GIS w globalnych i regionalnych modelach klimatycznych

1. GIS w globalnychi regionalnychmodelach klimatycznych Alfred Stach Instytut Paleogeografii i Geoekologii UAM

2. 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

3. Prognozy zmian składu atmosfery, bilansu radiacyjnegoi temperatury

4. Prognozy dla XXI stulecia – temperatura powietrzaPrognozowane 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.

5. 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?

6. 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.

7. PODSTAWOWECECHY 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.

8. 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.

9. 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.

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

11. Czynniki zmian klimatu

12. Systemklima-tycznyZiemi

13. 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)

14. Elementymodelu 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)

15. Elementymodelu 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

16. 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

18. Modele klimatyczneprzykłady równań matematycznych reprezentujących zjawiska atmosferyczne(cyrkulacja atmosferyczna, temperatura i wilgotność)

19. Schemat modelowania systemu chmur warstwowychCSIRO-Mk3.0 (Australia)

20. Struktura modelu GCM

21. Struktura modelu GCM

22. Rozdzielczość przestrzenna modelu

23. Problem typu siatki !

24. Reprezentacja kształtu i rzeźby kontynentów w modeluCSIRO-Mk3.0 (Australia)

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

26. Parametryzacja komponentu oceanicznego

27. Parametryzacja komponentu oceanicznego Koncentracja chlorofilu Batymetria

28. Parametryzacja komponentupowierzchni lądów - pokrycie

29. Parametryzacja komponentupowierzchni lądów – typy gleb

30. 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)

31. Stabilizacjawyników symulacji

32. Porównanie obserwowanych i symulowanych wartości szeregu parametrów bilansu radiacyjnegooraz hydrologii

33. Walidacja symulacji: temperatura

34. Walidacja symulacji: opady

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

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

37. Zmiany klimatycznew 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

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

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

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

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

42. Symulacjedla Australii

43. 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,eLondon 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 ofStrengthsand Limitations. U.S. Climate Change Science ProgramSynthesis 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 FourthAssessment Report. Met Office, Hadley Centre Technical Note No. 55, 1-75. • Hadley Centre, 2002: The Hadley Centreregional 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 Ito the Fourth Assessment Report of theIntergovernmental 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.

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

45. 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.

46. Najnowsze faktypotwierdzające globalne ocieplenie(dzięki uprzejmości mgr A. Nawrota)