Διαμορφώνοντας ένα κλιματικό μοντέλο

Εξαιτίας της εσωτερικής μεταβλητότητας και της μη γραμμικότητας του κλιματικού συστήματος καθώς και της περιορισμένης γνώσης των εξωτερικών παραγόντων επίδρασης στο κλίμα κατά το μέλλον, μία αριθμητική προσομοίωση της κλιματικής αλλαγής αποτελεί μία εκτίμηση με δεδομένη πιθανότητα να συμβεί ανάμεσα σε πολλές άλλες πιθανές μελλοντικές εκτιμήσεις. Ο στόχος των μελλοντικών κλιματικών προσομοιώσεων δεν είναι η ακριβής πρόγνωση του κλίματος, αλλά η ανάλυση ευαισθησίας του κλίματος για δεδομένα σενάρια ανάπτυξης και η δημιουργία κατανομής συχνότητας πιθανών κλιμάτων (PDF).

Ο τρόπος με τον οποίο ανταποκρίνονται τα κλιματικά μοντέλα σε εξωτερικό εξαναγκασμό (external forcing) π.χ. αύξηση του θερμοκηπικού αερίου CO2, χαρακτηρίζεται από δύο παραμέτρους: 1/Την κλιματική ευαισθησία ισορροπίας (equilibrium climate sensitivity - ECS) Πόσο αλλάζει η θερμοκρασία επιφανείας αφού διπλασιάσουμε την συγκέντρωση ατμοσφαιρικού CO2 και το σύστημα φτάσει σε κατάσταση ισορροπίας; Είναι ένα μέτρο για την εκτίμηση των κλιματικών αναδράσεων (climate feedbacks) του κλιματικού μοντέλου. 2/ Την παροδική κλιματική απόκριση (transient climate response -ΤCR) Πόσο αλλάζει η μέση θερμοκρασία επιφανείας σε μία περίοδο 20 ετών τη στιγμή που το CO2 θα έχει διπλασιαστεί ; . Η εκτίμηση του δείκτη ECS σε ένα κλιματικό μοντέλο απαιτεί μακροχρόνια προσομοίωση κάτι το οποίο δεν απαιτείται για το δείκτη TCR. Ο δείκτης ΤCR είναι μικρότερος από το δείκτη ECS εξαιτίας της αδράνειας των ωκεανών στην πρόσληψη θερμότητας. Είναι ένα μέτρο της ταχύτητας και της έντασης απόκρισης σε εξωτερικό εξαναγκασμό.

Ατμόσφαιρα – γενική κυκλοφορία •Hadley cell •Trade wind •Westerlies •ITCZ •Subtropical high •Strom track region •Polar Hadley cell

Ωκεανοί - φυσικές ιδιότητες και ρόλος στο κλιματικό σύστημα Χαμηλή λευκαύγεια – ισχυρός απορροφητής ηλιακής ακτινοβολίας Βασική πηγή θερμότητας για την ατμόσφαιρα Υψηλή θερμοχωρητικότητα  μειώνει την ένταση των εποχιακών κύκλων των ατμοσφαιρικών παραμέτρων Σημαντική μεταφορά ενέργειας προς τους πόλους Ισχυρή καταβόθρα (reservoir) ατμοσφαιρικών χημικών στοιχείων

Ωκεάνεια επιφανειακά ρεύματα http://www.windows.ucar.edu/tour/link=/earth/Water/images/Surface_currents_jpg_image.html •Wind derived •Coriolis force and location of land affect current pattern •Clockwise in NH, anticlockwise in SH Θερμά ρεύματα με κόκκινο χρώμα. Ψυχρά με μπλε.

