Klimatški model

Klimatski model je matematična predstavitev dogajanj na zemeljskem površju. Opisuje klimo, značilno povprečje vremenskih spremenljivk in njihovih dnevnih in sezonskih nihanj. Sestavljen je na podlagi fizikalnih spoznanj in zakonov in je statisitčni opis povprečnih stanj spremenjivk v klimatskem sistemu. Cilj modelov je kar najbolj natančno predstaviti klimatske razmere in ugotoviti vplive različnih dejavnikov na njih. Z modeli skušamo tudi napovedovati spremembe, ki se utegnejo zgoditi v prihodnosti na podlagi dogajanj v sedanjosti.

Na zemeljskem površju potekajo številni procesi, ki so različnih velikostnih redov in imajo različne medsebojne vplive.  Modele je zato nemogoče reševati na celotnem prostoru, saj bi morali upoševati vsak majhen del atmosfere posebej. Površje zato razdelimo na tridimenzionalno mrežo, podobno tisti, ki jo poznamo iz geografije, le da vsebuje še vertikalne plasti. Modeli se rešujejo na posameznih točkah v prostoru. Upoštevani so osnovni fizikalni principi – ohranitev mase, energije in gibalne količine. Nekatere enačbe moramo zaradi poenostavitve prostora aproskimirati – take so Navier-Stokesove enačbe za dinamiko tekočin. Nekaj je tudi faktorjev, ki jih moramo upoštevati na podlagi empiričnih ugotovitev – odvisnost izhlapevanja od hitrosti vetra je ena njih. Posledica razdelitve prostora pa je tudi to, da model »ne vidi«, kaj se dogaja na skali, manjši od enote prostora v mreži. Tudi ta dogajanja, rečemo jim podmrežne spremenljivke, moramo opisati, načinu opisovanja pa rečemo parametrizacija. Ravno ta določitev spremenljivk pa je ena glavnih razlik med modeli, saj jih klimatologi različno opredeljujejo.

Za reševanje modelov je pomembno, kakšni pogoji veljajo na določenem intervalu, na primer kakšno je sončno sevanje, albedo podlage, povprečna vlažnost ... Zato pravimo, da je napovedovanje klime problem robnih pogojev. Na sistem vpliva siljenje, ki ga opišemo kot spremembo robnih pogojev. Ima lahko naraven ali antropogen izvor. Primer naravnega siljenja so spremembe v energijski bilanci pri sončnem sevanju, antropogenega pa spremembe v količini aerosolov v ozračju. Modeli opisujejo, kako tako siljenje vpliva na klimo in njen odziv na njih.

Slika 1: Mreža klimatskega modela in fizikalni procesi v modelu (povzeto po: http://www.drroyspencer.com/2009/07/how-do-climate-models-work/, 8.1.2012 )

Iz istega vzroka kot prostor je v modelu potrebno razdeliti tudi čas. Z modeli raziskujemo spremembe klime na daljšem časovnem obdobju, zato bi bil kratek časoven interval med posameznimi izračuni zelo podaljšal čas reševanja modelov. Pomembno pa je, da zajamemo vse spremembe, ki se zgodijo v časovnem intervalu na razdalji ene celice sistema. Nekatere spremembe so hitrejše, recimo gibanje zraka, in jih zato moramo upoštevati v krajšem časovnem intervalu kot pa na primer sevanje sonca. Podobno je v oceanih, kjer velikosti celic ne smejo presegati hitrosti tokov.

Modeli so veliko prezapleteni za preprosto in hitro računanje. Rešujejo se v večjih klimatoloških znanstvenih središčih, kjer za ta namen uporabljajo močne superračunalnike, ki za to porabijo na stotine ur. Popreproščen klimatski model lahko poženete tudi na lastnem računalniku, nahaja se na http://edgcm.columbia.edu/.

Klimatski model nam ob ponovnem zagonu ob samo rahli spremembi pogojev ne bo dal enotnih rezultatov. Zato je model zagnan velikokrat, da dobimo statistični ansambel meritev. Povprečje teh meritev je običajno najboljši približek dejanskemu opisu klime. Izkaže se, da dobimo najboljši približek tako, da povprečimo rezultate čim več različnih klimatskih modelov.

Modele lahko preverjamo tudi s preteklimi razmerami, še posebno v zadnjih 30 letih, odkar so na voljo visokokakovostni meteorološki podatki iz satelitov. Model postavimo na neko preteklo točko in preverjamo, kako natančno nam opisuje pretekla, že znana dogajanja. Posebej je zanimivo pogledati, kako na modele vplivajo posamezna siljenja in dogodki. Znan je primer izbruha vulkana Pinatubo na Filipinih leta 1991, ki je postal del nekakšnega naravnega eksperimenta, na podlagi katerega so znanstveniki preverili natančnost svojih modelov v primeru spremembe količine aerosolov in ostalih snovi v zraku.

 

Slika 2: Spreminjanje temperature površja skozi 20. stoletje. Črna črta je izmerjeno povprečje, rdeča pa povprečje vseh modelov. Rumene črte so izračuni posameznih modelov. Označeni so posamični vulkanski izbruhi. (vir: Randall, D.A., R.A. Wood et al., 2007: Climate Models and Their Evaluation. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Cambridge University Press, Cambridge)

Če primerjamo meteorološki s klimatskim modelom, nam prvi služi na krajših časovnih skalah. Z njim skušamo napovedati kar najbolj natančno, kako se bodo vremenske razmere spreminjale nekaj dni vnaprej. Da lahko napovemo, kako se bo to dogajalo, potrebujemo podatke v točkah mreže, na podlagi katerih potem poženejo numerični model. Te podatke nam priskrbijo meterorološka opazavanja, ki se izvajajo vsak dan. Napovedovanje vremena je zato problem začetnih pogojev in modeli so zelo občutljivi na spremembe v njih, rezultati pa hitro postanejo precej nedoločeni, saj rešujejo kaotične enačbe. Mreže v meteorološkem modelu so bolj goste, časovni koraki pa krajši. Najboljši vremenski modeli imajo slabo klimatološko napovedljivost.

Ker moramo na verodostojen način predstaviti vsa dogajanja in medsebojne vplive na zemljinem površju, moramo na to gledati kot na celoto. Globalni klimatski model  skuša opisovati tako procese v atmosferi kot tudi v oceanih in drugih komponentah površja. Zanj je značilna manjša resolucija, ker se numerično izračunava po celotni zemeljski površini. Sestavljen je iz ločenih modelov za posamezne komponente in vsebuje algoritme za njihovo medsebojno interakcijo. Ti se rešujejo posebej in jih je potrebno združiti na primeren način.

Slika 3: Velikost tipične modelske napake globalnih klimatskih modelov pri določanju temperature površja (vir: Randall, D.A., R.A. Wood et al., 2007: Climate Models and Their Evaluation. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Cambridge University Press, Cambridge))

Globalni klimatski model ima dobro napovedljivost temperature površja, malo slabšo pa količine in intenzitete padavin ter količine morskega ledu pozimi v polarnih območjih. Dogajanja na kopnem je težko opredeliti, saj primanjkuje znanstvenih podatkov o določenih fizikalnih procesih. To je povezano tudi z biosfero – treba je recimo upoštevati, ob kakšnih pogojih spomladi drevje požene listje in s tem spremeni parametre evapotranspiracije, albeda in količine ogljikovega dioksida v ozračju. Sposoben je tudi napovedati količino ekstremnih dogodkov, navkljub veliki mreži, malo manj pa intenzivnost teh dogodkov.

Ker je globalni klimatski model zapleten in dolgotrajen za reševanje, obstajajo popreproščeni modeli z nižjo kompleksnostjo, ki se jih prilagodi, da nam dajo odgovore na specifična vprašanja, na primer kako se spreminja temperatura ob različnih trendih zviševanja koncentracije CO2. Poenostavijo veliko procesov in porabijo veliko manj računalniških sredstev in časa.

Regionalni modeli so potrebni zaradi nizke ločiljivosti globalnih. Taki modeli so posebej zanimivi za Slovenijo, ker pri nas klimatske razmere precej varirajo. Na tak način lahko povečamo resolucijo modela, in tako podrobneje vključimo orografijo in nekatere druge podmrežne procese. Delujejo kot povečevalno steklo, upoštevati moramo pa nekatera načela, npr. da bi globalni model ob isti resoluciji dal enake rezultate. Taki modeli vzamejo podatke iz globalnih tako, da jih upoštevajo kot robne pogoje, podobno kot to storijo meteorološki modeli.

 

Slika 4: Prilagoditev mreže v regionalnih modelih omogočajo boljšo predstavitev orografije. Na levi je ločljivost 120 km, sredini okoli 10 km in desni 2.5 km. (vir: Žagar, N., J. Rakovec, G. Skok in L. Honzak, 2011: Izzivi regionalnega klimatskega modeliranja. V: Kuhar, M. (ur.). Raziskave s področja geodezije in geofizike 2010 : zbornik predavanj. V Ljubljani: Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, 2011, str. 69-85.)

Viri in literatura