Klimatske promjene i klimatsko modeliranje

Čedo Branković

cedo.brankovic@cirus.dhz.hr

Ivan Güttler, Tomislav Stilinović, Lidija Srnec

Sadržaj

1. Klima i klimatske promjene

2. Opažene klimatske promjene, klimatska varijabilnost i ekstremi

3. Klimatski modeli i modeliranje klime

4. Rezultati (output) klimatskih modela

Klima i klimatske promjene

* Klima nekog područja u nekom razdoblju opisana je očekivanim vrijednostima meteoroloških elemenata

* Klima je samo “vanjska” manifestacija klimatskih procesa, dinamike i interakcija komponenata klimatskog sustava: atmosfera, oceani, ledeni pokrov, tlo, vegetacija,...

* Elementi: sunčevo zračenje, temperatura zraka, tlak, smjer i brzina vjetra, vlažnost, naoblaka, oborina, isparavanje, snježni pokrivač, ...

* Klimatske promjene su značajne i trajne promjene u statističkoj razdiobi vremenskih pojava (dekade do milijuni godina)

* Uzroci klimatskih promjena su promjene u energetskoj ravnoteži Zemlje- prirodni uzroci: varijacije u sunčevom zračenju, varijacije u orbiti Zemlje,

vulkanske erupcije (aerosoli), ... (tektonika!)- ljudski utjecaj: deforestacija, korištenje zemljišta, izgaranje fosilnih

goriva, ...Uzrokuju povećanje razine plinova staklenika, aerosola, promjene u ozonskom omotaču, ...

Opažene klimatske promjene

Klima B

Izvor: Kennedy et al. (Weather 2016)

Godišnje anomalije temperature na sjev. hemisferi(u odnosu na razdoblje 1961-1990)

Klima A

Klimatska varijabilnost

Klima B

Klima A

Klimatska varijabilnost

Klimatska varijabilnost

Izvor: Kennedy et al. (Weather 2016)

* Klimatska varijabilnost i klimatske promjene doprinose suvremenoj klimi

* Klimatska varijabilnost je superponirana na dugoročnu evoluciju klimatske promjene

* Detekcija klimatske promjene u nekom kraćem razdoblju je otežana

Godišnje anomalije temperature na sjev. hemisferi(u odnosu na razdoblje 1961-1990)

Klimatske promjene i ekstremi

* Učestalost nekog događaja (primjer za temperaturu zraka)

Izvor: Beniston & Goyette, Global and Planetary Change (2007)

Pomak u učestalosti događaja uz neizmjenjenu varijabilnost

Klima A

Klima B

Klima A

Klima BPomak u učestalosti događaja uz povećanu varijabilnost

Izvor: IPCC 2013

Modeliranje klime i klimatskih promjena

Globalna promjena srednje temperature

Simulacija stvarne klime(validacija klimatskih modela)

Projekcije buduće klime

RCP 8.5

RCP 2.6

Modeliranje klime i klimatskih promjena

* Klimatski modeli su jedini “alat” kojim možemo predvidjeti buduće klimatske promjene

... ali ...

* Uz modeliranje klime i klimatskih promjena vezane su mnoge neizvjesnosti (uncertainties)

- prirodna varijabilnost klimatskog sustava

- nesavršenost klimatskih modela

- nepoznavanje buduće koncentracije plinova staklenika

* Neizvjesnost u klimatskom modeliranju može se donekle ublažiti višestrukimponavljanjem simulacija: sa više modela, sa više scenarija, sa više različitih početnih uvjeta ansambl (ensemble) simulacija: raspon mogućih rješenja (stanja) buduće klime

Što su klimatski modeli?

* Atmosfera je fluid u kojem vladaju zakoni fizike koji se mogu opisati matematičkim jednažbama

* Primjena skupa takvih jednadžbi u praksi naziva se model atmosfere

* Klimatski modeli mogu biti globalni (GCM) ili regionalni (RCM)

* Zbog razmjerno grube rezolucije (150-250 km) globalni modeli su neprikladni za istraživanje klime na lokalnim i regionalnim skalama - osobito prizemnih parametara (npr. oborina, temperatura, vjetar)

povećanje rezolucije

Klimatski modeli i računalna tehnologija

* Buduće stanje atmosfere (prognoze vremena, projekcije buduće klime) izračunava se pomoću atmosferskih (klimatskih) modela na super-računalima (HPC)

* VELEbit HPC (SRCE)

CPU iskorištenost (u %)

Super-računalo VELEbit SRCE

* Klimatske simulacije regionalnim klimatskim modelom RegCM

Sadašnja klima

Rubni uvjeti od 4 globalna klimatska modela:

CNRMEC-EarthMet Office HadleyMax Planck Institut

Rezolucija RegCM-a:

50 km12.5 km

Regionalni klimatski modeli

* Regionalni klimatski modeli omogućuju da se rezultati globalnih klimatskih modela dinamički prilagode (downscaling) manjim skalama (10-50 km)

* Regionalni klimatski modeli dobivaju početne i rubne uvjete od globalnih modela

200 km 35 km

Orografija

Modeliranje klime na Jadranu: kompleksno i zahtjevno

* Naš dio Jadrana ima izrazito kompliciranu obalnu strukturu i topografiju

* Da li RCMs mogu reproducirati klimu tako složenog klimatskog područja?

Izvor: Branković, Güttler, Gajić-Čapka (Climate Dynamics 2013)

Modeliranje klime na Jadranu: simulacije na 25 km mreži

Izvor: Branković, Güttler, Gajić-Čapka (Climate Dynamics 2013)

Nadmorska visina i omjer kopno/more

“Maska” kopno/more

RCM rezolucija: 25 kmGTOPO rezolucija: 1 km

RCM rezultati (output regionalnih klimatskih modela)

* Osnovni klimatološki parametri: prizemna temperatura, brzina vjetra, tlak zraka, oborina, vlažnost zraka, ukupna naoblaka, isparavanje, površinsko otjecanje, visina snijega, insolacija, ...

* Ali i: dnevna max temeperatura, dnevna min temperatura, max satna količina oborine, konvektivna oborina, visoka (srednja, niska) naoblaka, komponente vjetra, udari vjetra, temperatura (& vlažnost, komponente vjetra) na različitim visinama, pokrivenost snijegom, ukupno otjecanje, ...

* Primjena: - broj dana s temeperaturom > ili < od zadanog praga- toplinski valovi: broj dana s max temperaturom > XoC- broj dana s količinom oborine > ili < od zadanog praga (vrlo kišni dani)- prinos usjeva: max i min temperatura, oborina, vlažnost tla, evaporacija- fire weather index (FWI): brzina vjetra, max. temperatura, vlažnost,

oborina- ...

RCM rezultati: temperatura

Zima P0 Zima P1 Zima P1-P0

Ljeto P0 Ljeto P1 Ljeto P1-P0

RCM rezultati: broj dana s T2min<0, T2max≥25

Ljeto P0 Ljeto P1-P0

Zima P1-P0Zima P0

T2min

T2max

Izvor: Branković, Patarčić, Güttler, Srnec (Climate Research 2012)

RCM rezultati: promjena ukupne količine oborine

Ljeto P0 Ljeto P1 Ljeto P1-P0

T-test 80% interval povjerenja

RCM rezultati: promjena broja dana s oborinom > 1 mm(dva buduća razdoblja)

zima P1-P0 zima P2-P0

RCM rezultati: broj dana s oborinom > 20 mm

Jesen P0 Jesen P1-P0

Izvor: Branković, Patarčić, Güttler, Srnec (Climate Research 2012)

RCM rezultati: indeks dnevnog intenziteta oborine - SDII(utjecaj horizontalne rezolucije)

50 km 12.5 km

P0

P1-P0

RCM rezultati: promjena broja dana (P1-P0) sa snježnom oborinom

Run 1 Run 2 Run 3

Ansambl

RCM rezultati: vjetar na 10 m

Zima P0

Zima P1

Zima P1-P0

RCM rezultati: godišnji hod

Temperatura Oborina

srednjak

std. dev.

RCM rezultati: višegodišnja promjena

Temperatura Oborina

srednjak

kumulativna čestina

RCM rezultati: trend promjene temperature

Model 1

Model 2

RCM rezultati: promjena temp. po lokacijama i mjesecima

Izvor: Branković, Güttler, Gajić-Čapka (Climate Dynamics 2013)

P1-P0

P2-P0

P3-P0

GCM

RCM rezultati: promjena broja suhih dana (jesen)

P1-P0

P1-P0: Rasap među realizacijama modela

Izvor: Patarčić, Gajić-Čapka, Cindrić, Branković (Climate Research 2014)

RCM rezultati: broj modela i promjena količine oborine

zima P1-P0

ljeto P1-P0

broj modela

RCM rezultati: CDO (Climate Data Operators)

* Software za manipulaciju outputa klimatskih modela

https://code.zmaw.de/projects/cdo

- Analiza i manipulacija klimatskih podataka

- Više od 600 operatora

- Omogućava: - info o datotekama i operacije s datotekama- selekciju i usporedbu- promjenu meta podataka- aritmetičke operacije - statističke analize- regresiju i interpolaciju- vektorske i spektralne transformacije- računanje klimatskih indeksa

RCM rezultati: CDO primjer

* Ekstrakcija vremenskog niza prizemne temperature za jednu točku:

cdo remapnn,lon=${LON}/lat=${LAT} ulaz.nc izlaz.nc

cdo remapnn,lon=16/lat=45 ../regcm/DISK_CARE/FROM_ESGF/rcp45/tas/tas_EUR-

44_MPI-M-MPI-ESM-LR_rcp45_r1i1p1_SMHI-RCA4_v1_day_20060101-20101231.nc

izlaz2.nc

cdo remapnn: Processed 19936268 values from 1 variable over 1826 timesteps ( 1.11s )

* Konverzija iz NetCDF formata u tekstualni niz (excel):

cdo output izlaz2.nc > izlaz2.txt

cdo output: Processed 1826 values from 1 variable over 1826 timesteps ( 0.09s )

cat izlaz2.txt

268.795

271.363

273.821

272.507

267.012 ...

RCM rezultati: CDO primjer

* Vizualizacija

ncview /home1/brankovic/izlaz2.nc &

RCM rezultati: cdo ecahttps://code.zmaw.de/projects/cdo/embedded/cdo_eca.pdf

cdo eca

cdo eca

za temperaturu i oborinu