Klimat, ogólna cyrkulacja atmosfery, prognozy klimatu

Transkrypt

1 Klimat, ogólna cyrkulacja atmosfery, prognozy klimatu

2 Klimat definicje średnia pogoda wszystkie, charakterystyczne dla pewnego obszaru, stany atmosfery, występujące w przebiegu rocznym 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) 05/20/10

3 Przykład 2 Stacja A: średnia temp. stycznia :3C Stacja B: średnia temp. stycznia :3C W przypadku stacji B mamy znacznie większą międzyroczną fluktuację temperatury powietrza. 05/20/10 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

4 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 05/20/10 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

5 Klimat, definicja fizyczna cd. Znajomości klimatu pozwala nam odpowiedzieć na szereg pytań. jakie jest prawdopodobieństwo, że średnia temperatura stycznia 2011 roku będzie niższa niż -4 oc? jakie jest prawdopodobieństwo że średnia temperatura stycznia 2011 roku będzie w przedziale od -3 do -4 oc? 05/20/10 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

6 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. 05/20/10 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

7 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? 05/20/10 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

8 Wpływ wzrostu średniej temperatury na wartości ekstremalne (dla normalnego rozkładu temperatury) Instytut Geofizyki Uniwersytet Warszawski

9 System Klimatyczny System klimatyczny to złożony układ składający się z pięciu elementów atmosfera hydrosfera kriosfera powierzchnia ziemi biosfera w których zachodzą interakcje pomiędzy nimi. Układ klimatyczny jest pod wpływem wewnętrznej dynamiki oraz zewnętrznych zaburzeń (np. wybuchy wulkanów, zmiany aktywności Słońca, zmiany składu atmosfery).

10 Podsumowanie: Klimat to średni stan fizyczny atmosfery i jego statystyczna zmienność w przestrzeni i czasie, charakteryzujcy pogodę na przestrzeni wielu lat. UWAGA!!! NIE ŚREDNIA A PEŁNE RODKŁADY STATYSTYCZNE!!! UWAGA!!! BRAK OKREŚLONYCH WYRAŹNYCH RAM CZASOWYCH!!! Klimatologia obejmuje nie tylko opis klimatu, ale badanie procesów fizycznych kształtujcych klimat oraz szerokie spektrum praktycznych konsekwencji klimatu i zmian klimatycznych. Klimat Ziemi, jego zmienność przestrzenna czy czasowa zależą przede wszystkim od ilości i rozkładu energii słonecznej pochłoniętej przez układ Ziemia-atmosfera. Rozkład ten zależy częściowo od czynników astronomicznych, częściowo od czynników lokalnych, takich jak skład atmosfery (aerozole!!!), położenie ldąów i oceanów, fizjograficzne własności powierzchni planety.

11 Model ogólnej cyrkulacji atmosfery.

12 Idealny (a) i zbliżony do rzeczywistego średni rozkład wiatrów przy powierzchni Ziemi. Schemat stref cyrkulacyjnych związanych z ogólną cyrkulacją atmosfery.

13 Prąd strumieniowy (jet-stream).

14 Odchylenia od strefowości cyrkulacji globalnej: monsun.

15 El-Nino, La-Nina, ENSO, cyrkulacja Walkera Indeks ENSO: znormalizowana różnica ciśnień miedzy Thaiti i Port Darwin (Australia).

16

17 Indeks NAO: znormalizowana różnica ciśnień w miesiącach zimowych miedzy Lizboną a Stykkisholmur. Indeks dodatni Indeks ujemny

18 Niestabilność baroklinowa: wyże i niże umiarkowanych szerokości geograficznych w laboratorium.

19 Porównanie natury z eksperymentem.

20 Typowe siatki modelu klimatu and. Global Circulation Model, GCM albo Climate Model): zła reprezentacja chmur i procesów zachodzących w pionie.

