-οικονομικές υποθέσεις, αλλά πρόκειται να αντικατασταθούν στο μέλλον με πιο πολύπλοκες και σύγχρονες μεταβλητές έτσι ώστε να παρέχουν πιο ευέλικτες περιγραφές των πιθανών μελλοντικών εξελίξεων σε κάθε σενάριο RCP. 22

Μεθοδολογία Στόχος της εργασίας είναι η παρουσίαση χαρτών και γραφημάτων χρονοσειρών με σκοπό τη μελέτη της κλιματικής αλλαγής στον πλανήτη από το 2006 μέχρι το 2100, με απώτερο σκοπό την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των μοντέλων έπειτα από σύγκρισή τους. Τα δεδομένα-αποτελέσματα κάθε μοντέλου είναι αποθηκευμένα και διαθέσιμα στην επίσημη ιστοσελίδα του προγράμματος CMIP5 (https://pcmdi.llnl.gov/search/cmip5/). Μετά τη δημιουργία προσωπικού λογαριασμού στο πρόγραμμα, έχουμε τη δυνατότητα να διαλέξουμε τις παραμέτρους οι οποίες εξειδικεύουν την αναζήτησή μας ώστε να βρούμε ακριβώς τα δεδομένα που ψάχνουμε. Εικόνα 7 Περιβάλλον της ιστοσελίδας του προγράμματος CMIP5 Πιο συγκεκριμένα, η παραμετροποίηση της αναζήτησής μας ξεκινάει με την επιλογή Project, όπου διαλέξαμε το CMIP5 πάνω στο οποίο βασίστηκε η πτυχιακή εργασία. Η επιλογή Product παραμένει πάντα στη ρύθμιση output1, ενώ στο Institute επιλέγουμε το ινστιτούτο ή πανεπιστήμιο που παρέχει τα δεδομένα. Στην επιλογή Model διαλέγουμε το μοντέλο του οποίου τα αποτελέσματαδεδομένα θέλουμε να λάβουμε. Κάθε ινστιτούτο ή πανεπιστήμιο μπορεί να έχει πληθώρα από μοντέλα με διαφορετικές ρυθμίσεις το καθένα. Στις επιλογές Experiment και Experiment Family διαλέγουμε το πείραμα που μας ενδιαφέρει, που στην περίπτωσή μας είναι τα μελλοντικά σενάρια RCP. Έτσι, για το Experiment διαλέγουμε τα RCP 2.6, RCP 4.5, RCP 6, RCP 8.5, ενώ στο Experiment Family επιλέγουμε το RCP. Στην επιλογή Time Frequency επιλέγουμε τη συχνότητα με την οποία θέλουμε να εμφανίζονται τα αποτελέσματα (π.χ. 23

ανά ημέρα, ανά μήνα, ανά χρόνο), διαλέγοντας την επιλογή mon. Η επόμενη επιλογή, Realm, αφορά τη σφαίρα του πλανήτη με την οποία θα ασχοληθούμε, δίνοντάς μας επιλογές όπως η ατμόσφαιρα (atmos), αερολύματα (aerosol), γη (land), ωκεανός (ocean) κ.α., όπου επιλέγουμε την ατμόσφαιρα. Στην επιλογή Ensemble, υπάρχει η δυνατότητα να επιλέξουμε το πείραμα που θέλουμε με διαφορετικές αρχικές συνθήκες (π.χ. r2i1p1, r3i1p2, κ.λπ.), όμως για τις ανάγκες της πτυχιακής εργασίας επιλέξαμε σε όλα τα πειράματα το ensemble r1i1p1 το οποίο μας έδινε και τη μεγαλύτερη ποικιλία αποτελεσμάτων. Παρακάτω, στην επιλογή Variable και Variable Long Name, επιλέγουμε την μεταβλητή που μας ενδιαφέρει. Στην συγκεκριμένη πτυχιακή εργασία δουλέψαμε με τις μεταβλητές Surface Downwelling Shortwave Radiation (rsds) και Surface Downwelling Longwave Radiation (rlds). Τέλος, το Datanode μας δίνει τη δυνατότητα να διαλέξουμε από ποιόν πάροχο θέλουμε να λάβουμε τα αρχεία netcdf με τα αποτελέσματα των μοντέλων. Συνοπτικά, τα τελικά δεδομένα που επιλέχθηκαν για τις ανάγκες της εργασίας ήταν όλα τα μελλοντικά σενάρια RCP που προαναφέρθηκαν, για την ατμόσφαιρα σε όλο τον πλανήτη στο ensemble (r1i1p1), για κάθε μήνα από το 2006 μέχρι το 2100. Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν ανήκουν στα πειράματα RCP (Representative Concentration Pathways) τα οποία είναι τέσσερα σενάρια συγκέντρωσης αερίων του θερμοκηπίου και εγκρίθηκαν από την IPCC για την πέμπτη έκθεση της αξιολόγησης (AR5) που πραγματοποιήθηκε το 2014 (Moss, et al., 2008). Τα τέσσερα σενάρια αυτά χρησιμοποιούνται για κλιματικά μοντέλα και έρευνα. Περιγράφουν τέσσερις πιθανές μελλοντικές εξελίξεις, όλες εκ των οποίων θεωρούνται πιθανές ανάλογα με το πόσα αέρια θερμοκηπίου θα εκπεμφθούν στα επόμενα χρόνια. Τα τέσσερα σενάρια RCP 2.6, RCP 4.5, RCP 6.0 και RCP 8.5 πήραν το όνομά τους από ένα φάσμα πιθανών ακτινοβολιακών εξαναγκασμών το έτος 2100, σχετικές με τα προ-βιομηχανικά χρόνια, +2.6, +4.5, + 6.0 και +8.5 W/m 2 αντίστοιχα (Weyant et al., 2009). Τα σενάρια RCP συνάδουν με ένα ευρύ φάσμα πιθανών αλλαγών στις μελλοντικές ανθρωπογενείς εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου (Collins et al., 2014). Το RCP 2.6 υποθέτει ότι οι παγκόσμιες ετήσιες εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου (υπολογισμένα σε ισοδύναμα CO 2 ) κορυφώνονται μεταξύ 2010-2020, με τις εκπομπές να μειώνονται σημαντικά τα επόμενα έτη. Στο RCP 4.5 οι εκπομπές κορυφώνονται περίπου τα 2040 και στη συνέχεια μειώνονται. Στο RCP 6.0 η κορύφωση των εκπομπών έρχεται περίπου το 2080 και ύστερα μειώνεται. Στο RCP 8.5, οι εκπομπές συνεχίζονται να αυξάνονται καθ όλη τη διάρκεια του 21 ου αιώνα. Τα αρχεία του προγράμματος CMIP5 έχουν τη μορφή.netcdf. Ένα αρχείο netcdf περιέχει δύο μέρη: την επικεφαλίδα, η οποία περιγράφει τα ονόματα, τις διαστάσεις κ.λπ. των μεταβλητών που είναι αποθηκευμένες στο αρχείο, και το κυρίως μέρος το οποίο εμπεριέχει τα πραγματικά δεδομένα. Για να επεξεργαστούμε ένα αρχείο netcdf, πρέπει πρώτα να εξαγάγουμε τις πληροφορίες της επικεφαλίδας και να προσδιορίσουμε ποιο μέρος/τμήμα των δεδομένων θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε. Αυτό γίνεται συνήθως με τη χρήση ενός συνόλου από αυτόνομα εργαλεία μέσω του περιβάλλοντος αριθμητικής υπολογιστικής προγραμματιστικής γλώσσας 4 ης γενιάς, Matlab. Στη συγκεκριμένη πτυχιακή εργασία χρησιμοποιήθηκε η έκδοση Matlab R2015a. 24

Επεξεργασία δεδομένων Αρχικά διαβάζουμε τα στοιχεία του αρχείου.netcdf που επιθυμούμε με την εντολή: ncdisp('file.nc'). Με αυτόν τον τρόπο μας παρουσιάζονται όλες οι πληροφορίες που έχει μέσα το αρχείο. Για την συγκεκριμένη πτυχιακή, οι πληροφορίες που χρειαστήκαμε από τα αρχεία netcdf ήταν το latitude (γεωγραφικό πλάτος), longitude (γεωγραφικό μήκος), time (χρόνος), rsds (Surface Downwelling Shortwave Radiation) και rlds (surface downwelling longwave radiation). Η μεταβλητή rsds αναφέρεται στην μικρού μήκους κύματος ηλιακή ακτινοβολία που εισέρχεται στη γη, με μήκη κύματος στο διάστημα 0.2 μm 4 μm, δηλαδή ανήκει στο υπεριώδες, ορατό και κοντινό υπέρυθρο. Η μεταβλητή rlds αναφέρεται στην μεγάλου μήκους κύματος λ > 4 μm (θερμικό υπέρυθρο) ακτινοβολία που εκπέμπει η ατμόσφαιρα προς το έδαφος Στο υπόλοιπο της εργασίας η rsds θα αναφέρεται ως «ηλιακή» ακτινοβολία, ενώ η rlds θα αναφέρεται ως «γήινη». Στο πρώτο σκέλος της ανάλυσης που εκτελέστηκε χρησιμοποιήθηκαν οι ακόλουθες εντολές: latitude=ncread('file.nc','lat'); longitude=ncread('file.nc','lon'); time=ncread('file.nc','time'); rlds=ncread('file.nc','rlds'); Μέσω αυτών των εντολών, δημιουργούμε 3 μονοδιάστατους πίνακες latitude, longitude, time και έναν 3-διάστατο rsds (με τον αντίστοιχο με τον αντίστοιχο τρόπο και για το rlds), έναν για κάθε μεταβλητή, έτσι ώστε να φέρουμε τα δεδομένα στη μορφή που χρειάζεται για να τα εισάγουμε στον κώδικα του επόμενου βήματος. Ο κώδικας που χρησιμοποιήθηκε μετά ήταν ο mat2vec (Παράρτημα, Κώδικας 1) Όπως φαίνεται και στον παραπάνω κώδικα πρόκειται για τη συνάρτηση mat2vec(lat, lon, matrix,yr). Ο κώδικας αυτός ουσιαστικά μετατρέπει τον αρχικά τρισδιάστατο πίνακα των μηνιαίων θερμοκρασιών σε δισδιάστατο (που είναι ευκολότερος στη χρήση) ταξινομώντας τα δεδομένα σε 14 στήλες. Οι δύο πρώτες αντιστοιχούν στα γεωγραφικά πλάτη και γεωγραφικά μήκη ενώ οι υπόλοιπες 12 περιέχουν τις μηνιαίες τιμές των ακτινοβολιών όπως αυτές υπήρχαν στο αρχικό αρχείο netcdf. Το lat πρέπει να είναι μονοδιάστατο διάνυσμα με μέγεθος ίσο με τις γραμμές (rows) ενώ το lon πρέπει να είναι επίσης μονοδιάστατο διάνυσμα με μέγεθος ίσο με τις στήλες (cols: columns). Στο data αντιστοιχεί ο matrix (με όλα τα δεδομένα των ακτινοβολιών) και πρέπει να είναι τρισδιάστατος πίνακας με μέγεθος που δίνεται από το γινόμενο γραμμές στήλες μήνες. Επίσης το lat πρέπει να ξεκινάει από το Νότιο Ημισφαίριο προς το Βόρειο. Το yr είναι το έτος που μελετάται. Αφού είχαν ήδη προετοιμαστεί οι απαραίτητες τιμές εισόδου για να τρέξει το mat2vec, ύστερα το εντάξαμε μέσα σε μια εντολή επανάληψης ώστε να μας αποθηκεύσει όλες τις πληροφορίες του αρχείου netcdf σε ξεχωριστά αρχεία.txt για κάθε έτος από το 2006 έως το 2100. Αυτή η εντολή ήταν η παρακάτω: for yr = 2006:2100 mat2vec (latitude, longitude, rsds(:,:,(yr-2006)*12+1:(yr-2005)*12), yr); end 25

Τα δεδομένα των ακτινοβολιών στο αρχικό αρχείο ξεκινούν για γεωγραφικό μήκος longitude από 0 μέχρι 360 μοίρες, κάτι το οποίο είναι αναγκαίο να αλλάξει ώστε να μπορέσει να λειτουργήσει ο επόμενος κώδικας. Για το λόγο αυτό χρειάστηκε να κοπεί ο πίνακας rsds (matrix) σε δύο τμήματα, το πρώτο μισό του οποίου περιέχει τα γεωγραφικά μήκη από 0 έως 180 μοίρες και το κάτω μισό περιέχει τα γεωγραφικά μήκη από 180 έως 360 μοίρες. Το αντίστοιχο έγινε και για το γεωγραφικό μήκος με το πρώτο μισό να περιέχει τις τιμές από 0 έως 180 μοίρες και το δεύτερο μισό τις 180 έως 360 μοίρες. Ο κώδικας GlobalValue (Παράρτημα, Κώδικας 2) είναι αυτός με τον οποίο υπολογίστηκαν οι μέσες παγκόσμιες ηλιακές και γήινες ακτινοβολίες (rsds και rlds), οι μέσες ηλιακές και γήινες ακτινοβολίες του βορείου και του νοτίου ημισφαιρίου. Πιο συγκεκριμένα, υπολογίζει τη μέση ετήσια ηλιακή και γήινη ακτινοβολία για κάθε έτος και για όλα τα γεωγραφικά πλάτη και μήκη (παγκόσμιο) από το 2006 έως και το 2100 (αντίστοιχα και για το βόρειο και νότιο ημισφαίριο). Αφού έχουμε τα δεδομένα εισόδου για να χρησιμοποιήσουμε το Global Value, δηλαδή το filename, τις στήλες (columns) από τις οποίες θα προκύψει η μέση τιμή και τον μήνα, θα χρησιμοποιήσουμε έναν βρόγχο if για να αυτοματοποιήσουμε τη διαδικασία για όλο το εύρος των 95 ετών του αρχείου netcdf. Οι τιμές εξόδου yn, ys, y μας δίνουν την μέση τιμή της ακτινοβολίας του βόρειου ημισφαιρίου, του νότιου ημισφαιρίου και της παγκόσμιας μέσης τιμής αντίστοιχα. Όνομα: Average per Year for yr=2006:2100 [yn(yr-2005),ys(yr-2005),y(yr-2005)]= GlobalValue(['rlds' num2str(yr) '.txt'],12,[1:12],1); end Πλέον έχουμε τα αποτελέσματα για τις μέσες παγκόσμιες τιμές ακτινοβολίας και τις αντίστοιχες για το βόρειο και νότιο ημισφαίριο ξεχωριστά (y, yn, ys). Ύστερα χωρίζουμε τη γη σε 5 διαφορετικές ζώνες. Η πρώτη ζώνη αφορά το γεωγραφικό πλάτος από -90 έως -60, η δεύτερη από -60 έως -30, η Τρίτη από -30 έως +30, η τέταρτη από +30 έως +60 και τέλος η Πέμπτη από +60 έως +90 μοίρες. Για να επιτευχθεί αυτό χρησιμοποιήθηκε ο κώδικας GlobalValueLat, μια τροποποιημένη έκδοση του GlobalValue που χρησιμοποιήσαμε προηγουμένως με τη διαφορά ότι υπάρχουν επιπλέον δύο νέα δεδομένα εισόδου, το minlat και το maxlat, με τα οποία ορίζονται τα όρια του γεωγραφικού πλάτους για κάθε ζώνη. Η διαδικασία αυτή αυτοματοποιήθηκε ως εξής: for yr=2006:2100 [y1(yr-2005)]= GlobalValueLat(['rsds' num2str(yr) '.txt'],12,[1:12],-90,-60,1); [y2(yr-2005)]= GlobalValueLat(['rsds' num2str(yr) '.txt'],12,[1:12],-60,-30,1); [y3(yr-2005)]= GlobalValueLat(['rsds' num2str(yr) '.txt'],12,[1:12],-30,30,1); [y4(yr-2005)]= GlobalValueLat(['rsds' num2str(yr) '.txt'],12,[1:12],30,60,1); [y5(yr-2005)]= GlobalValueLat(['rsds' num2str(yr) '.txt'],12,[1:12],60,90,1); end Στατιστική ανάλυση Αφού πλέον έχουμε όλα τα δεδομένα που χρειαζόμαστε και τα έχουμε χωρίσει σε ξεχωριστούς πίνακες, μπορούμε να κάνουμε την στατιστική ανάλυση των δεδομένων χρησιμοποιώντας τις παρακάτω εντολές: 26

len=length(y); [b,bint]=regress(y',[ones(len,1) (1:len)'],0.05); Result=b(2)*len; if sign(bint(2,1))==sign(bint(2,2)) disp('true') else disp('false') end [b1,bint1]=regress(y1',[ones(len,1) (1:len)'],0.05); Result1=b1(2)*len; if sign(bint1(2,1))==sign(bint1(2,2)) disp('true') else disp('false') end [b2,bint2]=regress(y2',[ones(len,1) (1:len)'],0.05); Result2=b2(2)*len; if sign(bint2(2,1))==sign(bint2(2,2)) disp('true') else disp('false') end [b3,bint3]=regress(y3',[ones(len,1) (1:len)'],0.05); Result3=b3(2)*len; if sign(bint3(2,1))==sign(bint3(2,2)) disp('true') else disp('false') end [b4,bint4]=regress(y4',[ones(len,1) (1:len)'],0.05); Result4=b4(2)*len; if sign(bint4(2,1))==sign(bint4(2,2)) disp('true') else disp('false') end [b5,bint5]=regress(y5',[ones(len,1) (1:len)'],0.05); Result5=b5(2)*len; if sign(bint5(2,1))==sign(bint5(2,2)) disp('true') else disp('false') end 27

Τα δεδομένα εξόδου είναι τα b και bint για τον παγκόσμιο μέσο όρο, και τα αντίστοιχα τα b και bint για κάθε ζώνη ξεχωριστά. Στους πίνακες result έχει αποθηκευτεί η κλίση της ευθείας ελαχίστων τετραγώνων για την ακτινοβολία σε όλη την 95ετία. Στα bint αποθηκεύεται το διάστημα μέσα στο οποίο έχουν προσδιοριστεί οι κλίσεις των ευθειών ελαχίστων τετραγώνων με βεβαιότητα 95%. Για να βρούμε αν η κλίση της ευθείας ελαχίστων τετραγώνων b είναι στατιστικά σημαντική, πρέπει να ελέγξουμε εάν τα bint(2,1) και bint(2,2) συμπεριλαμβάνουν στις τιμές τους το μηδέν ή αλλιώς εάν έχουν αντίθετα πρόσημα. Αν οι τιμές bint(2,1) και bint(2,2) συμφωνούν, τότε μπορούμε να είμαστε βέβαιοι κατά 95% ότι υπάρχει στατιστικά σημαντική μεταβολή της ακτινοβολίας. Κάθε φορά που οι τιμές bint(2,1) και bint(2,2) συμφωνούν, τότε εμφανίζεται το μήνυμα TRUE ενώ εάν διαφωνούν εμφανίζεται το μήνυμα FALSE που μας υποδεικνύει ότι δε μπορούμε να είμαστε σίγουροι ότι υπάρχει θετική ή αρνητική μεταβολή της ακτινοβολίας. 28

Αποτελέσματα Σε αυτό το κεφάλαιο θα παρουσιαστούν τα αποτελέσματα της πτυχιακής εργασίας για την ηλιακή ακτινοβολία και τη γήινη ακτινοβολία με τα αντίστοιχα γραφήματα. Διαγράμματα Ηλιακής Ακτινοβολίας 6.0 Total Difference per Rcp Scenario (Worlwide) 4.0 2.0 W/m 2 0.0-2.0-4.0-6.0 Rcp 2.6 Rcp 4.5 Rcp 6 Rcp 8.5 0.8-0.3-1.0-2.3 Shortwave Radiation Γράφημα 1 Το παραπάνω διάγραμμα παρουσιάζει την συνολική διαφορά στην ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνεια της γης από το 2006 έως το 2100, έχοντας λάβει υπόψιν τα αποτελέσματα όλων των μοντέλων μαζί ανά σενάριο RCP, μαζί με τα error-bars τα οποία ορίζονται από την τυπική απόκλιση (standard deviation) των αποτελεσμάτων των μοντέλων. Κυρίως στην μεταβλητή rsds, παρατηρήθηκε ότι υπήρχε ασυμφωνία μεταξύ των μοντέλων. Μετά τον υπολογισμό της ευθείας ελαχίστων τετραγώνων, ελέγξαμε εάν τα αποτελέσματα ήταν στατιστικά σημαντικά. Για το παραπάνω γράφημα, στο σενάριο Rcp 2.6 τα αποτελέσματα ήταν κατά 100% στατιστικά σημαντικά, στο σενάριο Rcp 4.5 ήταν 95,5% στατιστικά σημαντικά, στο Rcp 6 ήταν 83% στατιστικά σημαντικά και στο Rcp 8.5 ήταν 100% στατιστικά σημαντικά. Αυτό που παρατηρούμε είναι ότι μόνο στο σενάριο Rcp 2.6 υπάρχει άνοδος της ακτινοβολίας ενώ σε όλα τα υπόλοιπα προβλέπεται μείωση, όμως σε σχεδόν αμελητέο επίπεδο. 29

15.0 Total Difference per Rcp Scenario (-90,-60 ) 10.0 5.0 W/m 2 0.0-5.0-10.0-15.0 Rcp 2.6 Rcp 4.5 Rcp 6 Rcp 8.5-1.9-3.9-5.0-8.7 Shortwave Radiation Γράφημα 2 Το παραπάνω διάγραμμα παρουσιάζει την συνολική διαφορά στην ηλιακή ακτινοβολία που εισέρχεται στην ατμόσφαιρα της γης από το 2006 έως το 2100 για την 1 η ζώνη από τις 5 συνολικά που χωρίσαμε την γη. Πιο συγκεκριμένα δείχνει την ζώνη από -90 έως -60 μοίρες, ή αλλιώς τον Νότιο Πόλο. Σε αυτή τη ζώνη παρατηρούμε ότι η συνολική αλλαγή είναι σε όλα τα σενάρια αρνητική, σε αντίθεση με αυτήν του προηγούμενου διαγράμματος με την παγκόσμια διακύμανση. Παρατηρείται μόνο στο σενάριο Rcp 8.5 μια πιο αισθητή μείωση που φτάνει περίπου τα 8.7 W/m 2. Η στατιστική ανάλυση που εκτελέσαμε έδειξε ότι για το σενάριο Rcp 2.6 το 87.5% των αποτελεσμάτων είναι στατιστικά σημαντικά, για το Rcp 4.5 το 95.5% είναι στατιστικά σημαντικά, και για τα Rcp 6 και Rcp 8.5 το 100% είναι στατιστικά σημαντικά. 30

Total Difference per Rcp Scenario (-60,-30 ) 6.0 4.0 2.0 W/m 2 0.0-2.0-4.0-6.0 Rcp 2.6 Rcp 4.5 Rcp 6 Rcp 8.5-0.6-1.1-1.4-2.1 Shortwave Radiation Γράφημα 3 Στο παραπάνω διάγραμμα παρουσιάζεται η συνολική διαφορά στην ηλιακή ακτινοβολία που εισέρχεται στην ατμόσφαιρα της γης από το 2006 έως το 2100 για την 2 η ζώνη. Πιο συγκεκριμένα δείχνει την ζώνη από -60 έως -30 μοίρες, ή αλλιώς στους Τροπικούς. Σε αυτή τη ζώνη παρατηρούμε ότι η συνολική διαφορά στην υπεριώδη ακτινοβολία παραμένει αρνητική σε όλα τα σενάρια, με τη διαφορά ότι υπάρχουν πολύ μεγάλα error-bars, κάτι που υποδηλώνει ότι υπάρχει ασυμφωνία των μοντέλων ως προς αυτή την περιοχή. Δηλαδή, παρότι ο μέσος όρος τους δείχνει ότι υπάρχει συνολικά μια αρνητική πορεία της υπεριώδους ακτινοβολίας, κάποια μοντέλα έδειξαν θετική πορεία και έτσι δε μπορούμε να θεωρήσουμε αξιόπιστα τα αποτελέσματα. Πιο συγκεκριμένα, για το Rcp 2.6 μόνο το 56% των αποτελεσμάτων βρέθηκε στατιστικά σημαντικό, για το Rcp 4.5 το 95.5% ήταν στατιστικά σημαντικό, για το Rcp 6 το 100% ήταν στατιστικά σημαντικό και για το Rcp 8.5 το 95.6% ήταν στατιστικά σημαντικό. 31

4.0 Total Difference per Rcp Scenario (-30,+30 ) 3.0 2.0 W/m 2 1.0 0.0-1.0-2.0-3.0-4.0 Rcp 2.6 Rcp 4.5 Rcp 6 Rcp 8.5 1.4 0.3-0.7-1.4 Shortwave Radiation Γράφημα 4 Το παραπάνω διάγραμμα παρουσιάζει τη συνολική διαφορά στην ηλιακή ακτινοβολία που εισέρχεται στην ατμόσφαιρα της γης από το 2006 έως το 2100 για την 3 η ζώνη. Πιο συγκεκριμένα δείχνει την ζώνη από -30 έως 30 μοίρες, ή αλλιώς στην περιοχή του Ισημερινού. Σε αυτή τη ζώνη παρατηρούμε ότι στα δύο πρώτα σενάρια Rcp 2.6 και Rcp 4.5 σημειώνεται αύξηση, ενώ στα υπόλοιπα δύο σενάρια Rcp, μείωση. Τα error-bars και πάλι έχουν αρκετά μεγάλο εύρος και περικλείουν το μηδέν, εκτός από την περίπτωση του Rcp 2.6, όπως και στην προηγούμενη ζώνη. Οπότε και πάλι δεν υπάρχει μεγάλη συμφωνία στις προβλέψεις των μοντέλων, παρότι βέβαια οι τιμές δείχνουν αμυδρή αλλαγή. Η στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων έδειξε ότι για τα Rcp 2.6 το 100% είναι στατιστικά σημαντικά, για το Rcp 4.5 το 77% είναι στατιστικά σημαντικά, για το Rcp 6 το 83% είναι στατιστικά σημαντικά ενώ για το Rcp 8.5 το 87% είναι στατιστικά σημαντικά. 32

6.0 Total Difference per Rcp Scenario (30, 60 ) 4.0 2.0 W/m 2 0.0-2.0-4.0-6.0 Rcp 2.6 Rcp 4.5 Rcp 6 Rcp 8.5 2.4 1.5 2.1 0.3 Shortwave Radiation Γράφημα 5 Το παραπάνω διάγραμμα παρουσιάζει τη συνολική διαφορά στην ηλιακή ακτινοβολία που εισέρχεται στην ατμόσφαιρα της γης από το 2006 έως το 2100 για την 4 η ζώνη. Πιο συγκεκριμένα δείχνει την ζώνη από 30 έως 60 μοίρες. Σε αυτή τη ζώνη παρατηρούμε ότι υπάρχει συνολικά αύξηση της ηλιακής ακτινοβολίας σε όλα τα σενάρια. Το σύνολο της αύξησης της ηλιακής ακτινοβολίας σε όλες τις περιπτώσεις είναι μικρό, ενώ η τυπική απόκλιση περιλαμβάνει και θετικές και αρνητικές τιμές στις περιπτώσεις Rcp 4.5, Rcp 6 και Rcp 8.5. Αυτό σημαίνει ότι δεν υπάρχει ξεκάθαρη τάση, εκτός από το πιο αισιόδοξο σενάριο Rcp 2.6. Από την στατιστική ανάλυση που πραγματοποιήθηκε σημειώθηκαν 81% στατιστικά σημαντικά αποτελέσματα για το Rcp 2.6, 82% για το Rcp 4.5, 77% για το Rcp 6 και 82% για το Rcp 8.5. 33

18.0 Total Difference per Rcp Scenario (60, 90 ) 12.0 6.0 W/m 2 0.0-6.0-12.0-18.0 Rcp 2.6 Rcp 4.5 Rcp 6 Rcp 8.5-1.6-4.7-6.4-10.7 Shortwave Radiation Γράφημα 6 Το παραπάνω διάγραμμα παρουσιάζει τη συνολική διαφορά στην ηλιακή ακτινοβολία που εισέρχεται στην ατμόσφαιρα της γης από το 2006 έως το 2100 για την 4 η ζώνη. Πιο συγκεκριμένα δείχνει την ζώνη από 60 έως 90 μοίρες ή αλλιώς το Βόρειο Πόλο. Σε όλα τα σενάρια παρατηρείται γενική συμφωνία για τη συνολική μείωση της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην ατμόσφαιρα. Μόνο στο Rcp 2.6 η τυπική απόκλιση περιλαμβάνει οριακά και τιμές άνω του μηδενός. Από την στατιστική ανάλυση προέκυψε ότι για το Rcp 2.6 είχαμε 69% στατιστικά σημαντικά αποτελέσματα και για τα Rcp 4.5, Rcp 6 και Rcp 8.5 είχαμε 100% στατιστικά σημαντικά αποτελέσματα. 34

Διαγράμματα Γήινης Ακτινοβολίας 35.0 Total Difference per Rcp Scenario (Worlwide) 30.0 25.0 20.0 W/m 2 15.0 10.0 5.0 0.0 Rcp 2.6 Rcp 4.5 Rcp 6 Rcp 8.5 3.6 11.3 15.5 27.6 Longwave Radiation Γράφημα 7 Το παραπάνω διάγραμμα παρουσιάζει την συνολική διαφορά στην υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπεται από την ατμόσφαιρα προς την επιφάνεια της γης από το 2006 έως το 2100 σε παγκόσμιο επίπεδο. Σε αντίθεση με την ηλιακή ακτινοβολία, εδώ παρατηρούμε μεγαλύτερη συμφωνία των μοντέλων με ξεκάθαρη ανοδική τάση της γήινης ακτινοβολίας που εκπέμπεται από την ατμόσφαιρα προς την επιφάνεια της γης. Οι τυπικές αποκλίσεις κυμαίνονται επίσης σε φυσιολογικά επίπεδα, χωρίς να υπάρχει μοντέλο που να δείχνει αρνητική τάση. Στο σενάριο Rcp 2.6, το οποίο θεωρείται το πιο αισιόδοξο από τα 4, παρατηρείται μικρή συνολική διαφορά μέχρι το 2100, της τάξεως των 3.6 W/m 2. Στα υπόλοιπα σενάρια βλέπουμε τιμές 11 W/m 2, 15.5 W/m 2, και 27.5 W/m 2 για τα σενάρια Rcp 4.5, Rcp 6 και Rcp 8.5 αντίστοιχα, οι οποίες είναι σαφώς πιο υπολογίσιμες. Στη στατιστική ανάλυση που έγινε στα αποτελέσματα βρέθηκε ότι ήταν στατιστικά σημαντικά κατά 93% για το σενάριο Rcp 2.6 και 100% στατιστικά σημαντικά για τα υπόλοιπα σενάρια. 35

25.0 Total Difference per Rcp Scenario (-90,-60 ) 20.0 15.0 W/m 2 10.0 5.0 0.0-5.0 Rcp 2.6 Rcp 4.5 Rcp 6 Rcp 8.5 3.0 7.6 9.6 18.1 Longwave Radiation Γράφημα 8 Το παραπάνω διάγραμμα παρουσιάζει την συνολική διαφορά στην υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπεται από την ατμόσφαιρα προς την επιφάνεια της γης από το 2006 έως το 2100 σε παγκόσμιο επίπεδο για την 1 η ζώνη από τις 5 συνολικά που χωρίσαμε την γη. Πιο συγκεκριμένα δείχνει την ζώνη από -90 έως -60 μοίρες, ή αλλιώς τον Νότιο Πόλο. Στο γράφημα φαίνεται να υπάρχει συμφωνία των μοντέλων ως προς την αύξηση της υπέρυθρης ακτινοβολίας, αλλά με μεγάλες τυπικές αποκλίσεις ανά σενάριο. Στην περίπτωση του Rcp 2.6 μόνο έχουμε ένα μοντέλο από τα 15 το οποίο προβλέπει αρνητική τάση της υπέρυθρης ακτινοβολίας. Στη στατιστική ανάλυση που εκτελέσαμε παρατηρήθηκαν 93% στατιστικά σημαντικά αποτελέσματα για το Rcp 2.6, ενώ για τα υπόλοιπα σενάρια το ποσοστό ήταν 100%. 36

Total Difference per Rcp Scenario (-60,-30 ) 25.0 20.0 W/m 2 15.0 10.0 5.0 0.0 Rcp 2.6 Rcp 4.5 Rcp 6 Rcp 8.5 2.3 7.1 9.6 17.6 Longwave Radiation Γράφημα 9 Το παραπάνω διάγραμμα παρουσιάζει την συνολική διαφορά στην υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπεται από την ατμόσφαιρα προς την επιφάνεια της γης από το 2006 έως το 2100 σε παγκόσμιο επίπεδο για την 2 η ζώνη από τις 5 συνολικά που χωρίσαμε την γη. Πιο συγκεκριμένα δείχνει την ζώνη από -60 έως -30 μοίρες, ή αλλιώς τους Τροπικούς. Όπως και πριν, υπάρχει μεγάλη συμφωνία μεταξύ των αποτελεσμάτων των μοντέλων ως προς την ανοδική τάση της εκπεμπόμενης υπέρυθρης ακτινοβολίας με φυσιολογική τυπική απόκλιση ανά σενάριο. Μετά από τη στατιστική ανάλυση που πραγματοποιήθηκε βρέθηκε ότι 93% των αποτελεσμάτων του Rcp 2.6 ήταν στατιστικά σημαντικά, ενώ για όλα τα υπόλοιπα σενάρια το ποσοστό ήταν 100%. 37

Total Difference per Rcp Scenario (-30,+30 ) 40.0 35.0 30.0 W/m 2 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 Rcp 2.6 Rcp 4.5 Rcp 6 Rcp 8.5 3.7 12.4 17.1 30.6 Longwave Radiation Γράφημα 10 Το παραπάνω διάγραμμα παρουσιάζει την συνολική διαφορά στην υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπεται από την ατμόσφαιρα προς την επιφάνεια της γης από το 2006 έως το 2100 σε παγκόσμιο επίπεδο για την 3 η ζώνη από τις 5 συνολικά που χωρίσαμε την γη. Πιο συγκεκριμένα δείχνει την ζώνη από -30 έως 30 μοίρες, ή αλλιώς στην περιοχή του Ισημερινού. Παρομοίως με τις προηγούμενες ζώνες, τα μοντέλα συμφωνούν στην ανοδική τάση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από την ατμόσφαιρα στην επιφάνεια της γης. Στη συγκεκριμένη ζώνη και το Rcp 8.5 παρατηρείται πολύ μεγάλη τοπική συνολική αύξηση εκπεμπόμενης ακτινοβολίας, με περισσότερα από 30.5 W/m 2. Η στατιστική ανάλυση έδειξε ότι στο Rcp 2.6 το 86.7% των αποτελεσμάτων είναι στατιστικά σημαντικά, ενώ για τα υπόλοιπα σενάρια Rcp το ποσοστό είναι 100%. 38

Total Difference per Rcp Scenario (30, 60 ) 40.0 35.0 30.0 W/m 2 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 Rcp 2.6 Rcp 4.5 Rcp 6 Rcp 8.5 3.8 11.8 16.2 28.4 Longwave Radiation Γράφημα 11 Το παραπάνω διάγραμμα παρουσιάζει την συνολική διαφορά στην υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπεται από την ατμόσφαιρα προς την επιφάνεια της γης από το 2006 έως το 2100 σε παγκόσμιο επίπεδο για την 4 η ζώνη από τις 5 συνολικά που χωρίσαμε την γη. Πιο συγκεκριμένα δείχνει την ζώνη από 30 έως 60 μοίρες. Το γράφημα ακολουθεί την το ίδιο ανοδικό πρότυπο που παρουσίασαν και οι προηγούμενες ζώνες προβλέποντας μεγαλύτερη αύξηση της εκπεμπόμενης υπέρυθρης ακτινοβολίας ανά σενάριο Rcp. Η στατιστική ανάλυση έδειξε ότι το 100% των αποτελεσμάτων των μοντέλων είναι στατιστικά σημαντικά, για κάθε σενάριο Rcp. 39

Total Difference per Rcp Scenario (60, 90 ) 60.0 50.0 40.0 W/m 2 30.0 20.0 10.0 0.0 Rcp 2.6 Rcp 4.5 Rcp 6 Rcp 8.5 6.6 17.8 24.4 40.2 Longwave Radiation Γράφημα 12 Το παραπάνω διάγραμμα παρουσιάζει την συνολική διαφορά στην υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπεται από την ατμόσφαιρα προς την επιφάνεια της γης από το 2006 έως το 2100 σε παγκόσμιο επίπεδο για την 4 η ζώνη από τις 5 συνολικά που χωρίσαμε την γη. Πιο συγκεκριμένα δείχνει την ζώνη από 60 έως 90 μοίρες ή αλλιώς τον Βόρειο Πόλο. Το γράφημα, παρομοίως με όλες τις υπόλοιπες ζώνες, ακολουθεί ξεκάθαρη ανοδική τάση με την ιδιαιτερότητα, όμως, ότι σε αυτή τη ζώνη παρατηρούνται οι πιο μεγάλες συνολικές αυξήσεις ανά σενάριο, με άξιες αναφοράς αυτές των Rcp 6 και Rcp 8.5 με 24 W/m 2 και 40 W/m 2 αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα των μοντέλων ήταν κατά 100% στατιστικά σημαντικά. 40

Στόχοι και συμπεράσματα Ο στόχος της εργασίας ήταν η παρουσίαση χαρτών και γραφημάτων χρονοσειρών με σκοπό τη μελέτη της κλιματικής αλλαγής στον πλανήτη από το 2006 μέχρι το 2100, με απώτερο σκοπό την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των μοντέλων έπειτα από σύγκρισή τους. Συνολικά παρατηρούμε ότι, σύμφωνα με τα μοντέλα, σε παγκόσμιο επίπεδο υπάρχει μια γενική εικόνα μείωσης της ηλιακής ακτινοβολίας που εισέρχεται στην ατμόσφαιρα ανά τα σενάρια, που όμως δε μπορεί να χαρακτηριστεί τάση διότι η συνολική διαφορά φτάνει στην πιο απαισιόδοξη περίπτωση (Rcp 8.5) μόνο τα 2,3 W/m 2. Ξεκάθαρες τάσεις μπορούμε να παρατηρήσουμε μόνο στους δύο πόλους (ζώνη 1, ζώνη 5) όπου υπάρχει γενική συμφωνία των μοντέλων ως προς τη μείωση της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας με φυσιολογική τυπική απόκλιση μεταξύ τους. Για τις υπόλοιπες, ενδιάμεσες ζώνες, οι συνολικές τιμές κυμαίνονται σε πολύ χαμηλά επίπεδα και έχουν αρκετά μεγάλες τυπικές αποκλίσεις ώστε να μην θεωρούνται ιδιαίτερα αξιόπιστες. Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι ή τα μοντέλα δεν κάνουν ακόμα καλή δουλειά ως προς την πρόβλεψη της μελλοντικής τάσης της ηλιακής ακτινοβολίας στο έδαφος, ή αυτή δεν πρόκειται να αλλάξει σημαντικά. Για την γήινη ακτινοβολία, σύμφωνα με τα μοντέλα, υπάρχει γενική συμφωνία σε όλα τα σενάρια Rcp ως προς την τάση αύξησης της εκπεμπόμενης υπέρυθρης ακτινοβολίας από την ατμόσφαιρα στην επιφάνεια της γης μέσα στην 95ετία 2006 έως 2100. Η πιο αξιοσημείωτη αλλαγή φάνηκε στην ζώνη του Βόρειου Πόλου όπου παρατηρήθηκε η εντονότερη συνολική αύξηση. Τα αποτελέσματα ήταν στις περισσότερες περιπτώσεις κατά 100% στατιστικά σημαντικά σε αντίθεση με αυτά που βρήκαμε στην ηλιακή ακτινοβολία. Η μεγαλύτερη ποσότητα υπέρυθρης ακτινοβολίας που προβλέπεται ότι εκπέμπεται από την ατμόσφαιρα στην επιφάνεια της γης ανά σενάριο Rcp, εντείνει το φαινόμενο του θερμοκηπίου και περιμένουμε να δούμε αύξηση θερμοκρασίας. Εάν πάρουμε τις δύο ζώνες που συμφωνούν τα μοντέλα μεταξύ τους, αυτές θα είναι η ζώνη 1 και ζώνη 5, δηλαδή οι δύο Πόλοι. Εκεί τα μοντέλα δείχνουν ταυτόχρονη μείωση της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας και αύξηση της εκπεμπόμενης υπέρυθρης ακτινοβολίας από την ατμόσφαιρα προς την επιφάνεια της γης. Έτσι, μπορούμε να υποθέσουμε ότι σε αυτές τις περιοχές, σύμφωνα με τα μοντέλα, προβλέπεται να αυξηθεί η νεφοκάλυψη, κάτι που θα δικαιολογούσε και τις δύο αυτές τάσεις. Όμως για να μπορούμε να είμαστε σίγουροι, χρειάζεται να γίνει η αντίστοιχη διαδικασία για περισσότερες μεταβλητές όπως για παράδειγμα η ποσότητα ηλιακής υπεριώδους ακτινοβολίας που εισέρχεται στην ατμόσφαιρα θεωρώντας ότι έχουμε καθαρή ατμόσφαιρα χωρίς σύννεφα και να υπολογίσουμε τη διαφορά τους. Θα ήταν απαραίτητο να διεξαχθεί περαιτέρω έρευνα για να μπορέσουμε να βγάλουμε πιο ασφαλή και επιστημονικά ορθά συμπεράσματα και να επαληθευθεί εάν όντως η αιτία της μείωσης της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας και η αύξηση της υπέρυθρης ακτινοβολίας από την ατμόσφαιρα προς την επιφάνεια της γης συμβαίνουν λόγο της αυξημένης νεφοκάλυψης που προβλέπεται μέχρι το 2100. 41

Παράρτημα Κώδικας 1 Όνομα: Mat2vec function vector=mat2vec(lat, lon, matrix,yr) %lat must be a 1-d vector with size rows %lon must be a 1-d vector with size cols %matrix must be a 3-d vector with size rows x cols x months %lat must progress from the S. pole to the N. pole [rows, cols, months]=size(matrix); %Cutting matrix in 2 halves (top and bottom) and exchanging their position %top half initially contains longitudes 0-180 deg and bottom 180-360 deg halfmatrix=matrix(1:rows/2,:,:); matrix(1:rows/2,:,:)=matrix(rows/2+1:rows,:,:); matrix(rows/2+1:rows,:,:)=halfmatrix; %Cutting lon in 2 halves (top and bottom) and exchanging their position %top half initially contains longitudes 0-180 deg and bottom 180-360 deg halflon=lon(1:rows/2); lon(1:rows/2)=lon(rows/2+1:rows); lon(rows/2+1:rows)=halflon; if (lat(1)==-90) %matrix contains data on the edges of the pixels. E.g. it contains data at %-90 deg and 90 deg. Newmatrix contains data in the centers of the pixels. %It averages values from the two edges and places them in the pixel center. newlat=nan(cols-1,1); newmatrix=zeros(rows,cols-1,months); for i=1:cols-1 newlat(i)=(lat(i)+lat(i+1))/2; for j=1:rows for k=1:months count=0; if (~isnan(matrix(j,i,k))) count=count+1; newmatrix(j,i,k)=newmatrix(j,i,k)+matrix(j,i,k); end if (~isnan(matrix(j,i+1,k))) count=count+1; newmatrix(j,i,k)=newmatrix(j,i,k)+matrix(j,i+1,k); end if count~=0 newmatrix(j,i,k)=newmatrix(j,i,k)/count; else newmatrix(j,i,k)=-1000; 42

end end end end numbercols=cols-1; else %the latitudes don t start at exactly -90 deg. Change nothing numbercols=cols; newlat=lat; newmatrix=matrix; end vector=zeros(rows*numbercols,months+2); for i=1:numbercols for j=1:rows index=(i-1)*rows+j; vector(index,1)=newlat(i); vector(index,2)=lon(j); for k=1:months vector(index,k+2)=newmatrix(j,i,k); end end end fid=fopen(['rsds' num2str(yr) '.txt'],'w'); fprintf(fid,'%7.3f %9.3f %8.2f %8.2f %8.2f %8.2f %8.2f %8.2f %8.2f %8.2f %8.2f %8.2f %8.2f %8.2f\n',vector'); fclose(fid); 43

