Klima, klimatske promjene

i klimatsko modeliranje

Čedo Branković

cedo.brankovic@cirus.dhz.hr

Zagreb, 16. svibnja 2017

Sadržaj

1. Klima i klimatske promjene

2. Opažene klimatske promjene, klimatska varijabilnost i ekstremi

3. Klimatski modeli i modeliranje klime

4. Neki rezultati modeliranja buduće klime

Klima – neke definicije

* Klimu nekog područja definiramo kao skup srednjih ili očekivanih vrijednosti

meteoroloških elemenata i pojava (osrednjeno vrijeme)

* Klima se definira za razdoblje od najmanje 30 godina (preporuka WMO)

* Na klimu utječu: Sunčevo, Zemljino i atmosfersko zračenje, oceanske i zračne

struje, zemljopisna širina, razdioba kopna i mora, reljef, nadmorska visina,

udaljenost od mora ili većih vodenih površina, razdioba kopnenog i morskog

leda, sastav tla, biljni pokrov, djelovanje čovjeka

* Klima se klasificira prema vrijednostima srednjaka i tipičnog raspona

vrijednosti klimatskih elemenata kontinentalna, planinska, primorska,

oceanska, pustinjska, tropska, monsunska, arktička, itd.

* Klima je samo “vanjska” manifestacija klimatskih procesa, dinamike i

međudjelovanja komponenata klimatskog sustava: atmosfera, oceani, ledeni

pokrov, tlo, vegetacija

* Elementi vremena ujedno su i elementi klime

Srednja količina oborine u proljeće

157

198

209

384 347

194

319

197

197

266

183

Srednja količina oborine u ljeto

211

278

288

384 310

150

259

129

165

176

236

Klima Hrvatske za razdoblje 1961-1990

Izvor: Zaninović i sur. (2008) Atlas klime Hrvatske (DHMZ)

* Klimatske promjene su značajne i trajne promjene u statističkoj razdiobi

vremenskih pojava (na vremenskim skalama od dekada do milijuna godina)

* Klimatske promjene nastaju zbog promjene u energetskoj ravnoteži Zemlje

Klimatske promjene

Godišnje anomalije temperature na sjev. hemisferi

(u odnosu na razdoblje 1961-1990)

Klima B Klima A

Izvor: Kennedy i sur., Weather (2016)

Energetska ravnoteža Zemlje

Izvor: forecast.weather.gov/jetstream/atmos/energy_balance.htm

Energetska ravnoteža Zemlje

* Apsorpcija od strane atmosferskih plinova: uloga vodene pare i CO2

* CO2 apsorbira termalnu infracrvenu energiju (toplinu) u nekim valnim

dužinama energetskog spektra u kojima su drugi plinovi (na pr. vodena para)

transparentni.

* Zbog apsorpcije termalne energije koju zrači površina Zemlje, CO2 “remeti”

energetsku bilancu Zemlje

Izvor: earthobservatory.nasa.gov

CO2 u atmosferi

Izvor: climate.nasa.gov/climate_resources/24/

Izvor: www.skepticalscience.com/CO2-

emissions-correlation-with-CO2-

concentration.htm

Razina CO2 (ppm) od - 400 Ky Emisija i razina CO2

ledeno doba interglacijalno razdoblje

Koncentracija CO2 u atmosferi na opservatoriju Mauna Loa, Havaji (crveno) i

Južnom polu (crno).

CO2 u atmosferi

* Porast temperature od 1970-tih je izuzetno izražen, osobito na sjevernoj

hemisferi, i podudara se s porastom koncentracije CO2

Izvor: IPCC WGI, 2013

* Klimatske varijacije su promjene u vrijednostima klimatskih elemenata unutar

razdoblja koja su kraća od klimatskog razdoblja

* Klimatske varijacije ne ukazuju da je došlo do klimatske promjene

Klimatska varijabilnost

Godišnje anomalije temperature na sjev. hemisferi

(u odnosu na razdoblje 1961-1990)

Klima B Klima A

klimatske

varijacije

Izvor: Kennedy i sur., Weather (2016)

Klimatska (međugodišnja) varijabilnost

Ljetna oborina u Hrvatskoj 2009-2016

2009 2010 2011 2012

2013 2014 2015 2016

Zagreb-Maks 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Z P Lj J G

t (°C) 61-90 -0.8 1.9 5.9 10.6 15.3 18.5 20.1 19.3 15.8 10.5 5.3 0.9 0.7 10.6 19.3 10.5 10.3

71-00 0.3 2.3 6.4 10.7 15.8 18.8 20.6 20.1 15.9 10.5 5.0 1.4 1.3 11.0 19.8 10.5 10.7

tmax

(°C)

61-90 2.6 6.0 11.3 16.3 21.1 24.2 26.3 25.6 22.1 16.1 9.2 3.9 4.2 16.2 25.3 15.8 15.4

71-00 3.7 6.8 11.9 16.3 21.5 24.5 26.7 26.3 22.1 15.8 8.9 4.6 5.0 16.6 25.8 15.6 15.8

tmin

(°C)

61-90 -4.2 -1.9 1.2 5.1 9.2 12.6 14.1 13.7 10.6 5.9 1.6 -2.2 -2.7 5.1 13.5 6.0 5.5

71-00 -3.0 -1.8 1.6 5.2 9.8 13.0 14.7 14.4 10.8 6.2 1.4 -1.7 -2.2 5.5 14.0 6.1 5.9

tmax d

≥ 25°C

(topli)

61-90 0.1 0.9 5.8 13.4 20.0 17.3 7.9 0.6 6.7 50.7 8.5 65.9

71-00 0.1 0.7 7.1 14.1 21.3 20.0 8.0 0.8 7.9 55.4 8.8 72.1

R (mm) 61-90 46 42 56 64 79 100 83 95 79 69 81 58 147 198 278 230 852

71-00 43 39 53 59 73 95 77 92 86 83 80 60 139 185 265 249 840

S≥1 cm

(d)

61-90 13.4 8.1 2.8 0.1 2.6 8.2 29.7 2.9 2.6 35.2

71-00 10.3 7.1 1.8 0.2 2.9 6.7 24.5 2.0 2.9 29.0

magla

(d)

61-90 12.0 5.9 2.2 0.8 0.8 0.8 0.6 1.4 4.7 8.6 9.1 11.3 29.2 3.9 2.8 22.5 58.4

71-00 9.6 3.9 2.0 0.8 0.7 0.7 0.6 1.0 4.0 7.9 8.7 10.7 24.2 3.5 2.3 20.6 50.6

Izvor: Zaninović i sur. (2008) Atlas klime Hrvatske (DHMZ)

1961 1971 1990 2000

Da li se klima mijenja?

1961-1990 vs. 1971-2000

Opažene klimatske promjene (Zagreb-Grič)

Odstupanja godišnje temperature u odnosu na razdoblje 1961-1990

Autor: K. Zaninović (DHMZ)

Uzroci klimatskih promjena

* Promjene u energetskoj ravnoteži Zemlje

* Prirodni uzroci: - varijacije u sunčevom zračenju

- varijacije u rotaciji i orbiti Zemlje

- vulkanske erupcije ...

* Ljudski utjecaj: - deforestacija

- korištenje zemljišta

- izgaranje fosilnih goriva ...

Zbog ljudskog utjecaja dolazi do povećanje razine stakleničkih plinova,

aerosola, promjene u ozonskom omotaču, ...

Izvor:

uk.pinterest.com/explore/milankovitch-cycles/

Klimatske promjene i ekstremni događaji

* Učestalost nekog događaja (temperatura zraka)

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

Klima A

Klima B

Promjena učestalosti događaja uz

povećanu klimatsku varijabilnost

pomak prema

toplijoj klimi

u klimi B

povećava se učestalost

toplih ekstrema

u klimi B

smanjuje se učestalost

hladnih ekstrema

učesta

lost

Modeliranje klime - 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

* Kompleksnost - nelinearnost jednadžbi, milijuni stupnjeva slobode, povezani

podsustavi (feedbacks)

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

* Zbog razmjerno grube rezolucije (150-250 km) GCM su neprikladni za

istraživanje klime na lokalnim i regionalnim skalama

* RCM “ugniježđeni” u GCM: početni i rubni uvjeti od globalnih modela –

dinamička prilagodba (downscaling)

“fina”

horizontalna

rezolucija

“gruba”

horizontalna

rezolucija

Izvor: www.meted.ucar.edu

Modeliranje klime - simulacija opažene klime

prirodni utjecaj

prirodni + antropogeni utjecaj

Izvor: van Vuuren i sur., Climatic Change (2013)

Modeliranje klime - scenariji klimatske budućnosti

Trendovi koncentracije stakleničkih plinova u budućoj klimi

* RCP – representative concentration pathways: 2.6, 4.5, 6.0, 8.5

* Kumulativna mjera ukupne čovjekove emisije plinova staklenika u 2100. –

mogući doseg radijacijskog forsiranja

* U RCP8.5 kontinuirani porast koncentracija stakleničkih plinova

* U RCP4.5 i RCP2.6 stabilizirajući trend za koncentracije CO2

CO2 metan

dušikov

oksid

Izvor: IPCC (2013)

Globalna promjena srednje temperature

Validacija klimatskih modela Dva ekstremna scenarija

RCP 8.5

RCP 2.6

Simulacija stvarne

(historijske) klime

Projekcije stanja buduće klime

Modeliranje klime – buduće klimatske promjene (GCM)

* Vremenska evolucija

RCP 4.5

RCP 6.0

Modeliranje klime – buduće klimatske promjene (GCM)

* Prostorna razdioba promjene za 2081-2100 u odnosu na 1986-2005

Temperatura (°C)

Oborine (%)

RCP 2.6 RCP 8.5

Izvor: IPCC (2013)

Modeliranje klime - budući ekstremni događaji klimi (RCM)

Izvor: Hawkins, Weather (2011)

Promjena ljetne temperature u Europi

2050

Koncem stoljeća ljeta u

Europi neće biti tako

hladna kao ljeto 2003

U 2050 će ljetna

temperatura iz 2003

biti normalna

Modeliranje klime - neizvjesnosti

Uz modeliranje klime i klimatskih promjena vezane su mnoge neizvjesnosti

* Prirodna varijabilnost klimatskog sustava

- prirodne fluktuacije mogu “zamaskirati” buduće klimatske promjene

* Nesavršenost klimatskih modela

- ograničeno razumijevanje klimatskog sustava

- neadekvatnost numeričkih rješenja (aproksimacije)

- parametrizacije nerazlučivih procesa – turbulencija, mikrofizika oblaka,

konvekcija, ... (različiti modeli daju različite “odgovore” na isto prisilno

djelovanje)

- neizvjesnost u početnim uvjetima (kaotični sustavi)

* Nepoznavanje buduće koncentracije plinova staklenika

- ovisna o veličini populacije na Zemlji, industrijskom i tehnološkom

razvitku, ... (neizvjesnost scenarija)

Izvor: Hawkins and Sutton, Bulletin of American Meteor. Society 2009

Modeliranje klime - ansambl simulacije

* Kako “umanjiti” neizvjesnosti u projekcijama buduće klime?

- integracije s različitim modelima

- integracije s različitim scenarijima

- integracije prema istom scenariju ali s različitim početnim uvjetima (kako

bi se uvažila unutarnja varijabilnost klimatskog sustava)

* Ansambl (ensemble) simulacijâ: raspon mogućih stanja buduće klime

* Informacija o neizvjesnosti može se uključiti u istraživanje utjecaja

klimatskih promjena na gospodarstvo i u donošenje odluka o prilagodbi na

klimatske promjene

Modeliranje klime – računalna tehnologija

* Izračuni budućeg stanja atmosfere (projekcije buduće klime) su računalno

vrlo zahtjevni

* Koriste se super-računala (HPC, HPCF)

* Super-računalo (klaster) VELEbit (SRCE):

- 64 radna čvora s ukupno 1792 procesorske jezgre

- 6 spremišnih čvorova

- 220 TB standardnog spremišta

- 12 TB brzog spremišta (SSD diskovi)

- 44.4 TFLOPS-a

- potrošnja energije 28 kW

Modeliranje klime u RH

* Regional Climate Model – RegCM (na DHMZ-u od 2003)

* Grupa za fiziku Zemljinog sustava (Earth System Physics) pri International

Centre for Theoretical Physics (ICTP), Trst, Italija

* MZOE: Strategija prilagodbe klimatskim promjenama - prilagodba-klimi.hr

* RegCM4.2 - horizontalna rezolucija od 50 km i 12.5 km, RCP4.5 i RCP8.5

- rubni uvjeti od 4 različita GCM-a

Temperatura zraka (srednjak ansambla) RegCM, 50 km, RCP4.5 P0=1971-2000, P1=2011-2040, P2=2041-2070

P0

P1-P0

P2-P0

Zima Proljeće Ljeto Jesen

1.2 ºC 1.2 ºC 1.0 ºC 1.1 ºC

2-2.1 ºC 1.9-2 ºC 1.8-1.9 ºC 1.9 ºC

Modeliranje klime - rezultati

Promjena broja dana s tmin > 20 ºC (tropske noći) RegCM, 50 km

(srednjak ansambla, ljeto) P1=2011-2040, P2=2041-2070 (P0=1971-2000)

P1-P0

P2-P0

RCP4.5 RCP8.5

3-5 d 3-7 d

6-9 d 9-17 d

P0

1-3 d

Modeliranje klime - rezultati

Broj sušnih razdoblja (barem 5 dana s R < 1 mm) RegCM, 50 km, RCP4.5 P0=1971-2000, P1=2011-2040, P2=2041-2070

P0

P1-P0

P2-P0

Zima Proljeće Ljeto Jesen

2.5 do 3 3

-1 do -2

do -1 do 2

1

1 do 2

1 do 2

3

do 1

0.5

3.5

Modeliranje klime - rezultati

Hvala na pažnji!

Climate variability and climate change * Frequency of occurrence

Source: Beniston and Goyette, Global and Planetary Change (2007)

Shift in the frequency of occurrence with same variability

Shift in the frequency of occurrence with increased variability

Climate A

Climate B

Climate A

Climate B

Modeliranje klime Neizvjesnosti

* Prognoza klimatskog trenda kao indikator mogućeg razvoja

Neizvjesnost Srednjak i rasap

Individualna simulacija

Prirodna fluktuacija

Izvor: Hawkins, Weather 2011

RCM rezultati (output regionalnih klimatskih modela)

* Osnovni klimatološki parametri: prizemna temperatura, ukupna oborina,

brzina vjetra, tlak zraka, evapotranspiracija, vlažnost zraka, ukupna naoblaka,

isparavanje, površinsko otjecanje, insolacija, ...

* Ali i: dnevna max temperatura, dnevna min temperatura, konvektivna

oborina, visoka (srednja, niska) naoblaka, komponente vjetra, varijable na

različitim visinama (temperatura, vlažnost, komponente vjetra), pokrivenost

snijegom, ...

* Primjena:

- broj dana s temperaturom > ili < od zadanog praga

- toplinski valovi: broj dana s max temperaturom > od zadanog praga

- broj dana s količinom oborine > ili < od zadanog praga (vrlo kišni dani)

* Prikazi:

- godišnje, sezonske, mjesečne vrijednosti

- karte, tablice (excel, ...)