GIS w globalnych i regionalnych modelach klimatycznych Alfred Stach Instytut Paleogeografii i Geoekologii UAM

Wprowadzenie Problem „globalnego ocieplenia” jest uważany za najważniejszy w naukach o Ziemi i jeden z najważniejszych problemów naukowych w ogóle – jego waga jest proporcjonalna to potencjalnych strat (zysków) ekonomicznych i społecznych, Kluczowym zagadnieniem jest w tym zakresie przygotowanie wiarygodnych prognoz zmian klimatu Narzędziem służącym do tego celu są modele matematyczne systemu klimatycznego zwane w skrócie GCM (Global Circulation Model) lub ostatnio GEM (Global Environmental Model) Efektem obliczeń wykonywanych za pomocą tych modeli są zarówno serie czasowe parametrów klimatycznych, jak i mapy ich rozkładu przestrzennego

Prognozy zmian składu atmosfery, bilansu radiacyjnego i temperatury

Prognozy dla XXI stulecia – temperatura powietrza Prognozowane zmiany temperatury powierzchni Ziemi dla początkowej i końcowej części XXI stulecia w odniesieniu do wartości z okresu lat 1980 – 1999. W środkowej i prawej kolumnie znajdują się przeciętne prognoz uzyskanych z wielu modeli dla scenariuszy B1 (góra), A1B (środek) i A2 (dół) uśrednione dla dekad lat 2020 – 2029 (środek) i 2090 – 2099 (prawa strona). W lewej kolumnie znajdują się wykresy niepewności owych prognoz w postaci krzywych względnych prawdopodobieństw szacowanego średniego ocieplenia klimatu.

Problem W jaki sposób jest przedstawiana i uwzględniana w modelach klimatycznych przestrzeń geograficzna? Jakie parametry przestrzeni geograficznej są używane w modelowaniu i jakie jest źródło tych danych? Czy lepsza reprezentacja przestrzeni geograficznej wpływa na jakość uzyskiwanych prognoz?

CO TO JEST MODEL? Pojęcie modelu jest niejednoznaczne! Zazwyczaj przez słowo model rozumie się: pewne „odwzorowanie” czy też „obraz” – „kopię” czegoś występującego w realnym świecie, lub pewien „wzorzec”, a czasami model jest utożsamiany z pewnym szeroko rozumianym „sposobem” działania. W naszych rozważaniach traktujemy model jako pewne „odwzorowanie”. Przez model systemu rozumie się przedstawienie interesujących nas istotnych właściwości rzeczywistego (lub tworzonego systemu) w dogodnej dla nas postaci.

PODSTAWOWE CECHY MODELI Model systemu jest z reguły uproszczeniem rzeczywistości. Model systemu powinien zewnętrznie, w zakresie nas interesującym, zachowywać się podobnie jak system, aczkolwiek może mieć inną strukturę wewnętrzną. Modele systemów mają z reguły znacznie mniejszą ilość wejść i wyjść niż systemy rzeczywiste. Model systemu powinien cechować się łatwością wykorzystania zgodnie z przeznaczeniem.

PRZEZNACZENIE MODELI (cele ich tworzenia) BADANIE – czyli model służy do wyjaśnienia zachowania się sytemu w określonych warunkach. PROGNOZOWANIE – czyli model służy do przewidywania zachowania się systemu w przyszłości. PROJEKTOWANIE – czyli model służy do optymalizacji struktury i parametrów projektowanego systemu. KIEROWANIE – czyli model służy do podejmowania decyzji w działającym systemie.

TYPY MODELI (ze względu na ich konstrukcję) Koncepcyjne albo jakościowe – np. model Ptolemeusza systemu słonecznego lub model systemu motywacji pracownika do wydajnej pracy. Fizyczne – np. model koryta rzeki w skali laboratoryjnej, lub model samolotu testowany w tunelu aerodynamicznym. Analogowe – np. symulacja systemu sieci wodociągowej za pomocą złożonego układu elektrycznego, lub symulacja systemu sterowania za pomocą analizatora analogowego. Matematyczne – w postaci układu zależności matematycznych. Komputerowe – za pomocą odpowiedniego programu komputerowego. Modele takie budowane są z równań matematycznych, zależności statystycznych i reguł probabalistycznych. Ich specyfiką jest możliwość symulowania ewolucji systemu poprzez krokowe zmiany parametrów wyjściowych.

