Modelowanie zmian klimatu dr Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki Uniwersytet Warszawski kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja/

O czym będzie mowa? Pojęcie klimatu Fizycznych podstawach promieniowania Bilans energii Ziemi Modele zero wymiarowe Równowaga radiacyjna i radiacyjno-konwekcyjna (1D modele klimatu). Proste modele klimatu. Globalne modele klimatu 3D (GCM)

Klimat – brak jednej definicji Średnia pogoda… Średni przebieg warunków atmosferycznych charakterystyczny dla danego obszaru i określony na podstawie 30 letnich serii pomiarowych. 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) 3/24/2017 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 3/24/2017 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 lutego 2019 roku będzie w przedziale od -3 do -4 oC 3/24/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Anomalie 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. 3/24/2017 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? 3/24/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Badania klimatu monitoring zmienności wymuszanie odpowiedz konsekwencje predykcja 3/24/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Składniki systemu klimatycznego Obieg węgla Obieg wody i energii połączenie chaotyczne nieliniowe Dynamika atmosfery i oceanu Reakcje chemiczne w atmosferze

Zmiany Globalne w XX wieku 3/24/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Globalne zmiany temperatury w atmosferze i na powierzchni Ziemi ICCP, 2007 3/24/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany klimatu w Polsce Zmiany temperatury w Polsce za ostatnie 50 lat pokazują , że klimat się ociepla! 3/24/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Obserwuje się rosnący trend prędkości wiatru i silniejszą cyrkulację strefowa. 3/24/2017 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. 3/24/2017 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- 3/24/2017 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 3/24/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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 klimatycznej w tym wymuszania radiacyjnego. 3/24/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 3/24/2017

Promieniowanie Słoneczne (krótkofalowe): < 4m Stała słoneczna: natężenie (moc) promieniowania słonecznego docierającego do górnych granic atmosfery, I=1368 Wm-2. Średnia wartość dla całego globu wynosi: 342 Wm-2. Ziemskie (długofalowe, termiczne): > 4m Prawo Stefana Boltzmanna:  =5.67x10-8 [W/K4m2] Dla T=255 K, F=240 Wm-2 Dla T=273 K, F=315 Wm-2 Dla T=300 K, F=469 Wm-2

Widmo promieniowania słonecznego i ziemskiego

Absorpcja promieniowania przez poszczególne gazy zawarte w atmosferze.

Modele klimatu Model zero-wymiarowy Model 1D: równowaga radiacyjna i równowaga radiacyjno-konwekcyjna Proste modele klimatu 2D i 3D Zaawansowane modele klimatu 3D

Model klimatu - zerowe przybliżenie Zakładamy brak atmosfery Fo stała słoneczna Fo/4 σT4 Fo A /4 A - planetarne albedo 3/24/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Pojęcie temperatury efektywnej W stanie równowagi energia docierającą od Słońca jest równoważona przez emisję promieniowania długofalowego w przestrzeń kosmiczną. Przy założeniu braku atmosfery ale rzeczywistej wartości albeda planetarnego (30%) równowaga ta określa średnią temperaturę efektywną. Temperatura efektywna jest niższa od średniej temperatury panującej obecnie na Ziemi o około 33 K. Głównym zjawiskiem odpowiedzialnym za wyższa temperaturę na Ziemi jest efekt cieplarniany.

Kilka uwag do modelu. Założenie, że w przypadku braku atmosfery albedo planetarne wynosiłoby tyle co obecnie jest grubym przybliżeniem. Obecnie albedo samej powierzchni Ziemi wynosi około 14% jednak gdyby na Ziemi było o 33K chłodniej znacząco zwiększył by się zasięg lodowców i pokrywy śnieżnej co wpłynęłoby na wyższe albedo. Przedstawiony model opisu systemu klimatycznego widzianego z kosmosu. Przytoczony bilans energii na górnej granicy atmosfery mimo, że nie uwzględnia atmosfery jest dokładnie taki sam jak w przypadku atmosfery. W rzeczywistości tylko strumienie radiacyjne w bilansie mają nieco inną interpretację.

Efekt cieplarniany 480 S/4 (1-A) 240  Ts4 Ts=255K Ts= 303 K No Atmosphere With a Black Atmosphere in the LW Only 480 Ts=255K Ts= 303 K T=Te=255K

Bilans energii w atmosferze

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 GH 33.2 T UWAGA, wartości te odnoszą się do bardzo prymitywnego przypadku, że albedo planetarne jest takie samo obecnie jak i gdyby nie było gazów cieplarnianych w atmosferze. Gdyby nie było gazów cieplarnianych nie byłoby również chmur co skutkowałoby albedem około 13-14%. Z drugiej strony niższe temperatury na Ziemi prowadziłoby do rozwodu znacznie większej pokrywy lodowej i śnieżnej wzrostu albeda. 3/24/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Model klimatu – pierwsze przybliżenie Atmosfera częściowo pochłania promieniowanie słoneczne (SW) i długofalowe (LW). Przybliżenie ciała doskonale szarego. Powierzchnia Ziemi  asw ATMOSFERA alw Ta Ts F5 F7 F1 F3 F4 F6 F8 F2 , , , , asw, alw ,  – zdolność absorpcyjna dla SW i LW oraz zdolność emisyjna. ,

Bilans na powierzchni Ziemi Bilans na TOA Bilans na powierzchni Ziemi Rozwiązanie układu równana prowadzi do wzoru na temperaturę powierzchni Ziemi i atmosfery. Wykorzystując związek na temperaturę efektywną , .

1. Przypadek szklanej szyby (przeźroczysta dla promieniowania słonecznego aSW =0 i całkowicie nieprzeźroczysta dla promieniowania długofalowego aLW=1. 2. Temperatura powierzchni Ziemi jest wyższa od atmosfery tylko wtedy, gdy aLW > aSW (warunek występowania troposfery). W obecnej atmosferze warunek ten jest spełniony. Gdyby sprężyć całą parę wodną do jednej warstwy, to miałaby ona zdolność aborcyjną dla promieniowania krótkofalowego równą 0.25, zaś zdolność emisyjną dla promieniowania długofalowego 0.9. Podstawiając te wartości otrzymujemy temperaturę powierzchni Ziemi równą 286 K, zaś atmosfery 250.7 K.

3. Przypadek tzw. zimy nuklearnej 3. Przypadek tzw. zimy nuklearnej. Jeśliby spalić wszystkie lasy na ziemi oraz budynki powstający smog miałaby w przybliżeniu zdolność absorpcyjną równą jedności, zaś zdolność emisyjną w podczerwieni około 0.9. W tym przypadku temperatura powierzchni Ziemi wyniosłaby 249 K, zaś atmosfery 255 K. Tak więc atmosfera byłaby stabilna i doszłoby do zaniku troposfery. 4. Im większa różnica pomiędzy zdolnością absorpcyjna promieniowania długofalowego słonecznego tym większa różnica temperatury powierzchni Ziemi i atmosfery. 5. Na wartość zdolności absorpcyjnej promieniowania długofalowego największy wpływ na zawartość gazów cieplarnianych (para wodna, CO2, ozon, metan itd.). 6. W zakresie promieniowania słonecznego istotną rolę odgrywają aerozole atmosferyczne. 7 Chmury wpływają na wartość zdolności absorpcyjnej w zakresie SW i LW. Stąd też wpływ chmur na klimat jest zróżnicowany (zależy od parametrów optycznych i temperatury chmur).

Wymuszenie radiacyjne N(A, Teff, T) Fo stałą słoneczna S=Fo/4 TeffσT4 AFo /4 W stanie równowagi: Fo (1-A)/4=Teff T4 A - planetarne albedo 3/24/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

gdzie  oznacza współczynnik wrażliwości klimatu na zmiany radiacyjne Przejście do nowego stanu równowagi radiacyjnej Nowy stan może być zapisany jako suma wymuszenia radiacyjnego N oraz odpowiedzi atmosfery Związek wymuszania radiacyjnego z temperaturą powierzchni Ziemi . . gdzie  oznacza współczynnik wrażliwości klimatu na zmiany radiacyjne

ziemia jako ciało doskonale czarne 3.3 model radiacyjny Ziemi 2 Analizując problemy wymuszania radiacyjnego wygodnie jest wprowadzić parametr sprzężenie zwrotnego  (Feedback Parametr) jako Wm-2K-1 model 3.8 ziemia jako ciało doskonale czarne 3.3 model radiacyjny Ziemi 2 z uwzględnieniem sprzężenia zwrotnego pary wodnej 1-1.5 z uwzględnieniem wszystkich sprzężeń zwrotnych (chmury, lodowce-aledo)

Wymuszanie radiacyjne gazów cieplarnianych Nieliniowy pływ gazów cieplarnianych na bilans energii. koncentracja wymuszanie CFCs CH4 N2O CO2

ICCP 2007

Modele równowagowe: radiacyjne i radiacyjno-konwekcyjne Równowagowe modele radiacyjno-konwekcyjne są bardziej złożone niż modele zero-wymiarowe, pozwalają wyznaczyć pionowy rozkład temperatury w atmosferze. Natomiast nie przewidują poziomego transportu ciepła. Modele te uwzględniają tylko dwa procesy transportu energii: a) strumień energii promieniowania słonecznego w kierunku z góry i cieplnego z dołu (model dwustrumieniowy), b) konwekcyjny transport energii cieplnej

Eksperyment I – podwojenie zawartości CO2 Równowaga radiacyjna

Eksperyment II – atmosfera obecna w stosunku do atmosfery pozbawionej CO2 równowaga radiacyjna

Eksperyment III – redukcja ozonu o 25%

wychładzanie powietrza przy założeniu równowagi radiacyjnej. profil temperatury przy założeniu rów. radiacyjnej, profil adiabatyczny oraz średni dla Ziemi.