Coupled atmosphere / ocean climate model Radiation Atmosphere: Density Motion Water Heat Momentum Water Exchange of: Ocean: Density (inc. Salinity) Motion Sea Ice Land

Τι υποθέσεις κάνουμε και τι χρειάζεται να γνωρίζουμε Transitive Quasi steady state Eίδος θερμοδυναμικού συστήματος Αρχικές και οριακές συνθήκες Φυσικές σταθερές Χρόνοι σύξευξης ατμόσφαιρας – ωκεανών – κρυόσφαιρας Μηχανισμοί ανάδρασης (+/-) Aλληλεπίδραση ωκεανών - ατμόσφαιρας Βασικές εξισώσεις

Παραμετροποίηση φυσικών μηχανισμών Χημικοί μετασχηματισμοί Sub grid ανάλυση – προσομοίωση Πρότυπη ατμόσφαιρα Kατάτμηση σε οριζόντια και κατακόρυφη κλίμακα Αριθμός grids (Δ/Α2) Αριθμός παραμέτρων (Κ x n x Δ/Α2)

Τι υποθέσεις κάνουμε και τι χρειάζεται να γνωρίζουμε (1) Σύστημα θερμο-υδροδυναμικών εξισώσεων με συγκεκριμένες αρχικές και οριακές συνθήκες. Διατήρηση ορμής, μάζας, ενέργειας σε κάθε grid box. Φυσικές σταθερές: πλανητικά δεδομένα (R, g, γωνιακή ταχύτητα περιστροφής) και εσωτερικές σταθερές όπως ολική μάζα, χημική σύσταση ατμόσφαιρας και ωκεανών, θερμοχωρητικότητα και λανθάνουσα θερμότητα και παράμετροι που επηρεάζουν τη διάδοση Η/Μ ακτινοβολίας.

Τι υποθέσεις κάνουμε και τι χρειάζεται να γνωρίζουμε (2) Κύριο σύστημα η ατμόσφαιρα μαζί με την τοπογραφία της επιφάνειας, την τραχύτητα του εδάφους και την επιφανειακή θαλάσσια θερμοκρασία ως κύριες οριακές συνθήκες. Άλλες οριακές συνθήκες: λευκάγεια, υγρασία εδάφους, βλάστηση. Κλιμακωτό (θερμοδυναμικό) σύστημα: σύνολο υποσυστημάτων για κάθε ένα εκ των οποίων η «εξαγώγιμη» ενέργεια του 1ου είναι η «κινητήρια» (driving) ενέργεια του επόμενου, κ.ο.κ.

Τι υποθέσεις κάνουμε και τι χρειάζεται να γνωρίζουμε (3) Βασικές παράμετροι: οι συνιστώσες ανέμου (u, υ), η θερμοκρασία, η ειδική υγρασία και η επιφανειακή πίεση. Ετεροσθενείς χρονικές κλίμακες: ατμόσφαιρα – από 10-3 έως 10-1 ωκεανοί – από 10-1 έως 103 κρυόσφαιρα από 100 έως 105

Μηχανισμοί ανάδρασης (4)

Θετικοί μηχανισμοί ανάδρασης

Ανάδραση λόγω λευκαύγειας πάγου (Cooling) Αρχικός μηχανισμός Ψύξη της Γης Θετική ανάδραση Αύξηση κάλυψης πάγου Αύξηση λευκαύγειας Μείωση απορροφούμενης μμκ 50

Ανάδραση λόγω λευκαύγειας πάγου (Warming) Αρχικός μηχανισμός Θέρμανση της Γης Θετική ανάδραση Μείωση κάλυψης πάγου Μείωση λευκαύγειας Αύξηση απορροφούμενης μμκ 51

Ανάδραση λόγω υδρατμών (Warming) Η Γη θερμαίνεται Θετικός Μηχανισμός Αύξηση εξάτμισης Η περιεκτικότητα σε υδρατμούς αυξάνεται Ενίσχυση ΦΘ 52

Ανάδραση λόγω υδρατμών (Cooling) Η Γη ψύχεται Θετικός μηχανισμός Η εξάτμιση μειώνεται Η περιεκτικότητα της ατμόσφαιρας σε υδρατμούς μειώνεται Το ΦΘ εξασθενεί 53

Βλάστηση και Μηχανισμοί ανάδρασης 54

Αύξηση SST και CO2 Θετικός μηχανισμός Aύξηση SST Aύξηση της απελευθέρωσης (release) CO2 από τους ωκεανούς Το ΦΘ ενισχύεται 55

Αρνητικοί μηχανισμοί ανάδρασης

Ανάδραση μεγάλου μήκους ακτινοβολίας Θέρμανση Γης μηχανισμός Αύξηση της εξερχόμενης Μμκ Αρντηικός Μείωση του θετικού ισοζυγίου Μείωση θερμοκρασίας πλανήτη 57

Ανάδραση λόγω φωτοσύνθεσης Ανάδραση λόγω φωτοσύνθεσης Αύξηση της θερμοκρασίας συνεπάγεται αύξηση της φυτοκάλυψης. Αύξηση της φυτοκάλυψης οδηγεί, λόγω αύξηση του φωτοσύνθεσης, σε διακρατούμενου CO2 στην ατμόσφαιρα. Θετικός ή αρνητικός μηχανισμός ανάδρασης;

Απομάκρυνση CO2 (chemical weathering) αρνητικός μηχανισμός 60

Τι υποθέσεις κάνουμε και τι χρειάζεται να γνωρίζουμε (5) Πρότυπη ατμόσφαιρα: σύστημα ομόκεντρων τομών (slices) από το έδαφος μέχρι τη στρατόπαυση. Eπιλογή κατακόρυφης συνιστώσας: z, p, θ, σ (p/po) (σ=0 στην κορυφή ατμόσφαιρας και σ=1 στην επιφάνεια)

Τι υποθέσεις κάνουμε και τι χρειάζεται να γνωρίζουμε (6) Αριθμός επιπέδων στην κατακόρυφη κλίμακα: 10-20 (από λίγες εκατοντάδες μέτρα στο ΑΟΣ μέχρι μερικά Km σε ύψη > ΑΟΣ). Οριζόντια κλίμακα: 200-300 km A/Δ2 = αριθμός των grids στην οριζόντια κλίμακα (διάσταση), όπου Α είναι η έκταση του πλανήτη και Δ η μέση χωρική κλίμακα ενός grid. Αν n ο αριθμός των παραμέτρων, τότε Σn = n x K x A/Δ2

The Hadley Centre third coupled model - HadCM3 30km 19 levels in atmosphere 2.5 lat 3.75 long The Hadley Centre third coupled model - HadCM3 1.25 20 levels in ocean Hadley Centre -5km

Παραμετροποίηση (7) Επιδιώκει τη σύζευξη διαφορετικών χρονικών και χωρικών κλιμάκων. λ.χ. οι στροβιλώδεις κινήσεις αναπτύσσονται εντός του ΑΟΣ και εντός ενός grid box. Όμως δεν μπορούν να αγνοηθούν καθώς είναι σημαντικές σε ότι αφορά στην μεταφορά μάζας, ορμής, ενέργειας.

Διαστάσεις κλιματικών μοντέλων (8) Διαστάσεις κλιματικών μοντέλων (8)  3-D (λ,φ,z)  2-D (λ,φ) , 2-D (λ,z)  1-D (λ), 1-D (φ), 1-D (z) 0 (D), αφορά μόνο Τ

One-Dimensional Climate Model

Two-Dimensional Climate Model

Three-Dimensional Climate Models (GCM)

Βασικές κλιματικές εξισώσεις σε σύστημα Langrang

ρ πυκνότητα, c απόκλιση (div) πεδίου ταχυτήτων u eastward wind component, υ northward wind component, w upward wind component, f δύναμη Coriolis, f’=2Ω cosφ, cp atmospheric specific heat at constant pressure, F (λ,φ,z) δύναμη τριβής, R ακτίνα γης. q ειδική υγρασία, s(q) πηγές και καταβόθρες υδρατμών, α specific volume, ρ πυκνότητα φ και λ: γ.π. και γ.μ. D turbulent diffusion rate of water vapor per unit volume και Q diabatic heating rate.