TYPY MODELI (ze względu na ich relacje do modelowanego systemu) Model Białej SKRZYNKI (White box) Model SZAREJ SKRZYNKI (Gray box) Model CZARNEJ SKRZYNKI (Black box)

Czynniki zmian klimatu

System klima- tyczny Ziemi

Modele klimatu (GCM) ~ 2 tuziny na świecie ---- większość najbogatszych krajów uważa że lepiej zrobić to samemu i nie być zmuszonym do zaufania innym w trakcie negocjacji o odpowiedzialności i koniecznych wyrzeczeniach. National Center for Atmospheric Research, Boulder (USA) Geophysical Fluid Dynamics Lab, Princeton (USA) NASA Goddard Institute for Space Studies, NYC (USA) Kanada Hadley Centre (Wielka Brytania) Max Planck Inst. (Niemcy) Japonia Australia Używanie różnych metod powoduje, że prognozy różnią się istotnie szczegółami, na przykład regionalnym zróżnicowaniem zmian (3 do 6°C różnicy średniej temperatury zimy w regionach przy założeniu dwukrotnego wzrostu koncentracji CO2). Wszystkie jednak prognozują wzrost średnich globalnych o ok. 2,5°C z większym ociepleniem obszarów biegunowych (do 10°C)

Elementy modelu systemu klimatycznego (1) Model atmosfery: Bilans promieniowania i energii (Ziemia and Słońce) Interakcje pomiędzy poszczgólnymi warstwami atmosfery Wpływ powierzchni (albedo) Chmury, para wodna, CO2 i inne gazy, aerozole Bardzo obciążające obliczeniowo Dynamika atmosfery Wiatry, rozkład ciśnienia, procesy w warstwie granicznej Obieg wody Parowanie i opady Tworzenie opadów (najmniej wiarygodna część prognoz)

Elementy modelu systemu klimatycznego (2) Model powierzchni lądów: Retencja i uwalnianie wilgoci glebowej Wpływ roślinności Śnieg i lód Model oceanów: Dynamika, formowanie wód głębinowych, procesy w warstwie granicznej Wysoka rozdzielczość i integracja w długich okresach – obliczeniowo wymagające Modele lądolodów Model pokrywy lodów morskich W tym momencie raczej prymitywne

Modele Cyrkulacji Ogólnej (GCM - General Circulation Models) GCMs są bardziej ogólne od modeli „klimatycznych” ponieważ uwzględniają cyrkulację oceaniczną, hydrologię lądów i pokrywę lodową. Uwzględniony jest bilans energii lądolodów, lecz nie ich dynamika – co powoduje niedoszacowanie reakcji na ocieplenie Pierwsze wersje modeli nie zawierały dynamiki oceanów (cyrkulacji wód) Ponieważ oceany są największym rezerwuarem ciepła na planecie, to nawet niewielkie zmiany ich cyrkulacji wpływają na bilans ciepła i dwutlenku węgla, a poprzez to na prognozowane temperatury atmosfery

Modele klimatyczne przykłady równań matematycznych reprezentujących zjawiska atmosferyczne (cyrkulacja atmosferyczna, temperatura i wilgotność)

Schemat modelowania systemu chmur warstwowych CSIRO-Mk3.0 (Australia)

Struktura modelu GCM

Struktura modelu GCM

Rozdzielczość przestrzenna modelu

Problem typu siatki !

Reprezentacja kształtu i rzeźby kontynentów w modelu CSIRO-Mk3 Reprezentacja kształtu i rzeźby kontynentów w modelu CSIRO-Mk3.0 (Australia)

Dane do modelowania hamowania fal grawitacyjnych (pływowych) model CSIRO-Mk3 (ang. gravity wave drag) Odchylenia standardowe (m) amplitudy rzeźby w skali poniżej oczka siatki (sub-grid-scale topography)

Parametryzacja komponentu oceanicznego

Parametryzacja komponentu oceanicznego Koncentracja chlorofilu Batymetria

Parametryzacja komponentu powierzchni lądów - pokrycie

Parametryzacja komponentu powierzchni lądów – typy gleb

naziemne, teledetekcja Walidacja symulacji Wprowadź dane do modelu klimatycznego. Wybierz warunki brzegowe w oparciu o znane zmiany promieniowania słonecznego, stężenia CO2, zasięgu i miąższości lądolodów, położenia i rzeźby kontynentów 2. Uruchom symulacje atmosfery i oceanu. Wewnętrzne obliczenia w oparciu fizyczne prawa promieniowania i przepływu cieczy (ocean i atmosfera) 3. Przeprowadź analizę wyników. Symulowane przez model zmiany temperatury, opadów, wiatrów, ciśnienia, itp. Porównaj Dane na temat historii klimatu Ziemi (osady, rdzenie lodowe, korale, dendrochronologia Obraz klimatu na podstawie niezależnych danych Współczesne dane klimatyczne (pomiary naziemne, teledetekcja satelitarna)