Κώδικας 2 Όνομα: GlobalValue function [yn,ys,y]=globalvalue(filename,columns,month,treatnan) %[Y,YN,YS]=GLOBALVALUE('FILENAME',COLUMNS,MONTH,TREATNAN) %estimates the mean value %of the quantity saved in 'filename', having COLUMNS+2 columns averaged %over the globe for the months contained in matrix MONTH. Y,YN and YS are %the global, north hemisphere and south hemisphere averages, respectively. %TREATNAN was added later. If set to zero, then -1000s are treated as %zeros, otherwise they are treated as NaNs % 'FILENAME' must store a global quantity in 14 columns. The first two % columns must correspond to the pixel latitude and longitude, while the % rest must contain the monthly values of the quantity. This function % also has the ability to save the averaged values over the months of % variable MONTH in a separate file (see function body). % % For example GLOBALVALUE('DATA',12,[1:12]) returns the annual global % value of data file 'DATA'. if nargin<4 treatnan=0; %Which means that -1000 should be counted as zeros end fid=fopen(filename,'rt'); data=fscanf(fid,'%f',[columns+2,inf]); fclose(fid); data=data'; sum=0; sumw=0; sumn=0; %For North Hemisphere sumwn=0; sumws=0; %For South Hemisphere sums=0; 44

for i=1:length(data) %for i=8641:length(data) %For 60oN and up weight=cos(deg2rad(data(i,1))); for n=1:length(month) k=month(n); if data(i,2+k)==-1000 if treatnan==0 data(i,2+k)=0; else continue end end sum=sum+data(i,2+k)*weight; sumw=sumw+weight; if data(i,1)>0 sumn=sumn+data(i,2+k)*weight; sumwn=sumwn+weight; else sums=sums+data(i,2+k)*weight; sumws=sumws+weight; end end end if sumw~=0 y=sum/sumw; else y=-1000; end if sumwn~=0 yn=sumn/sumwn; else yn=-1000; 45

end if sumws~=0 ys=sums/sumws; else ys=-1000; end 46

Shortwave Radiation W/m2 Γράφημα 13: Σύνολο όλων των μοντέλων για το σενάριο Rcp 2.6 ηλιακής ακτινοβολίας Σενάριο Rcp 2.6 200 198 196 194 192 190 188 186 184 182 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 2065 2070 2075 2080 2085 2090 2095 2100 Μοντέλα CNRM-CM5 FGOALS-g2 GFDL-CM3 GFDL-ESM2G GFDL-ESM2M GISS-E2-H GISS-E2-R HadGEM2-AO IPSL-CM5A-LR MIROC5 MIROC-ESM-CHEM MIROC-ESM MPI-ESM-LR MPI-ESM-MR IPSL-CM5A-MR MRI-CGCM3 47

Shortwave Radiation W/m2 Γράφημα 14: Σύνολο όλων των μοντέλων για το σενάριο Rcp 8.5 ηλιακής ακτινοβολίας Σενάριο Rcp 8.5 200 198 196 194 192 190 188 186 184 182 180 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 2065 2070 2075 2080 2085 2090 2095 2100 Μοντέλα CMCC-CM CMCC-CMS CNRM-CM5 FGOALS-g2 GFDL-CM3 GFDL-ESM2G GFDL-ESM2M GISS-E2-H-CC GISS-E2-H GISS-E2-R-CC GISS-E2-R HadGEM2-AO inmcm4 IPSL-CM5A-LR MIROC5 MIROC-ESM-CHEM MIROC-ESM MPI-ESM-LR MPI-ESM-MR IPSL-CM5A-MR IPSL-CM5B-LR MRI-CGCM3 MRI-ESM1 48

Longwave Radiation W/m2 Γράφημα 15: Σύνολο όλων των μοντέλων για το σενάριο Rcp 2.6 γήινης ακτινοβολίας Σενάριο Rcp 2.6 360 355 350 345 340 335 330 325 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 2065 2070 2075 2080 2085 2090 2095 2100 Μοντέλα CNRM-CM5 FGOALS-g2 GFDL-CM3 GDFL-ESM2G GISS-E2-H GISS-E2-R HadGEM2-AO IPSL-CM5A-LR IPSL-CM5A-MR MIROC5 MIROC-ESM-CHEM MPI-ESM-LR MPI-ESM-MR MRI-CGCM3 MIROC-ESM 49

Longwave Radiation W/m2 Γράφημα 16: Σύνολο όλων των μοντέλων για το σενάριο Rcp 8.5 γήινης ακτινοβολίας Σενάριο Rcp 8.5 380 370 360 350 340 330 320 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 2065 2070 2075 2080 2085 2090 2095 2100 Μοντέλα CMCC-CMS CNRM-CM5 FGOALS-g2 GFDL-CM3 GFDL-ESM2G GISS-E2-H-CC GISS-E2-H GISS-E2-R-CC HadGEM2-AO inmcm4 IPSL-CM5A-LR IPSL-CM5A-MR IPSL-CM5B-LR MIROC5 MIROC-ESM-CHEM MPI-ESM-LR MPI-ESM-MR MRI-CGCM3 MRI-ESM1 MIROC-ESM 50

Παρακάτω θα παρουσιαστούν ενδεικτικά τέσσερις χάρτες ανά για τα Rsds (ηλιακή ακτινοβολία) και rsds (γήινη ακτινοβολία) για τα Rcp 2.6 και Rcp 8.5 από το μοντέλο MIROC-ESM-CHEM που ανήκει στο Atmosphere and Ocean Research Institute (Πανεπιστήμιο του Tokyo). Επιλέχθηκε συγκεκριμένα αυτό το μοντέλο διότι ήταν το μοναδικό που επέστρεψε 100% στατιστικά σημαντικά αποτελέσματα. Ο μήνας που παρουσιάζεται σε όλους τους χάρτες είναι ο Μάρτιος διότι έχει ενδιάμεσες τιμές στα μέσα γεωγραφικά πλάτη και περιμένουμε να ότι η εικόνα που δίνει είναι πιο κοντά στη μέση ετήσια διακύμανση. Οι χάρτες δημιουργήθηκαν μέσω του προγράμματος της Nasa, Panoply (http://www.giss.nasa.gov/tools/panoply/) 51

Χάρτης 1: Rsds Rcp 2.6 για το 2006 Χάρτης 2: Rsds Rcp 2.6 για το 2100 52

Χάρτης 3: Rsds Rcp 8.5 για το 2006 Χάρτης 4: Rsds Rcp 8.5 για το 2100 53

Χάρτης 5: Rlds Rcp 2.6 για το 2006 Χάρτης 6: Rlds Rcp 2.6 για το 2006 54

Χάρτης 7: Rlds Rcp 8.5 για το 2006 Χάρτης 8: Rlds Rcp 8.5 για το 2100 55