Klima, klimatske promjene i klimatsko modeliranje · * Klimatske promjene su značajne i trajne...
Transcript of Klima, klimatske promjene i klimatsko modeliranje · * Klimatske promjene su značajne i trajne...
Klima, klimatske promjene
i klimatsko modeliranje
Čedo Branković
Zagreb, 16. svibnja 2017
Sadržaj
1. Klima i klimatske promjene
2. Opažene klimatske promjene, klimatska varijabilnost i ekstremi
3. Klimatski modeli i modeliranje klime
4. Neki rezultati modeliranja buduće klime
Klima – neke definicije
* Klimu nekog područja definiramo kao skup srednjih ili očekivanih vrijednosti
meteoroloških elemenata i pojava (osrednjeno vrijeme)
* Klima se definira za razdoblje od najmanje 30 godina (preporuka WMO)
* Na klimu utječu: Sunčevo, Zemljino i atmosfersko zračenje, oceanske i zračne
struje, zemljopisna širina, razdioba kopna i mora, reljef, nadmorska visina,
udaljenost od mora ili većih vodenih površina, razdioba kopnenog i morskog
leda, sastav tla, biljni pokrov, djelovanje čovjeka
* Klima se klasificira prema vrijednostima srednjaka i tipičnog raspona
vrijednosti klimatskih elemenata kontinentalna, planinska, primorska,
oceanska, pustinjska, tropska, monsunska, arktička, itd.
* Klima je samo “vanjska” manifestacija klimatskih procesa, dinamike i
međudjelovanja komponenata klimatskog sustava: atmosfera, oceani, ledeni
pokrov, tlo, vegetacija
* Elementi vremena ujedno su i elementi klime
Srednja količina oborine u proljeće
157
198
209
384 347
194
319
197
197
266
183
Srednja količina oborine u ljeto
211
278
288
384 310
150
259
129
165
176
236
Klima Hrvatske za razdoblje 1961-1990
Izvor: Zaninović i sur. (2008) Atlas klime Hrvatske (DHMZ)
* Klimatske promjene su značajne i trajne promjene u statističkoj razdiobi
vremenskih pojava (na vremenskim skalama od dekada do milijuna godina)
* Klimatske promjene nastaju zbog promjene u energetskoj ravnoteži Zemlje
Klimatske promjene
Godišnje anomalije temperature na sjev. hemisferi
(u odnosu na razdoblje 1961-1990)
Klima B Klima A
Izvor: Kennedy i sur., Weather (2016)
Energetska ravnoteža Zemlje
Izvor: forecast.weather.gov/jetstream/atmos/energy_balance.htm
Energetska ravnoteža Zemlje
* Apsorpcija od strane atmosferskih plinova: uloga vodene pare i CO2
* CO2 apsorbira termalnu infracrvenu energiju (toplinu) u nekim valnim
dužinama energetskog spektra u kojima su drugi plinovi (na pr. vodena para)
transparentni.
* Zbog apsorpcije termalne energije koju zrači površina Zemlje, CO2 “remeti”
energetsku bilancu Zemlje
Izvor: earthobservatory.nasa.gov
CO2 u atmosferi
Izvor: climate.nasa.gov/climate_resources/24/
Izvor: www.skepticalscience.com/CO2-
emissions-correlation-with-CO2-
concentration.htm
Razina CO2 (ppm) od - 400 Ky Emisija i razina CO2
ledeno doba interglacijalno razdoblje
Koncentracija CO2 u atmosferi na opservatoriju Mauna Loa, Havaji (crveno) i
Južnom polu (crno).
CO2 u atmosferi
* Porast temperature od 1970-tih je izuzetno izražen, osobito na sjevernoj
hemisferi, i podudara se s porastom koncentracije CO2
Izvor: IPCC WGI, 2013
* Klimatske varijacije su promjene u vrijednostima klimatskih elemenata unutar
razdoblja koja su kraća od klimatskog razdoblja
* Klimatske varijacije ne ukazuju da je došlo do klimatske promjene
Klimatska varijabilnost
Godišnje anomalije temperature na sjev. hemisferi
(u odnosu na razdoblje 1961-1990)
Klima B Klima A
klimatske
varijacije
Izvor: Kennedy i sur., Weather (2016)
Klimatska (međugodišnja) varijabilnost
Ljetna oborina u Hrvatskoj 2009-2016
2009 2010 2011 2012
2013 2014 2015 2016
Zagreb-Maks 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Z P Lj J G
t (°C) 61-90 -0.8 1.9 5.9 10.6 15.3 18.5 20.1 19.3 15.8 10.5 5.3 0.9 0.7 10.6 19.3 10.5 10.3
71-00 0.3 2.3 6.4 10.7 15.8 18.8 20.6 20.1 15.9 10.5 5.0 1.4 1.3 11.0 19.8 10.5 10.7
tmax
(°C)
61-90 2.6 6.0 11.3 16.3 21.1 24.2 26.3 25.6 22.1 16.1 9.2 3.9 4.2 16.2 25.3 15.8 15.4
71-00 3.7 6.8 11.9 16.3 21.5 24.5 26.7 26.3 22.1 15.8 8.9 4.6 5.0 16.6 25.8 15.6 15.8
tmin
(°C)
61-90 -4.2 -1.9 1.2 5.1 9.2 12.6 14.1 13.7 10.6 5.9 1.6 -2.2 -2.7 5.1 13.5 6.0 5.5
71-00 -3.0 -1.8 1.6 5.2 9.8 13.0 14.7 14.4 10.8 6.2 1.4 -1.7 -2.2 5.5 14.0 6.1 5.9
tmax d
≥ 25°C
(topli)
61-90 0.1 0.9 5.8 13.4 20.0 17.3 7.9 0.6 6.7 50.7 8.5 65.9
71-00 0.1 0.7 7.1 14.1 21.3 20.0 8.0 0.8 7.9 55.4 8.8 72.1
R (mm) 61-90 46 42 56 64 79 100 83 95 79 69 81 58 147 198 278 230 852
71-00 43 39 53 59 73 95 77 92 86 83 80 60 139 185 265 249 840
S≥1 cm
(d)
61-90 13.4 8.1 2.8 0.1 2.6 8.2 29.7 2.9 2.6 35.2
71-00 10.3 7.1 1.8 0.2 2.9 6.7 24.5 2.0 2.9 29.0
magla
(d)
61-90 12.0 5.9 2.2 0.8 0.8 0.8 0.6 1.4 4.7 8.6 9.1 11.3 29.2 3.9 2.8 22.5 58.4
71-00 9.6 3.9 2.0 0.8 0.7 0.7 0.6 1.0 4.0 7.9 8.7 10.7 24.2 3.5 2.3 20.6 50.6
Izvor: Zaninović i sur. (2008) Atlas klime Hrvatske (DHMZ)
1961 1971 1990 2000
Da li se klima mijenja?
1961-1990 vs. 1971-2000
Opažene klimatske promjene (Zagreb-Grič)
Odstupanja godišnje temperature u odnosu na razdoblje 1961-1990
Autor: K. Zaninović (DHMZ)
Uzroci klimatskih promjena
* Promjene u energetskoj ravnoteži Zemlje
* Prirodni uzroci: - varijacije u sunčevom zračenju
- varijacije u rotaciji i orbiti Zemlje
- vulkanske erupcije ...
* Ljudski utjecaj: - deforestacija
- korištenje zemljišta
- izgaranje fosilnih goriva ...
Zbog ljudskog utjecaja dolazi do povećanje razine stakleničkih plinova,
aerosola, promjene u ozonskom omotaču, ...
Izvor:
uk.pinterest.com/explore/milankovitch-cycles/
Klimatske promjene i ekstremni događaji
* Učestalost nekog događaja (temperatura zraka)
Izvor: Beniston & Goyette, Global and Planetary Change (2007)
Klima A
Klima B
Promjena učestalosti događaja uz
povećanu klimatsku varijabilnost
pomak prema
toplijoj klimi
u klimi B
povećava se učestalost
toplih ekstrema
u klimi B
smanjuje se učestalost
hladnih ekstrema
učesta
lost
Modeliranje klime - klimatski modeli
* Atmosfera je fluid u kojem vladaju zakoni fizike koji se mogu opisati
matematičkim jednažbama
* Primjena skupa takvih jednadžbi u praksi naziva se model atmosfere
* Kompleksnost - nelinearnost jednadžbi, milijuni stupnjeva slobode, povezani
podsustavi (feedbacks)
* Klimatski modeli mogu biti globalni (GCM) ili regionalni (RCM)
* Zbog razmjerno grube rezolucije (150-250 km) GCM su neprikladni za
istraživanje klime na lokalnim i regionalnim skalama
* RCM “ugniježđeni” u GCM: početni i rubni uvjeti od globalnih modela –
dinamička prilagodba (downscaling)
“fina”
horizontalna
rezolucija
“gruba”
horizontalna
rezolucija
Izvor: www.meted.ucar.edu
Modeliranje klime - simulacija opažene klime
prirodni utjecaj
prirodni + antropogeni utjecaj
Izvor: van Vuuren i sur., Climatic Change (2013)
Modeliranje klime - scenariji klimatske budućnosti
Trendovi koncentracije stakleničkih plinova u budućoj klimi
* RCP – representative concentration pathways: 2.6, 4.5, 6.0, 8.5
* Kumulativna mjera ukupne čovjekove emisije plinova staklenika u 2100. –
mogući doseg radijacijskog forsiranja
* U RCP8.5 kontinuirani porast koncentracija stakleničkih plinova
* U RCP4.5 i RCP2.6 stabilizirajući trend za koncentracije CO2
CO2 metan
dušikov
oksid
Izvor: IPCC (2013)
Globalna promjena srednje temperature
Validacija klimatskih modela Dva ekstremna scenarija
RCP 8.5
RCP 2.6
Simulacija stvarne
(historijske) klime
Projekcije stanja buduće klime
Modeliranje klime – buduće klimatske promjene (GCM)
* Vremenska evolucija
RCP 4.5
RCP 6.0
Modeliranje klime – buduće klimatske promjene (GCM)
* Prostorna razdioba promjene za 2081-2100 u odnosu na 1986-2005
Temperatura (°C)
Oborine (%)
RCP 2.6 RCP 8.5
Izvor: IPCC (2013)
Modeliranje klime - budući ekstremni događaji klimi (RCM)
Izvor: Hawkins, Weather (2011)
Promjena ljetne temperature u Europi
2050
Koncem stoljeća ljeta u
Europi neće biti tako
hladna kao ljeto 2003
U 2050 će ljetna
temperatura iz 2003
biti normalna
Modeliranje klime - neizvjesnosti
Uz modeliranje klime i klimatskih promjena vezane su mnoge neizvjesnosti
* Prirodna varijabilnost klimatskog sustava
- prirodne fluktuacije mogu “zamaskirati” buduće klimatske promjene
* Nesavršenost klimatskih modela
- ograničeno razumijevanje klimatskog sustava
- neadekvatnost numeričkih rješenja (aproksimacije)
- parametrizacije nerazlučivih procesa – turbulencija, mikrofizika oblaka,
konvekcija, ... (različiti modeli daju različite “odgovore” na isto prisilno
djelovanje)
- neizvjesnost u početnim uvjetima (kaotični sustavi)
* Nepoznavanje buduće koncentracije plinova staklenika
- ovisna o veličini populacije na Zemlji, industrijskom i tehnološkom
razvitku, ... (neizvjesnost scenarija)
Izvor: Hawkins and Sutton, Bulletin of American Meteor. Society 2009
Modeliranje klime - ansambl simulacije
* Kako “umanjiti” neizvjesnosti u projekcijama buduće klime?
- integracije s različitim modelima
- integracije s različitim scenarijima
- integracije prema istom scenariju ali s različitim početnim uvjetima (kako
bi se uvažila unutarnja varijabilnost klimatskog sustava)
* Ansambl (ensemble) simulacijâ: raspon mogućih stanja buduće klime
* Informacija o neizvjesnosti može se uključiti u istraživanje utjecaja
klimatskih promjena na gospodarstvo i u donošenje odluka o prilagodbi na
klimatske promjene
Modeliranje klime – računalna tehnologija
* Izračuni budućeg stanja atmosfere (projekcije buduće klime) su računalno
vrlo zahtjevni
* Koriste se super-računala (HPC, HPCF)
* Super-računalo (klaster) VELEbit (SRCE):
- 64 radna čvora s ukupno 1792 procesorske jezgre
- 6 spremišnih čvorova
- 220 TB standardnog spremišta
- 12 TB brzog spremišta (SSD diskovi)
- 44.4 TFLOPS-a
- potrošnja energije 28 kW
Modeliranje klime u RH
* Regional Climate Model – RegCM (na DHMZ-u od 2003)
* Grupa za fiziku Zemljinog sustava (Earth System Physics) pri International
Centre for Theoretical Physics (ICTP), Trst, Italija
* MZOE: Strategija prilagodbe klimatskim promjenama - prilagodba-klimi.hr
* RegCM4.2 - horizontalna rezolucija od 50 km i 12.5 km, RCP4.5 i RCP8.5
- rubni uvjeti od 4 različita GCM-a
Temperatura zraka (srednjak ansambla) RegCM, 50 km, RCP4.5 P0=1971-2000, P1=2011-2040, P2=2041-2070
P0
P1-P0
P2-P0
Zima Proljeće Ljeto Jesen
1.2 ºC 1.2 ºC 1.0 ºC 1.1 ºC
2-2.1 ºC 1.9-2 ºC 1.8-1.9 ºC 1.9 ºC
Modeliranje klime - rezultati
Promjena broja dana s tmin > 20 ºC (tropske noći) RegCM, 50 km
(srednjak ansambla, ljeto) P1=2011-2040, P2=2041-2070 (P0=1971-2000)
P1-P0
P2-P0
RCP4.5 RCP8.5
3-5 d 3-7 d
6-9 d 9-17 d
P0
1-3 d
Modeliranje klime - rezultati
Broj sušnih razdoblja (barem 5 dana s R < 1 mm) RegCM, 50 km, RCP4.5 P0=1971-2000, P1=2011-2040, P2=2041-2070
P0
P1-P0
P2-P0
Zima Proljeće Ljeto Jesen
2.5 do 3 3
-1 do -2
do -1 do 2
1
1 do 2
1 do 2
3
do 1
0.5
3.5
Modeliranje klime - rezultati
Hvala na pažnji!
Climate variability and climate change * Frequency of occurrence
Source: Beniston and Goyette, Global and Planetary Change (2007)
Shift in the frequency of occurrence with same variability
Shift in the frequency of occurrence with increased variability
Climate A
Climate B
Climate A
Climate B
Modeliranje klime Neizvjesnosti
* Prognoza klimatskog trenda kao indikator mogućeg razvoja
Neizvjesnost Srednjak i rasap
Individualna simulacija
Prirodna fluktuacija
Izvor: Hawkins, Weather 2011
RCM rezultati (output regionalnih klimatskih modela)
* Osnovni klimatološki parametri: prizemna temperatura, ukupna oborina,
brzina vjetra, tlak zraka, evapotranspiracija, vlažnost zraka, ukupna naoblaka,
isparavanje, površinsko otjecanje, insolacija, ...
* Ali i: dnevna max temperatura, dnevna min temperatura, konvektivna
oborina, visoka (srednja, niska) naoblaka, komponente vjetra, varijable na
različitim visinama (temperatura, vlažnost, komponente vjetra), pokrivenost
snijegom, ...
* Primjena:
- broj dana s temperaturom > ili < od zadanog praga
- toplinski valovi: broj dana s max temperaturom > od zadanog praga
- broj dana s količinom oborine > ili < od zadanog praga (vrlo kišni dani)
* Prikazi:
- godišnje, sezonske, mjesečne vrijednosti
- karte, tablice (excel, ...)