21 Elementy uwzględniane w modelach klimatu na przestrzeni lat.

22 F F Sq Przykład oddziaływań uwzględnionych we współczesnym modelu ATMOSFERYjednym składniku modelu klimatu: Sq Q

23 Zasięg czasowy modeli pogody i klimatu.

24 Edward N. Lorenz ( ) pokazał co to znaczy przewidywalność (ang. predictability) układu fizycznego. Deterministic nonperiodic flow, 1963 (atraktor Lorenza, efekt motyla) The problem of deducing the climate from the governing equations, 1964 (rozróżnienie między brakiem przewidywalności ze względu na nieznajomość stanu początkowego układu i ze względu na niepełną znajomość fizyki równań układu) Climatic change as a mathematical problem, 1970 (nieprzewidywalność pogody -chaos- nie znaczy że klimat jest nieprzewidywalny) Predictability a problem partly solved, 2006 (bez komentarza :)

25 Prognoza pogody: prognoza pojedynczej realizacji procesu dynamicznostochastycznego, lub prognoza empirycznego rozkładu prawdopodobieństwa różnych realizacji. Prognoza klimatu: prognoza pewnych quasi-równowagowych statystyk realizacji procesów dynamiczno-stochastycznych przy ustalonych wymuszeniach zewnętrznych w stosunku do systemu klimatycznego.

26 Prognoza pogody: zależność od warunku początkowego, krytycznie ważna możliwość śledzenia rozwoju pojedynczych niestabilności w systemie, krytycznie ważne szczegóły dynamiki. Prognoza klimatu: badanie statystyki zachowań układu, krytycznie ważne strumienie energii i spełnienie zasad zachowania w długim okresie czasu.

27 2001 Przewidywalność klimatu problem niedokładnej znajomości układu fizycznego. Przykład prognoza klimatu. Porównanie symulacji 23 modelami dla ustalonego scenariusza emisji. earth/climate/images/ipcc_ma ny_models_sm.gif 2006

28

29

30 Wyniki symulacji klimatycznych dostępne dla każdego!

31

32 Technika prognozowania klimatu - multimodel ensemble pozwala a priori na ocenę prawdopodobieństwa sprawdzenia prognozy (podejście bayesowkie). Dlaczego możemy (w ograniczonym stopniu) ufać prognozom klimatu: 1) modele bazują na podstawowych powszechnych prawach fizyki: zasadach zachowania energii, pędu, momentu pędu, masy... 2) w wirtualnej rzeczywistości modeli wielkości fizyczne i ich statystki zachowują się w sposób rozsądny, a kolejne ulepszenia prowadzą do poprawy zachowań modeli zgodnie z naszym doświadczeniem i oczekiwaniami; 3) modele odtwarzają trendy i obserwowany rozkład przestrzenny wielu zmiennych; 4) testy modeli na przeszłych stanach atmosfery ( w tym tych sytuacjach paleo, które dostarczają odpowiednich danych) stanowią dodatkowe, niezależne źródło weryfikacji; 5) różnorodne modele dają zgodne (w spodziewanych granicach) wyniki symulacji na tych samych danych; 6) prognozy nowej generacji modeli są zgodne ze starszymi; 7) potrafimy zinterpretować wyniki symulacji w sensie zrozumienia procesów fizycznych i sprzężeń. R Knutti, 2008: Should we believe model predictions of future climate change? Phil. Trans. R. Soc. A 366, doi: /rsta

33 Przeszłość, teraźniejszość i przyszłość modelowania ENIAC prędkość 500 FLOPS pamięć FUJITSU VPP5000/100 (2001) Cray XT5-HE Jaguar petascale ( ) computers 1012 FLOPS 2* 1015 FLOPS dużo* 1015 FLOPS ~ GB baardzo dużo 10 słów (40 bb 400 GB

34 Nowy paradygmat modelowania klimatu: misja numeryczna (podobna do misji kosmicznych, eksperymentów w fizyce wysokich energii czy astronomii) 1) stadium konceptualne; 2) planowanie naukowe super (petascale) serii eksperymentów numerycznych; 3) analiza technicznej wykonalności eksperymentu; 4) szczegółowy plan (proposal) realizacji; Trudności: Czas misji porównywalny z czasem życia maszyny, trudności w powtórzeniu eksperymentu, w razie opóźnień misja może stać się przestarzała zanim dobiegnie końca. Krytyczna współpraca na skale porównywalną z najwiekszymi przedsiewzieciami naukowymi z innych dziedzin. A. Navarra, J. L. Kinter III, and J. Tribbia: Crucial Experiments in Climate Science, Bulletin of the American Meteorological Society 2010; 91: