Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki, Uniwersytet Warszawski Fizyczne mechanizmy zmian klimatu w kontekście ostatniego raportu IPCC. Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki, Uniwersytet Warszawski

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Plan wykładu Kilka słów o IPCC Pojecie klimatu Stan obecny – zmiany podstawowych parametrów meteorologicznych w ostatnich dziesięcioleciach Fizyczne mechanizmy zmian klimatu Badania zmian klimatu Prognozowanie zmian klimatu – modele klimatu. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change Międzyrządowy Panel do spraw zmian klimatu Założony w 1988 roku przez World Meteorological Organization (WMO) oraz United Nations Environment Programme (UNEP) w celu oszacowania ryzyka zmian klimatu związanych z rozwojem cywilizacyjnym. Głównym zadaniem IPCC jest wydawanie raportów dotyczących zmian klimatu w oparciu o publikacje w czasopismach naukowych. Raporty te są wnikliwie i szczegółowo recenzowane. IPCC nie jest komórka badającą i prowadząca monitoring zmian klimatycznych. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Raporty IPCC IPCC wydał jak do tej pory 4 raporty w latach 1990, (suplement w 1992), 1995, 2001, 2007. Ostatni raport Working Group I Report (WGI): Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Working Group II Report (WGII): Climate Change 2007: Impacts, Adaptation and Vulnerability  Working Group III Report (WGIII): Climate Change 2007: Mitigation of Climate Change The Synthesis Report (SYR) Summary for Policymakers (SPM) Luty 2007 WGI report opublikowany w marcu 2007 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Główne wioski raportu IPCC, 2007 Warming of the climate system is unequivocal. Most of (>50% of) the observed increase in globally averaged temperatures since the mid-20th century is very likely (confidence level >90%) due to the observed increase in anthropogenic (human) greenhouse gas concentrations. Hotter temperatures and rises in sea level "would continue for centuries" even if greenhouse gas levels are stabilized, although the likely amount of temperature and sea level rise varies greatly depending on the fossil intensity of human activity during the next century . The probability that this is caused by natural climatic processes alone is less than 5%. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Główne wioski raportu IPCC, 2007 cd. World temperatures could rise by between 1.1 and 6.4 °C during the 21st century and that: Sea levels will probably rise by 18 to 59 cm There is a confidence level >90% that there will be more frequent warm spells, heat waves and heavy rainfall. There is a confidence level >66% that there will be an increase in droughts, tropical cyclones and extreme high tides. Both past and future anthropogenic carbon dioxide emissions will continue to contribute to warming and sea level rise for more than a millennium. Global atmospheric concentrations of carbon dioxide, methane, and nitrous oxide have increased markedly as a result of human activities since 1750 and now far exceed pre-industrial values over the past 650,000 years 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Klimat definicje Średnia pogoda panująca w danym miejscu. Średni stan atmosfery charakterystyczny dla danego obszaru i określony na podstawie 30 letnich serii pomiarowych. Climate is commonly defined as the weather averaged over a long period of time Przykład 1 Stacja A: średnia temperatura roczna 8 oC (średnia stycznia 5 oC, średnia lipca 11 oC) Stacja B: średnia temperatura roczna 8 oC (średnia stycznia -3 oC, średnia lipca 19 oC) 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Definicja klimatu wg IPCC Climate in a narrow sense is usually defined as the “average weather”, or more rigorously, as the statistical description in terms of the mean and variability of relevant quantities over a period of time ranging from months to thousands or millions of years. The classical period is 30 years, as defined by the World Meteorological Organization. These quantities are most often surface variables such as temperature, precipitation, and wind. Climate in a wider sense is the state, including a statistical description, of the climate system. The main difference between climate and everyday weather is best summarized by the popular phrase "Climate is what you expect, weather is what you get 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Przykład 2 Stacja A: średnia temp stycznia dla kilku kolejnych lat: 7.1, 8.3, 8.7,7.9, 8.0 Stacja B: średnia temp stycznia dla kilku kolejnych lat: -7.5, 0.3, -2.0 , 0.7, -3.5 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Klimat, definicja fizyczna Klimat to pojecie statystyczne i bardziej złożone. Zdefiniowany jest przez pojęcia statystyczne a nie tylko przez wartości średnie. Wielkościami tymi są: wariancja (miara odchylenia od wartości średniej) odchylenie sztandarowe kwantyle (np. prawdopodobieństwo, że średnia temperatura stycznia 2008 roku będzie niższa niż -4C) prawdopodobieństwo Ostatnia wielkość określa np. jakie jest prawdopodobieństwo że średnia temperatura stycznia 2008 roku będzie w przedziale od -3 do -4 oC 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Anomalia Czyli odchylenie od wartości średniej (przeciętej) Pojecie stosowane często w klimatologii do analizy zmienności warunków pogodowych. Czy anomalie pogodowe świadczą o zmianach klimatu Nie, gdyż anomalie są naturalnie związanie z klimatem. Dopiero gdy anomalia utrzymuje się przez odpowiedni długi okres czasu (30 lat) może to świadczyć o zmianach klimatycznych. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Anomalie cd. Czy w dobie globalnego ocieplenia możemy spodziewać się chłodnych zim? Czy chłodne lato jakiegoś roku może dowodzić, że nie mamy do czynienia z globalnym ociepleniem? 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany klimatu – rys historyczny Badania paleoklimatyczne 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany koncentracji gazów cieplarnianych 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany temperatury w ostatnim tysiącleciu – mała epoka lodowa 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany Globalne w XX wieku 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Anomalie temperatury powierzchni Atlantyku w obszarze tropikalnym 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany bilansu hydrologicznego Palmer Classifications 4.0 or more extremely wet 3.0 to 3.99 very wet 2.0 to 2.99 moderately wet 1.0 to 1.99 slightly wet 0.5 to 0.99 incipient wet spell 0.49 to -0.49 near normal -0.5 to -0.99 incipient dry spell -1.0 to -1.99 mild drought -2.0 to -2.99 moderate drought -3.0 to -3.99 severe drought -4.0 or less extreme drought 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany pary wodnej w atmosferze 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Trend zachmurzenia +1.4% (obserwacje naziemne) +2 % ISCCP (klimatologia satelitarna) 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany bilansu promieniowania na górnej granicy atmosfery 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Zmiany w oceanach 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany rocznych sum opadów 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Globalne ocieplenie a ochłodzenie stratosferyczne dane aerologiczne dane satelitarne 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Globalne zmiany temperatury w atmosferze i na powierzchni ziemi 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Zmiany w kriosferze 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany poziomu oceanów 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany klimatu w Polsce Zmiany temperatury w Polsce za ostatnie 50 lat pokazują , że klimat się ociepla! 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Obserwuje się rosnący trend prędkości wiatru i silniejszą cyrkulację strefowa. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Zmiany albeda planetarnego nad Polską pokazują, że w ostatnich 20-latach atmosfera pochłania 1-2% więcej promieniowania słonecznego 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Tendencja spadkowa całkowitej zawartości pary wodnej w atmosferze. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Procesy klimatyczne To procesy fizyczne zachodzące w atmosferze i oceanach prowadzące do zmian klimatu. Najczęściej zalicza się do nich obieg ociepla, cykl hydrologiczny oraz cyrkulację powietrza. Determinują one zmiany naturalne i antropogeniczne systemu klimatycznego oraz jego odpowiedz na zaburzenia (np. wzrost koncentracji gazów cieplarnianych) . Ważnym pojęciem w systemie klimatycznym są sprzężenia zwrotne, które związane są z procesami klimatycznymi. Zwiększają (sprzężenie dodatnie) lub zmniejszają (sprzężenie ujemne) zmiany w układzie wywołane pierwotnym zaburzeniem. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Przykład sprzężenia zwrotnego w systemie klimatycznym Ziemi-Atmosfera Promieniowanie słoneczne Podwojenie koncentracji CO2 Albedo+ Strumień ciepła utajonego i odczuwalnego ujemne sprzężenie zwrotne Ocean T+ T- 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Najważniejsze elementy systemu klimatycznego: Para wodna Chmury Oceany Stratosfera Obieg CO2 Powierzchnia ziemi Lodowce 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Przyczyny zmian klimatu Efekt cieplarniany Efekt aerozolowy (bezpośredni i pośredni) Zmiany cyrkulacji oceanicznej Wybuchy wulkanów Zmienność aktywności słońca Zmiany w ozonosferze Przyczyny długookresowe Zmienność orbity ziemskiej Dryf kontynentów Zmiany składu atmosfery 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Ziemia i atmosfera jest w stanie równowagi klimatycznej określonej przez energie dostarczaną przez Słońce oraz emitowaną przez Ziemie w kosmos. Zmiany klimatu związane są z zaburzeniami bilansu energii w układzie Ziemia-Atmosfera Zasadniczą kwestią w badaniach zmian klimatu są obserwacje składowych bilansu energii oraz studia procesów prowadzących do zmiany stanu równowagi termodynamicznej w tym wymuszania radiacyjnego. 3/26/2017 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Bilans Energii w Atmosferze Bilans radiacyjny w atmosferze –100 Wm-2 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Wymuszenie radiacyjne FTOA(Ro, Teff, T) Fo stałą słoneczna Fo/4 TeffσT4 Ro /4 W stanie równowagi: Fo (1-Ro)/4=Teff T4 R- planetarne albedo 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Efekt cieplarniany Zmiany koncentracji CO2 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Termiczny wymiar efektu cieplarnianego gazy cieplarniane   procentowy wkład koncentracja para wodna 20.6 62.1% 30 ppvt CO2 7.2 21.7% 350 ppmv 03 2.4 7.2% 50 ppbv N20 1.4 4.2% 320 ppbv CH4 0.8 2.4% 17 ppbv freony <0.8 1 ppbv efekt cieplarniany 33.2 T 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Wpływ zmian aktywności Słońca Zmiany stałej słonecznej (pomiary satelitarne) Zmiany liczby plam słonecznych (pomiary naziemne) Zmiany są zbyt małe aby wytłumaczyć nimi globalne ocieplenie obserwowane w drugiej części XX wieku. Dodatkowo , okres tych zmian zbyt mały w porównaniu ze stałą czasowa systemu klimatycznego 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Wpływ wybuchów wulkanów Aerosol emitowany przez wulkany redukuje przeźroczystość atmosfery 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Zanieczyszczenia atmosfery zwane inaczej aerozolami to małe cząstki stałe lub ciekłe powstające w sposób naturalny oraz w wyniku działalności gospodarczej człowieka. Rodzaje aerozoli: sól morska drobiny piasku pyły (wulkaniczny) fragmenty roślin sadza (elemental carbon), organic carbon siarczany, azotany związki organiczne i nieorganiczne Aerozole naturalne. Aerozole antropogeniczne 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Wielkość i kształt cząstek aerozolu 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmętnienie atmosfery powstałe w wyniku obecności aerozoli 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Produkcja aerozoli produkcja mechaniczna (powstawanie soli morskiej podczas załamywania fal morskich czy wynoszenie pyłu pustynnego w czasie burz pyłowych) spalanie biomasy spalanie antropogeniczne (pyły, gazy) konwersja gazu do kwasu siarkowego, azotowego 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Średnia grubość optyczna aerozolu 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Wpływ aerozoli na klimat Ziemi Efekt bezpośredni (poprzez rozpraszanie i absorpcję promieniowania) Efekt pośredni (poprzez oddziaływanie na własności mikrofizyczne chmur) 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Bezpośredni wpływ aerozoli na klimat wzrost albeda planetarnego wzrost absorpcji w atmosferze warstwa aerozolu redukcja promieniowana słonecznego dochodzącego do powierzchni ziemi 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Pośredni wpływ aerozoli – ślady statków . . . :: . :: :::: Stratocumulus większe albedo Większa koncentracja kropel, Mniejszy promień re 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Globalne zaciemnienie w XX wieku. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Globalne zaciemnienie Jest związane z emisja do atmosfery aerozoli które skutecznie redukują promieniowanie Słoneczne dochodzące do powierzchni Zimie. W ostatnich 10-latach, szczególnie w Europie znacząco ograniczono emisje tych zanieczyszczeń, tym samym prowadząc do odwrócenia trendu. Ma to niestety z punktu widzenia klimatycznego negatywny skutek bo redukcja aerozoli wzmaga efekt gazów cieplarniany. Wymuszanie radiacyjne staje się coraz większe… 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Które czynniki odgrywają decydująca rolę wa zmianach klimatu? 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Modelowe zmiany klimatu w obecnym stuleciu 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Podsumowanie Nie ma wątpliwości, że mamy do czynienia z globalnym ociepleniem. Analiza globalna budżetu energetyczne z dużym prawdopodobieństwem pokazuje, że jest to związane z nasilającym się efektem cieplarnianym. W skali globu efekt cieplarniany przewyższa znacząco ochładzający wpływ aerozolu na klimat ale... W skali lokalnej chłodzenie aerozolowe może kilka-krotne przewyższać efekt cieplarniany. Niepewności oszacowanego wymuszania radiacyjnego (IPCC 2007) jest bardzo duża co wpływa na duże błędy prognoz zmian klimatu. Ograniczanie emisji aerozoli (jest to stosunkowo proste) przy jednoczesnych braku redukcji emisji CO2 zwiększy w przyszłości wpływ efektu cieplarnianego na klimat. Prognozowany wzrost temperatury w XXI wieku: +1.5 do+4 oC 3/26/2017 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl