Кліматична система Кліматичне моделювання Доцент Павло Шубер

Кліматична система. Кліматичне моделювання. Доцент Павло Шубер

План лекції • • • • 1. Дослідження клімату в Україні. 2. Поняття і складові кліматичної системи. 2. 1. Система “атмосфера-океан”. 2. 2. Система “атмосфера-суша” 2. 3. Система “атмосфера-льодовик” 2. 4. Система “атмосфера- рослинність”. 3. Основи кліматичного моделювання. 3. 1. Порівняльний аналіз. 3. 2. Моделювання “озонового ефекту”. 3. 3. Моделювання парникового ефекту. 3. 4. Моделювання ефекту “Ель-Ніньо”. 3. 5. Моделювання інших кліматичних наслідків. 4. Довгостроковий прогноз.

Січень 2009 року. Кліматичні рекорди.

Січень 1, 2009 - грудень 31, 2009

Система “суша-океан”. Рух в атмосфері є причиною виникнення течій в океані - вплив на міжширотний обмін теплом в океані - поступлення тепла в атмосферу - тепло і волога на материки - з суші в океан поступає поверхневий стік.

Система “атмосфера+океан+кріосфера” • Утворення морського льоду при досягненні точки замерзання. Причина - теплове випромінювання з поверхні води і за рахунок теплообміну з атмосферою. • Атмосферна циркуляція впливає на розподіл льоду визначає температурні меридіональні контрасти, впливає на загальну циркуляцію атмосфери. • Хмарність розподіляється через циркуляцію атмосфери, утворюються хмарні поля - затримується тепло, відбувається вплив на поглинання, розсіювання, відбиття сонячної радіації, що відбивається в неоднорідностях температури, які позначаються в свою чергу на циркуляції атмосфери. • Кліматична система регулюється зовнішніми факторами і її зміни здійснюються під впливом процесів всередині системи.

Система “атмосфера- рослинність”. • Фотохімічний смог, одним з активних оксидантів у якого є озон вбивчо впливає на деревні рослини. • Індикатором цих змін може бути зміна процесів водообміну в гідрологічному циклі. (Kickert, 1990).

Успіхи в моделюванні клімату в ХХ століття • успіхи у короткостроковому і середньостроковому прогнозуванні погоди. • наукові досягнення в розумінні глобальних атмосферних процесів і динаміки атмосфери, у математичному описі радіації, що надходить від Сонця, переносу, відображення, поглинання короткохвильового і довгохвильового випромінювання, процесів конденсації і випаровування, танення/замерзання опадів, механізмів перемішування повітряних мас, включаючи конвекцію і турбулентність, процесів взаємодії із сушею й океаном; • • розробку в ряді країн глобальних, регіональних і мезомасштабних гідродинамічних чисельних моделей загальної циркуляції атмосфери, що дозволяють прогнозувати поля метеорологічних елементів на 5 -7 діб із прийнятної для багатьох споживачів точністю; • створення у великих метеорологічних центрах, оснащених могутньою обчислювальною технікою унікальних технологій, що дозволяють упровадити ці моделі в оперативну практику; • створення й організація безперервного функціонування глобальних міжнародних систем спостережень, телезв'язку й обробки даних, що дозволяють здійснювати спостереження за погодою, передачу даних спостережень у метеорологічні центри і поширення продукції в прогностичні центри Національних метеорологічних служб.

Міжнародний характер сформованої системи прогнозування • Оперативне складання прогнозів по гідродинамічних моделях загальної циркуляції вимагає постійної підтримки дорогих систем спостережень і автоматизованих технологій збору й обробки глобальної метеорологічної інформації, а також наявність могутнього наукового потенціалу для розвитку й удосконалювання самих моделей. • в сфері моніторингу і прогнозування погоди більш 130 років існує тісне міжнародне співробітництво по лінії Всесвітньої Метеорологічної Організації (ВМО). • Члени ВМО беруть на себе відповідно своїм можливостям зобов'язання за погодженою схемою для того, щоб усі країни могли одержувати вигоди від об'єднаних зусиль. • ВМО створена міжнародна прогностична індустрія, що складається зі світових (ММЦ) і регіональних (РМЦ) метеорологічних центрів обладнаних сучасними засобами і технологіями за рахунок країн, що добровільно підтримують функціонування таких центрів. • Продукція світових і регіональних метеорологічних центрів у виді чисельних аналізів і прогнозів метеорологічних полів представляється для використання всім членам ВМО через їх

Зміни в технології підготовки прогнозу погоди оперативним метеорологом Успіхи в розвитку чисельного моделювання атмосфери привели до централізації і навіть глобалізації основного етапу прогнозу - прогноз полів метеорологічних величин, спираючись на який оперативний метеоролог складає прогноз елементів і явищ погоди для конкретного пункту, району або території. зберігається найважливіша роль прогнозиста в інтерпретації вихідної продукції чисельних моделей і використанні при складанні прогнозу об'єктивних методів прогнозу метеорологічних величин і явищ погоди, а також оперативних даних різних спостережливих систем. Ця роль особливо важлива при складанні прогнозу небезпечних явищ погоди.

Обмеження передбачуваності погоди Оперативні моделі, використовувані у великих метеорологічних центрах, мають межу передбачуваності в 5 -7 діб і відрізняються одна від одної за своїми характеристиками, застосовуваним чисельним процедурам, технології обробки даних і потужності обчислювальних засобів. Великий прогрес у чисельному моделюванні атмосфери стосується, головним чином, великомасштабних погодних систем. Дрібномасштабні утворення довжиною кілька десятків і навіть сотень кілометрів, з якими зв'язані небезпечні гідрометеорологічні явища, поки не можуть бути прогнозовані чисельними моделями. Прогноз таких утворень складається фахівцем – синоптиком на основі інтерпретації результатів чисельних моделей і використання додаткової інформації, що відбиває розвиток мезомасштабних процесів (даних радіолокаційних спостережень, супутникових даних). Прогнози локальної погоди завжди будуть позв'язані з деякою невизначеністю у відношенні конкретного місця розташування, часу й інтенсивності метеорологічних явищ. Особливо екстремальних явищ, що виникають рідко і раптово, існують нетривалий час і, які, можливо, найчастіше спрогнозувати тільки з невеликою (1– 3 години) завчасністю.

Боротьба з невизначеністю Невизначеність властива не тільки прогнозам погоди, але і навіть ступеню оцінки поточного стану атмосфери. Рішення цієї проблеми складається у використанні групи прогнозів по ряду початкових умов, що відрізняються, для однієї моделі або групи моделей чисельного прогнозу з різними, але рівноможливими наближеннями. Група прогнозів охоплює ряд можливих результатів, що забезпечують діапазон даних, де можуть зростати невизначеності. У результаті по групі прогнозів можна автоматично одержати інформацію про ймовірності, стосовно до

Кліматичне моделювання. • Сучасні моделі клімату - фрагмент моделі географічної оболонки. Дійсно атмосфера зв'язана в єдину термодинамічну систему. • Світовий океан, суша, елементи кріосфери і деякі компоненти біоти. • Складна структура - необхідна щоб у повному обсязі врахувати всі процеси, що визначають термічний режим глобальної кліматичної системи, енерго- і вологообмін між її елементами, планетарну циркуляцію атмосфери й океану.

Необхідність кліматичних моделей. • Проблеми фізичної географії. Діагностика оцінок і прогнозу стану водяних ресурсів, вічної мерзлоти, гірського заледеніння, біопродуктивності природних геосистем і агроценозів, стану ландшафту в цілому. • Оперативної характеристики поля, вологості повітря, опадів, вологості грунту, снігового покриву тощо. • Вихідні дані у відповідні алгоритми моніторингу. • Враховувати масштаб вираження в моделі кліматичних змінних біля земної поверхні, у просторі, під час експерименту на компютері.

Cпеціальний експеримент АМІР (Atmospheric Model Intercomparison Project) (Gates, 1992) • Оцінка здатності моделей відтворити сучасний клімат (з 1989 р. ). • Виконане порівняння між собою і з даними спостережень результатів моделювання, здійснених 30 моделями (МЗЦА + діяльний шар суші). • Моделі розрізняються конструктивно і мають різне просторове розрішення, але зовнішні кліматоутворюючі фактори (сонячна постійна, вміст СО 2) узяті однаковими для всіх моделей.

• Особливість - інтегрування виконувалося для конкретного інтервалу років, протягом якого температура поверхні океану і границя морських льодів щомісяця задавались за даними спостережень. • Дані експерименту співставляються з дослідженнями водного балансу Каспійського моря і його сучасних коливань (Мелешко, Голицын, Володин, Мохов, 1998), модель опадів мусону південної Азії Atmospheric… 1998) ; • модельними і реальними флуктуаціями загальної циркуляції атмосфери, що відбиваються в поведінці глобального кутового моменту тощо - (Hide …, 1997).

Атмосферна модель ІВМ РАН (Алексеев, 1998) • Розрішення (4º х 5º широти і довготи і 21 рівнем по вертикалі ) - відтворює якість кліматичних полів біля земної поверхні. • Модель інтегрувалася на 17 років (з 1979 по 1995 р. ). • На зовнішній границі атмосфери обчислювався сезонний і добовий хід інсоляції (при сонячній постійній -1365 Вт/м 2).

• Розподіл температури поверхні Світового океану і морського льоду регулярно задавалися на основі реальних даних спостережень. • Моделювання ЗЦА - враховує сезонний хід, а також різні нерегулярні флуктуації, що знаходять відображення в температурі поверхні океану.

Апробація моделі - (Kislov…, 1999) • Здатність моделі відтворювати середньомісячні температури повітря в поверхні суші, місячні суми опадів і величину водяного еквівалента снігового покриву. • • Процеси в середніх і високих широтах, що включає різні природно-кліматичні зони і це дозволяло оцінити працездатність моделі в контрастних умовах. • Виявилося, що всюди в районах зі складною підстилаючою поверхнею (гори, берегова лінія, архіпелаги островів) модельні результати сильніше відрізняються від кліматичних, ніж на рівнинах.

Моделі загальної циркуляції атмосфери (ЗЦА). • Відтворюють від доби до доби великомасштабні погодні системи, що є основними компонентами клімату, включають параметризацію основних дрібномасштабних динамічних і фізичних процесів. (волога конвекція, турбулентне переміщення). • Враховують довгоперіодичні кліматичні зміни на суші і океані на основі рівнянь, об'єднують моделі атмосферної і океанічної циркуляції. • Проводять дослідження основних кліматотвірних процесів, що дає можливість більш детально вивчити глобальні моделі циркуляцій. •

Типи моделей • Моделювання динамічно-статистичних атмосферних процесів: • моделі зонально опосередкованого теплового балансу на земній поверхні; • моделі еволюції в часі зонально осереднених станів атмосфери; • моделі, які описують рухи атмосферних хвиль великих масштабів.

Розвиток моделей ЗЦА • Початки моделювання співставимі з часом винайдення електроннообчислювальних машин. • Перші експерименти Чарні (1950) на основі баротропних моделей. За ними розвинулись бароклінні моделі, що описували ріст і диссипацію основних погодних систем помірних широт. • Філліпс (1956) - перша експериментальна модель ЗЦА. Основа квазігеостаціонарні рівняння і мінімальне (двохрівневе) розрішення атмосфери, розподіл джерел і стікання тепла, що залежали від широти, але були незмінні в часі. • Інтеграція моделей на основі більш складних і повних рівнянь, які враховували більш реалістично розподіл джерел і стоку тепла по земній кулі з врахуванням орографічних ефектів, зростання вертикального розрішення з тим, щоб отримати можливість грубого представлення планетарного приграничного шару і стратосфери, врахування вологості. • 1974 р. - складений каталог основних моделей ЗЦА. • Моделі для певних проміжків часу від місяця до десятиріч. Перевірка на основі експериментальних спостережень. Встановлена роль температури поверхні океану, альбедо і вологості грунту.

Основа моделей ЗЦА • Процеси: прогрівання за рахунок надходження короткохвилевої радіації і вихолоджування за рахунок довгохвилевого випромінення в космос. • Нагрівання - в тропічних широтах, тоді як вихолоджування переважає в полярних районах в зимовій півкулі. Широтний градієнт нагрівання визначають течії в атмосфері і океані, які забезпечують переніс тепла, необхідного для забезпечення балансу системи. • Оцінки для північної півкулі показують, що переніс тепла в океані і в атмосфері порівнювані за величиною. • Основна частина сонячної радіації, яка надходить на земну поверхню поглинається не атмосферою, а підстилаючою поверхнею. Проте в результаті випаровування водяної пари і нагріваня поверхні велика частина цієї енергії попадає в атмосферу у вигляді теплоти фазових переходів в процесі тропічної конвекції.

Мередіональна складова ЗЦА • Меридіональний переніс енергії в атмосфері середніх широт переміщенням синоптичних систем - часові масштаби порядку доби - бароклінною нестійкістю зонального потоку, який виникає завдяки відмінностям в радіаційному нагріванні. • Зональний потік зазнає додаткових збуджень, особливо в північній півкулі, під впливом орографії і контрастів суша-океан. Це здійснює суттєвий вплив на локальний клімат, а для процесів більшого масштабу приводить до концентрації перенесення бароклінності вздовж траекторій циклонів на півночі Тихого і Атлантичного океанів. • Низькочастотна мінливість – проявів квазістаціонарні "блокуючі" антициклони позатропічних і тропічних циркуляційних систем. • Ці явища можуть виникати як в результаті повільної зміни граничних умов (температура поверхні океану), так і за рахунок мінливості динамічного відгуку на фіксовані зовнішні впливи. • Прогноз таких явищ - мета прогнозу короткоперемінних змін клімату, а їх статистичний опис характеризує довгоперіодичний клімат.

Техніка моделювання • Просторова мінливість станів атмосфери апроксимується рядом дискретних величин (значень змінних в точках трьохвимірної сітки, що покриває глобус). • З допомогою моделі ці перемінні прогнозуються через регулярні інтервали часу. Об'єм обрахунків, який необхідний для просування в моделі на один крок в часі, має порядок, рівний числу дискретних значень, вибраних для представлення прогнозованих змінних. • Визначальним фактором вибору кроку є горизонтальне розрішення, так що при зміні в 2 рази найменшого з розглядуваних масштабів по горизонталі приводить до 8 кратного зростання обрахунків при інтегруванні на фіксований проміжок часу. • Точність прогнозу залежить від потужності обчислювальної техніки.

Техніка моделювання • Більшість моделей грунтуються на вирішенні системи рівнянь, відомих як повні рівняння. Вони записуються в сферичній системі координат і спрощуються з врахуванням припущення, що масштаб вертикальних рухів (до 10 км) значно менше масштабу горизонтальних рухів. • Основними прогнозними змінними є дискретизовані горизонтальні складові швидкості вітру, температури, вмісту водяної пари та приземного тиску. Вертикальний розподіл перемінних в моделі описується значеннями, що визначаються на ряді рівнів по вертикалі. Для сигма-координат тиск на стандартному рівні пропорціональний тиску на підстилаючій поверхні і координатні поверхні, піднімаються над горами, а не пересікають їх. • Для апроксимації похідних по горизонталі - спектральні методи. Спектральний метод прогнозованих змінних - вибирають вихор і дивергенцію, а не горизонтальні складові швидкості вітру, які представляються у вигляді скороченого ряду сферичних гармонік. В основі лежить метод спектральносіткового перетворення, в якому нелінійні члени розглядались на майже регулярній широтно-довготній сітці і спектральні тенденції вираховуються з допомогою квадратур.

Вимоги і недоліки до моделювання • Сучасні моделі описують основні риси клімату Землі, але в недостатній ступені описують його локальні особливості. • Дуже важливим є підтвердження теоретичних моделей результатами експерименту.

Види моделей • Гідродинамічні моделі клімату. • Моделі клімату з однорідною поверхнею землі. • Моделі клімату з неоднорідною поверхнею землі. • Моделювання ефекту “Ель-Ніньо” • Моделювання озонового шару • Моделювання стихійних явищ (торнадо, тайфуни, посухи, повені тощо)

Оцінка якості кліматичних моделей • Оцінка якості модельних кліматичних полів біля земної поверхні на основі даних про клімати минулого. • Довгостроковий прогноз – його перевірка в реальному часі. • Короткочасний прогноз і його оцінка в реальному часі. • Конструювання клімату сучасності і відшукання змін в майбутньому по принципу «сигнал-відгук»

Загроза “парникового ефекту” вимагає рішучих змін.

Щорічні суми атмосферних опадів для Альп за спостереженнями для часового періоду 1971 до 1990 (поверху; Frei et al. 2003) і REMO-модель з горизонтальним розрішенням – 10 км (unten)

Зміни льодовика 1898, 1992 і 2005

Порівняння снігового покриву для вершини Цугспітце 1890 (вверху) і 2003 (внизу). • Внизу видиме захищене місце в районі розташування бази лижного туризму. Фото 10. 8. 2003 і архівне фото • M. Weber

Наслідки • Загальні наслідки паводку літом 2005 в Баварських Альпах • Занесене селевим потоком авто в альпіському селі в Швейцарії.

Ландшафтне положення теперішнього (ліворуч) і майбутнього клімату (праворуч)

Прикладні аспекти довгострокових прогнозів • Розподіл по сезонах швидкості вітру, для обгрунтування місць будівництва вітроенергетичних станцій (ВЕУ). • Визначення передумов для формування пожарної небезпеки, особливо літом.

Моделювання Гольфстріму

Гольфстрім в системі планетарної циркуляції

Роль Гольфстріму у формуванні клімату північної Атлантики

Довгострокові прогнози погоди Деталізовані прогнози метеорологічних величин і явищ погоди або послідовності метеорологічних систем на місяць, на сезон і далі є ненадійними. Хаотичний характер рухів в атмосфері визначає основна межа передбачуваності порядку 10 днів для таких детерміністичних прогнозів. Передбачуваність середніх аномалій температури й опадів існує протягом більш тривалого періоду завдяки, в основному, взаємодії між атмосферою й океаном, а також поверхнею суші і льоду. Разом з тим, у порівнянні з атмосферою океан вивчений мало, і тому подальший прогрес у довгостроковому прогнозуванні погоди неможливий без активізації досліджень регіональних і глобальних процесів в океані.

Прогноз зміни иемпературного поля Землі при різних ступенях зростання. University of Bonn