Prosty model klimatu warstwa wiesz. Tm ,  głębia oceanu Td Dyfuzja D Wymuszanie rad. N Ziemię pokrywa ocean składającym się z dwóch warstw: warstwy mieszania i głębi oceanicznej. Wymiana pomiędzy warstwami oceanu odbywa się przez dyfuzję. Tempo zmian temperatury warstwy mieszania Tempo zmian temperatury warstwy dennej . Strumień energii związany z dyfuzją

zmiany wymuszania radiacyjnego

zmiany wymuszania radiacyjnego

Modele klimatu 3D – modele globalnej cyrkulacji GCM Przewidują różnego rodzaju zmienne takie jak temperatura czy ciśnienie. Modele cyrkulacji atmosfery zawierają parametryzacje (uproszczenia) fizyki zjawisk zachodzących w przyrodzie. Modele atmosferyczne globalne cyrkulacji atmosfery zakładają temperaturę oceanu, podczas gdy sprzężone modele oceanu i atmosfery przewidują ruch zarówno wody jak i powietrza, oraz wzajemne oddziaływania pomiędzy oceanem i atmosferą. Te ostatnie są obecnie najbardziej kompleksowymi modelami zmian klimatu.

Atmosferyczny moduł modelu klimatu Cześć dynamiczna, rozwiązuje równania ruchu powietrza na kuli ziemskiej. Rozwiązanie tych równań daje np. ciśnienie atmosferyczne (geopotencjał) prędkość i kierunek wiatru temperaturę i wilgotność na różnych poziomach moduł radiacyjny opisujący przepływ promieniowania słonecznego i promieniowania długofalowego. parametryzacje różnych procesów, m.in. konwekcję procesy oddziaływania z powierzchnią Ziemi (turbulencja warstwy granicznej) GCM ma kilka składowych prognostycznych, które są przewidywane z równań ruchu w każdym kroku czasowym i kilka zmiennych diagnostycznych, które są dedukowane ze zmiennych prognostycznych. Przykładowo ze zmiennych prognostycznych - temperatury, ciśnienia, i wilgotności - można ocenić opad (zmienna diagnostyczna).

Błędy modeli klimatu Niektóre ważne procesy klimatyczne są słabo reprezentowane w modelach klimatu, ale naukowcy uważają, że najlepsze modele klimatu nie zmienią ogólnych konkluzji. Główne różnice pomiędzy modeli klimatu i obserwacjami widoczne były w temperaturze górnych warstw troposfery. Modele klimatu przewidują silniejsze ogrzewanie w górnej troposferze niż na powierzchni Ziemi. Jednak po weryfikacji danych sondażowych i satelitarnych dzisiejszy stan wiedzy potwierdza zgodność modeli klimatu z obserwacjami w tej kwestii. Rola chmur w zmianach klimatu jest niezwykle ważna a ich reprezentacja w modelach klimatu jest mało precyzyjna. Chmury istotnie wpływają na bilans radiacyjnych i energii. Niewielkie zmiany zachmurzenia mogą prowadzić do znacznych zmian w systemie klimatycznym. Modele klimatu mają spore problemy z przewidywaniem zmian częstotliwości groźnych zjawisk atmosferycznych takich jak cyklony tropikalne czy huragany umiarkowanych szerokości geograficznych.

Modele klimatu a przewidywanie pogody Modele klimatu mają bardzo podobną strukturę do modeli prognozujących pogodę na kuli ziemskiej, ale są od nich mimo wszystko różne. W prognozie pogody symulacje są dosyć krótkie - maksymalnie kilka dni. Modele prognozy pogody wymagają bardzo precyzyjnych danych początkowych - zazwyczaj obserwacji ze stacji synoptycznych połączonych z asymilacją danych. Modele prognozy są robione zazwyczaj na znacznie gęstszej siatce Mimo, że prognozy numeryczne pogody po kilku dniach tracą dokładność to nie znaczy, że symulacje klimatu są niedokładne. Dzieje się tak dlatego, ponieważ w problemie klimatu istotne są średnie wartości.

Różnice pomiędzy modelem klimatu a modelem prognoz pogody widoczne są na przykładzie ćmy poruszającej się w pokoju w którym jednym źródłem światła jest żarówka przy suficie. Nie jesteśmy w stanie przewidzieć położenia ćmy po kilku sekundach za to możemy powiedzieć jakie jest jej średnie położenie nawet po godzinie…

1% wzrostu CO2 rocznie

Przykładowe wyniki modelowania (średnia dla zestawu modeli). Rysunki przedstawiają średnią zmianę temperatury dla lat 2071-2100 w porównaniu do lat 1910-1990 dla scenariusza A2 i B2. Zwraca uwagę szczególnie duży wzrost temperatury w Arktyce, nawet o osiem stopni. Te same prognozy przewiduj znaczny wzrost opadów w Arktyce (rzędu 40%)

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 3/24/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Co nas czeka w obecnym stuleciu? 3/24/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl