SK

Thermohaline - Experiment prenosu tepla morskými prúdmi

Táto stránka opisuje prvý zo sekundárnych experimentov. V tomto experimente sa skúmajú účinky spomalenia severo-atlantickej obrátenej poludníkovej cirkulácie (tiež známej ako thermohaline cirkulácia - ďalej THC).

Podrobnosti o experimente nasledujú. Tento sub-experiment vedú Nick Faull (klimatoléogia) a Tolu Aina (výpočtové prostriedky).

 Experiment nie je predikciou pravdepodobnosti zníženia intenzity THC. V tomto experimente je vkladaná redukcia THC v súlade so skoršími experimentmi so spojeným modelom od Hadley Centre a štúdiou atmosferickej reakcie. Súšasná fáza projektu používa atmosferický model od Hadley Centre v spojení so zjednodušeným termodynamickým ("slab - plošným") oceánom, ktorý zahrňuje jednoduchú vrstvu oceánu so stanoveným prenosom tepla a slanosti. Vkladajú sa povrchové polia, ktoré reflektujú reakciu plne-spojeného modelu na vložené spomalenie THC. Experiment je teda v súlade s predchádzajúcim spojeným modelom pracujúcim s rovnakým modelom pri rovnakom rozlíšení. Podstata tohoto THC experimentu je pozorovať, ako by atmosféra reagovala na podobné zmeny v oceáne, dané spomalením THC. Pretože (v tejto etape) sa používa len plošný oceán (toto sa bude meniť v neskorších fázach projektu), nemožno dosiaľ sondovať spätné väzby dynamických reakcií atmosféry späť na oceán.

Motivácia THC Experimentu

Motiváciou pre THC experiment je pozorovať citlivosť THC na antropogénne ovplyvňovanie klímy. Prudké klimatické zmeny sa stali v geologicky nedávnej minulosti, a ich časová koincidencia s vytváraním severo-atlantického útvaru hlbinnej vody, predpokladá aktívnu úlohu THC v týchto prudkých zmenách klímy. Výsledky modelovania odhaľujú rozsiahle účinky THC na zahrievanie vysokých zemepisných šírkok a osvieženie, charakteristické pre scenáre globálneho otepľovania. Mnohé modely indikujú mierne oslabenie THC, ale niektoré modely produkujú podstatné zníženie THC v dôsledku dostatočne silného vnucovania - ovplyvňovania.

Neistota ohľadne reakcie THC na antropogénne vnucovanie je kritická v identifikovaní a porozumení fyzikálnych procesov, ktoré riadia stabilitu THC. Doposiaľ je všeobecne uznávané že minulé zmeny v THC boli spúšťané veľkými množstvami sladkej vody vytekajúcej z pevninského ľadovcového príkrovu v Severnom Atlantiku. Avšak v budúcnosti, môže zvýšenie kolobehu vody zmeniť sladkovodnú bilanciu v Severnom Atlantiku dostatočne na vyvolanie celkom odlišnej dynamiky THC. V tejto súvislosti nie je nepravdepodobné, že dôležité zložky klimatického systému sú diaľkovo riadené. [Príkladom toho je predpokladaný dopad teploty povrchu oceána (sea surface temperatures - SST) prenášanej v Tichom oceáne na sladkovodnú bilanciu v Severnom Atlantiku, a teda na THC.] Ešte iná motivácia k štúdiu stability THC je dôkaz kompilovaný modelmi rôznej zložitosti, že THC nemôže byť ďaleko od prahu nestability a že sa môžeme pravdepodobne priblížovať k následkom skleníkového oteplovania.

Podrobný opis THC experimentu

   Kľúčový determinant možných zmien v THC počas nastávajúceho storočia je atmosferický kolobeh vody, reagujúci na vonkajšie vybudenie (stimulované prevažne CO₂) teplotných zmien a na zmeny THC samotného. Reakcia kolobehu vody na CO₂, hlavne rozsah vybudenia zmeny sladkej vody v Severnom Atlantiku, určuje veľkosť pravdepodobne najväčšieho z vonka spôsobeného ovplyvnenia THC v nastávajúcich desaťročiach. Reakcia kolobehu vody na povrchové prúdenie tepla doprevádzajúce akékoľvek zmeny THC (či interne alebo externe generované) určuje či atmosféra pôsobí na zosilnenie alebo útlm vývoja anomálií oceánskej cirkulácie.

Toto je oblasť značnej neistoty v súčasnosti z dvoch hlavných dôvodov.

1. Zmeny zrážok sú mimoriadne citlivé na detaily determinovaných parameterizácií v modeloch, najmä na regionálnej úrovni, zrkadlila vo veľmi širokom rozsahu reakcií zrážok na stúpajúci CO₂ relatívne k reakciám teploty v, napríklad, CMIP-2 projekte vzájomného porovnania modelov.

2. Mechanizmy riadenia rozsiahlych medziročných reakcií kolobehu vody na externé vnucovanie sú také že najviac zmien zrážok pozorovali počas dvadsiateho storočia boli, na rozdiel od súčasných teplotných zmien, poháňané prirodzeným (v krátkych periódach) vnucovaním. Preto, nedávne pozorovacie záznamy poskytujú oveľa menší priamy nátlak na zmeny zrážok v budúcnosti než to robia budúce trendy teploty. Rovnováha medzi krátkodobým vnucovaním, dlhodobým vnucovaním a termálnou reakciou sa bude takmer určite podstatne meniť v priebehu nasledujúcich 30 rokoch relatívne k predchádzajúcim 30 rokom, smerom k omnoho väčšej neistote zmeny zrážok v budúcnosti relatívne k budúcnosti teplotných zmien.

   Predošlé výsledky vzájomného porovnania modelov dokazujú, že hocijaké štúdium reakcie rozsiahleho kolobehu vody na externé vnucovanie musí vykazovať neistotu modelu. Štúdie "perfektného modelu", ktoré sú založené výhradne na jednej špecifickej reprezentácii atmosféricko-oceánskeho systému, nezachytávajú svojou konštrukciou to, čo pravdepodobne môže byť najdôležitejším zdrojom neistoty v probléme. Doloženie neistoty modelu v predpovedi klímy je stále v "v plienkach", ale v posledných rokoch bolo vidieť značný pokrok pri vývoji prvej množiny systémov predpovedania s "narušenou fyzikou" pre analýzy reakcie na antropogénne (CO₂) vnucovanie. Tento projekt bude ako prvý ponúkať metodológiu množiny s "narušenou fyzikou" k štúdiu úlohy kolobehu vody v možnej rýchlej zmene klímy.

Metodológia:

   V podstate, táto metodológia rozširuje climateprediction.net projekt, použitím distribuovaného výpočtu k budovaniu množiny simulácií s "narušenou" fyzikou od rozsahu reakcií na zvýšenie CO₂, k nedávnym štúdiám od Donga a Suttona (2002) a Palmera (2002), skúmajúcich reakcie konkrétneho modelu atmosféry na zmenu v THC. Pod climateprediction.net, aktuálny model klimatickho rozlíšenia všeobecnej atmosferickej cirkulácie (štandardná verzia HadAM3 modelu, s rozlíšením zemepisnej dĺžky/zemepisnej šírky 3,75 na 2,5 stupňa a 19 úrovní vo vertikále) je spojený s modelom jednoduchého termodynamického "plošného" oceánu. Vlastnosti modelu atmosféry sú potom zmenené použitím niektorej kombinácie porúch až cez 20 parametrov (vrátane prepínačov, ktoré dovoľujú, aby celé podsystémy modelu boli aktivované alebo deaktivované) a výsledný "narušený" model je distribuovaný k dobrovoľnému účastníkovi v projekte pre výpočet na osobnom počítači.

Štandardný climateprediction.net experiment zahrňuje 15-ročnú integráciu, v priebehu ktorej teploty povrchu oceána sú dôrazne zmiernené späť k súčasným pozorovaným podmienkam a pole konvergencie tepelného toku oceána (Ocean Heat Flux Convergence - OHFC) je vypočítané pre vyrovnanie vyplývajúceho pohlcovania povrchového tepelného toku z atmosféry. Toto je nasledované 15-rokmi "riadenej" fázy s pred-priemyselnými CO₂ úrovňami, a 15-rokmi fázy "dvojnásobného CO₂" v ktorej CO₂ úrovne sú zvýšené až na 560 ppmv (ppm = 1.10^-6). Štandardná diagnostická séria zahrňujúca približne 0,5 GB výstupu je archivovaná na osobnom počítači účastníka, až kým súbor súhrnnej diagnostíky (~5 MB na experiment) je automaticky odsunutý do jedného zo serverov projektu na konci experimentu. Tieto súhrnné diagnostiky poskytujú indikáciu rozsahu chovania naprieč množinou, ako aj zvýraznenie obzvlášť zaujímavých kombinácií parametrov, pre ktoré je možné buď žiadať, aby celý archív bol odsunutý (ak účastníkovo internetové pripojenie dovolí), alebo zopakovať spustenie prostriedkami projektu.

V tomto revidovanom experimente bude ďalšia OHFC perturbácia aplikovaná na konci fázy dvojnásobného CO₂ štandardného experimentu, k reprezentovaniu zmeny v sieti povrchového tepelného toku oceán - atmosféra, ktorá by mohla vyplynúť z podstatného zníženia THC a model integruje ďalších 15 rokov. Hoci väčšina modelov nedosiahne rovnováhu do konca tejto periódy, spätné väzby v nastavení plošného oceánu sú dostatočne blízko lineárnym v zmene teploty na stav nerovnováhy odvodenej od historického času a energetickej bilancie reakcie. Ako dodatočná kontrola, ale, perturbačná fáza OHFC bude spustená na konci 14. roka fázy dvojnásobného CO₂, čím sa zaistí 1 rok prekrytia medzi skončením jednej fázy a začiatkom nasledujúcej. S množinou počiatočných podmienok toto prekrytie poskytne informáciu o linearite reakcie teploty keď "porucha" OHFC je aplikovaná.

   Táto perturbácia tepelného toku je odvodená bezprostredne z práce Palmera (2002), ktorý použil viacnásobné regresné analýzy k separovaniu OHFC zmien súvisiacich s anomáliami vlnenia spôsobených vetrom (ktoré ovplyvňujú nejaký index THC ale bezprostredne sa netýkajú thermo-haline signálu) od OHFC anomálie spojenej s THC fluktuáciami v riadení variability spojeného modelu HadCM3.

   Palmer (2002) uskutočnil experiment v ktorom tento vzorec reakcie OHFC bol kalibrovaný s odpoveďou až ~50 % zníženia THC hodnoty oproti HadCM3 kontrolným hodnotám a získané stredné globálne ochladenie ~2 K v odpovedi, v porovnaní s Vellingerom a Woodom (2002) ktorí dosiahli takmer kompletným THC výsledok spojený so stredným globálnym ochladením ~4 K. Zámyslom je spočiatku použiť dvojité Palmerove (2002) perturbácie, hoci nastavenie množiny s "narušenou fyzikou" vyrába impozantnú rozmanitosť OHFC perturbácií veľmi zrejme, a citlivosť reakcie na predpísanú sústavu a amplitúdu bude preskúmaná v priebehu tohoto projektu. Ďalšia Palmerova (2002) prídavná OHFC perturbácia je sezónne premenlivá.

   Porovnanie strednej reakcie zrážok v oblasti severného Atlantiku, kam Vellinga a Wood (2002) položili sladkovodné vnucovanie na ovplyvnenie spomalenia THC odhaľujú, že veľkosť (a snáď dokonca signo) spätnej väzby atmosferického kolobehu vody na zmeny THC je veľmi citlivá na rozhodujúce aspekty formulácie modelu atmosféry. V tomto projekte sa budú používať diagnostiky vrátené z množiny s "narušenou fyzikou" k identifikovaniu kombinácií parametrov, ktoré majú za následok atmosféry ktoré sú (1) citlivé na budiaci CO₂; (2) citlivé na THC zmeny s reakciou zrážok dávajúcou kladnú spätnú väzbu a (3) relatívne realistické v zmysle svojej základnej klímy. Bude ohodnotené nakoľko aktuálne pozorovania dovolia zostrojiť množinu v týchto "patologických" priestorových parametroch a zostaviť rozsah reprezentatívnych štatistických modelov možných atmosferických reakcií na internú oceánsku variabilitu, CO₂ a zmeny THC pre použitie ako horných hraničných podmienok v štúdiách predpovedateľnosti oceánskeho THC.