Stabilizacja wyników symulacji

Porównanie obserwowanych i symulowanych wartości szeregu parametrów bilansu radiacyjnego oraz hydrologii

Walidacja symulacji: temperatura

Walidacja symulacji: opady

Symulacja pokrywy chmur – lata 90 XXw. … i rok 2000

Składowa zlodowaceń kontynentalnych Złożony model UVic Składowa zlodowaceń kontynentalnych Półkula północna Obraz symulowany Obraz rzeczywisty Półkula południowa Porównanie obserwowanego i symulowanego zasięgu i miąższości zlodowaceń kontynentalnych na półkuli północnej i południowej

Zmiany klimatyczne w skali regionalnej Prognozy globalne (wartości średnie) są dla różnych modeli raczej zbliżone Prognozy w skali regionalnej są bardziej zróżnicowane, a przez to niepewne Ocena wpływu zmian globalnych na warunki w skali regionalnej wymaga zastosowania hierarchicznego zestawu modeli

Model brytyjski (Hadley Centre): rozdzielczość modelu globalnego i regionalnego

Model brytyjski (Hadley Centre): rozdzielczość modelu globalnego i regionalnego

Model brytyjski (Hadley Centre): rozdzielczość modelu globalnego i regionalnego

Model brytyjski (Hadley Centre): rozdzielczość modelu globalnego i regionalnego

Symulacje dla Australii

Źródła (wybrane) Hansen, J., Russell, G., Rind, D., Stone, P., Lacis, A., Lebedeff, S., Ruedy, R., Travis, L., 1983: Efficient three-dimensional global models for climate studies: models I and II. Monthly Weather Review, vol. 111, no.4, 609-661. Thorpe, A., 2005:Climate change prediction. A challenging scientific problem. Institute of Physics, 76 Portland Plac,e London W1B 1NT, 1-16. Bader, D.C., Covey, C., Gutowski, W.J., Held, I.M., Kunkel, K.E., Miller, R.L., Tokmakian, R.T., Zhang, M.H., 2008: Climate Models. An Assessment of Strengths and Limitations. U.S. Climate Change Science Program Synthesis and Assessment Product 3.1, 1-135. Leroux, M., 2005: Global warming – myth or reality? The erring ways of climatology. Springer-Verlag, 1-519. Johns, T. i in. 2005: HadGEM1 – Model description and analysis of preliminary experiments for the IPCC Fourth Assessment Report. Met Office, Hadley Centre Technical Note No. 55, 1-75. Hadley Centre, 2002: The Hadley Centre regional climate modelling system. Providing Regional Climates for Impacts Studies. Met Office, Hadley Centre, 1-20. IPCC, 2007: Climate change 2007: the physical science basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, 1-996. Gordon, H.B., i in. 2002: The CSIRO Mk3 climate system model. CSIRO Atmospheric Research Technical Paper No. 60, 1-134.

Simulate the future on your desktop Parameterization, Results Climate Modeling Źródła (wymarzone) Science, Statistics, Parameterization, Results It’s all in here! A. Gettelman& J. Hack Real NCAR Scientists

Podsumowanie Globalne modele środowiska (GEM) osiągnęły po kilkudziesięciu latach rozwoju wysoki stopień zaawansowania. Związany on jest zarówno ilością modelowanych subsystemów, jakością modeli cząstkowych, rozdzielczością przestrzenną i coraz lepszą parametryzacją. Jakość uzyskanych prognoz jest pozytywnie weryfikowana poprzez wysoką już zgodność z danymi obserwacyjnymi (ostatnie 150 lat) i z danymi geologicznymi (pośrednimi; holocen i plejstocen). Niepewność prognoz jest związana głównie z przyjmowanymi scenariuszami rozwoju społeczno-ekonomicznego i związanymi z tym emisjami gazów cieplarnianych oraz zmianami pokrycia/użytkowania terenu W aspekcie przestrzennym modele GEM mają charakter 3W siatek o zmiennej geometrii (atmosfera – ocean, wysokość – głębokość). Element ten podlega jeszcze ciągłym modyfikacjom. W większości przypadków wzrost rozdzielczości i modyfikacja kształtu siatek polepsza prognozy. Źródłem danych charakteryzujących warunki brzegowe modeli jest głównie teledetekcja satelitarna, ale także mapy wykonywane metodami tradycyjnymi. Monitoring satelitarny dostarcza też najlepszych danych do weryfikacji prognoz. Dlatego też jego ciągłość i dalszy postęp techniczny ma bardzo duże znaczenie.

Najnowsze fakty potwierdzające globalne ocieplenie (dzięki uprzejmości mgr A. Nawrota)