SK

Klimatológia - experimentálna stratégia

Každý klimatický model musí robiť niekoľko aproximácií, nazývaných parametrizácie. Pre dočítanie sa viac o tomto, kliknite tu.  V zásade to znamená, že sú čísla v modeli, ktoré sú dané určitou pevnou hodnotou, ale táto hodnota nie je známa naisto a rozsah hodnôt by mohol byť rovnako reálny. Experimenty vyšetria vplyv na modelovanú klímu variujúc hodnoty 20 najslabšie pochopených parametrov v modeli - takých ako vzťah medzi počtom dažďových kvapiek v mraku a koľko skutočne naprší (pre prehľad všetkých 20 parametrov kliknite tu). Je možné, že niektoré kombinácie parametrov môžu replikovať minulú klímu dostatočne dobre, ale produkovať značne rozdielne predpovede na to, čo sa môže stať v budúcnosti. Niektoré kombinácie parametrov nepracujú vôbec, produkujú úplne nereálnu klímu (napríklad Zem ktorá vrie alebo mrzne, alebo osciluje medzi veľmi horúcou a veľmi chladnou každých pár rokov) a pravdepodobne model havaruje. Nie je možné dopredu povedať, aké tieto kombinácie budú.

Niektoré veci, ktoré nepovažujete za súčasť klímy, majú napriek tomu obrovský vplyv na klímu - napr. sopky (po erupcii Pinatubo v r. 1991 popol ňou vychrlený ovplyvňoval klímu niekoľko rokov), slnečná aktivita a, pochopiteľne, zloženie atmosféry. Tieto veci nazývame mechanizmy vnucovania, pretože keď sa zmenia, vnútia zmenu klíme.

'Mávanie motýlích krídel v Brazílii môže vyvolať tornádo v Texase.' Tento slávny citát zhŕňa skutočnosť, že veľmi malé zmeny, ktoré začínajú na svete teraz, môžu mať obrovský vplyv na to, čo sa stane v budúcnosti. Keďže nemôžeme mať perfektné vedomosti o tom, čo začína teraz (do stupňa konkrétneho motýľa) znamená to, že na produkovanie kompletnej predpovede všetkého, čo by sa mohlo stať v budúcnosti, potrebujeme vziať do úvahy všetko, čo by sa mohlo stať teraz. Pre tento účel potrebujeme použiť rozsah spúšťacích, alebo počiatočných podmienok pre modely, keď sú rozbiehané na tvorbu klimatickej predpovede.

Experiment	Cieľ	Metodológia
1 Preskúmanie citlivosti modelu na parametre [viac]	Určiť vhodné rozsahy parametrov.	Každá simulácia obsahuje 3 fázy: Kalibrácia (15 rokov) Výpočet pred-industriálneho CO2 (15 rokov) Výpočet dvojnásobného CO2 (15 rokov)
2 Simulácia 1920-2080 [viac]	Ohodnotiť schopnosť modelu vytvorením pravdepodobnostnej predpovede predchádzajúcej klímy. Porovnať výstupy modelu s pozorovaniami pre vyhodnotenie ako správne model pracuje. Vytvoriť pravdepodobnostnú predpoveď budúcej klímy.	Počítať model s rozsahom počiatočných podmienok, vnucovaní a parametrov.

Tento experiment je viac o dozvedaní sa, ako model reaguje na zmeny v  počiatočných podmienkach a parametroch než o skutočnom vyskúšaní replikácie zemskej klímy. Z tohto dôvodu, model ktorý používame, má prepracovanú atmosféru, ale zjednodušený oceán (jednoduchá vrstva, 'platňa' oceánu). To znamená, že niektoré aspekty klimatického systému (také ako oceánske prúdy, a El Nino cirkulácia) nie sú replikované, ale model počíta oveľa rýchlejšie a ďaleko viac výpočtov môže byť dokončených.

Vedomosti, ktoré získame z tohoto experimentu o spôsobe ako model reaguje na zmeny parametrov, budú používané k návrhu ďalších fáz climateprediction.net experimentu - kombinácie parametrov ktoré zjavne nepracujú môžu byť obídené.

Experiment pozostáva z 3 separátnych fáz, každý model ktorý je distribuovaný zostavuje všetky 3 fázy podľa jedinečného súboru počiatočných podmienok:

Kalibračný krok (fáza 1)

Fáza 1 je kalibračná fáza experimentu. V tejto fáze je teplota povrchu oceánu držaná umelo konštantná. Presun, alebo tok, tepla do alebo z oceánu, ktorý je požadovaný aby udržiaval oceán na konštantnej teplote, je počítaný. Toto je jednoduché riešenie ako mať v modeli veľmi jednoduchý oceán, ktorý nemôže v skutočnosti hromadiť teplo spôsobom ako reálny, hlboký, komplexný oceán môže. Dátumy dané k tejto fáze sú 1810-1825.

Krok pred-industriálneho CO₂ (fáza 2)

Toto je regulačná fáza. Zahrňuje výpočet modelu pre 15 rokov s úrovňami CO₂ v modeli atmosféry držanými konštantne na pred-priemyselných úrovniach, 282.10^-6. Na rozdiel od fázy 1, tu teplota povrchu oceánu smie variovať podľa toho, koľko energie oceán prijíma a emituje. Avšak, to je zaručené za predpokladu, že množstvo tepla prúdiaceho do oceánov je rovnaké ako vo fáze 1, teda toky tepla vypočítané vo fáze 1 sú aplikované. Pokiaľ atmosféra nezačne robiť niečo veľmi rozdielne, a energetická rovnováha hornej atmosféry nie je zmenená, teplota celej atmosféry by mala potom zostať rovnaká. Ak toto je fakt, globálna priemerná teplota povrchu musí tiež byť približne konštantná a bez podstatnej zmeny z roka na rok, alebo bez driftu k veľmi rozdielnej teplote, a potom hovoríme, že model je stabilný. Dátumy dané k tejto fáze sú 1825-1840.

Krok dvojnásobného CO₂ (fáza 3)

V tejto fáze sú úrovne skleníkových plynov (viac o skleníkovom efekte môžete čítať tu) zdvojnásobené a model počíta ďalších 15 rokov. V dobrom modeli by sa mala atmosféra nastaviť na túto zmenu vo vnucovaní a prípadne sa usadiť v novom stabilnom, rovnovážnom stave (ktorý môže byť rovnaký, teplejší alebo chladnejší). Dátumy dané k tejto fáze sú 2050-2065.

Výsledky dajú indikáciu, ktoré kombinácie parametrov pracujú (v zmysle vyrábania atmosféry, ktorá sa chová podobným spôsobom ako reálna a nezamŕza či nevrie, alebo neosciluje do a z dôb ľadových v časovej mierke pár rokov). Bude preto možné používať výsledky pre voľbu parametrov v hlavnom experimente.

Pri porovnávaní krokov jednoduchého a dvojnásobného CO₂, môžeme vyčísliť klimatickú citlivosť modelov - to je rozdiel medzi globálnou priemernou teplotou povrchu v modeli s pred-priemyselným CO₂ a v tom so zdvojnásobeným CO₂. To je užitočný indikátor toho, ako sa klimatický model chová, hoci je trocha umelý, keďže samozrejme hodnoty kysličníka uhličitého v atmosfére nezostanú konštantné po dobu 15 rokov, ale plynulo sa menia.

Ako rozšírenia k tomuto experimentu sme počítali 4 fázový experiment cirkulácie prenosu tepla morskými prúdmi po dobu niekoľkých mesiacov od júna 2004. Jeho prvé výsledky môžete vidieť tu (here).

V septembri 2005, bol spustený 5 fázový experiment kolobehu síry, ktorý tiež bežal po dobu niekoľko mesiacov.

Druhý experiment bude používať úplný atmosféricko-oceánsky model (spojený model). To znamená, že oceán je schopný reagovať oveľa viac na zmeny v atmosfére než v experimente 1, dávajúc nám kompletnejšiu simuláciu klímy. Experiment bude používať:

• Kombinácie parametrov ktoré boli identifikované v experimente 1 ako prevádzkové, t.j. ktoré produkujú stabilnú, životaschopnú klímu.

• Rozsah počiatočných podmienok bude rovnaký ako použitý v experimente 1.

• Experiment bude korigovaný pozorovaniami CO₂, sopečných emisií atď. z rokov 1920-2000 a rozsahom možných scenárov pre to, čo sa môže stať v ďalších 100 rokoch. O scenároch vnucovania čítajte viac tu.

Použitím každého modelu na produkovanie 'predpovede' pre 1920-2000, a potom porovnaním rozšírených predpovedí s tým čo sa skutočne stalo, urobíme si predstavu o tom, ako dobrý náš rozsah modelov je - robí väčšina z nich dobrú prácu replikovania toho čo sa skutočne stalo? Toto nám tiež dovolí 'klasifikovať' modely podľa toho, ako dobre pracujú. Všetky modely budú tiež užívané pre tvorbu predpovede pre budúcnosť - až do 2080. Keď tento experiment skončí, budeme mať rozsah predpovedí pre klímu 21. storočia.

Je tu čas pridať podrobnosti k oceánu. Tepelná kapacita oceánu je tisíce krát väčšia než atmosféry; preto to trvá oceánu oveľa dlhšie než atmosfére, aby dosiahol rovnovážny stav. Preto dlhá "spinup" fáza je požadovaná predtým, ako je možné vykonať experimenty použitím oceánskych modelov. Ak toto neurobíme, oceánska časť modelu by mohla stále byť nastavená iba na počiatočné podmienky experimentu, a nie na zmeny predpísanými experimentom samotným, na konci experimentu.

Pre ďalšie čítanie o začleňovaní, ktoré bolo dokončené skôr než tento experiment mohol začať, sledujte (this) linku. V príprave na spojené zahájenie boli testované a porovnávané výsledky z rôznych (v rozlíšení a topografii) modelov a metód začleňovania, pred rozhodnutím o finálnom návrhu. Boli tiež vybrané fyzikálne parametre a ich rozsahy, s ktorými perturbovať oceánske modely. Taktiež boli vytvorené masky pokrývajúce príslušné oceánske panvy a iné špecifické záujmové plochy, za účelom extrahovania časovej premenlivosti oceánskych diagnostík takých ako teplo a obsah sladkej vody. Boli tiež vytvorené prílivové korekčné polia, ktoré budú použité v "predpovednej" fáze k udržiavaniu realistickej klímy oceánskeho povrchu.

Spojený model beží asynchrónne, čo znamená, že atmosférický model beží najskôr po nejakú dobu, a potom beží oceánsky model po nejakú dobu, striedavo. V tomto experimente jednotlivé zložky bežia pre jeden deň raz.

[Poznámka: Tento experiment bol spustený vo februári 2006.]

Tento experiment je v podstate iba pokračovanie experimentu 2, okrem toho, že namiesto použitia pozorovaní mechanizmov vnucovania, budeme používať rozsah možných scenárov pre to, čo by sa mohlo stať v nasledujúcich 100 rokoch - kvôli emisiám skleníkových plynov, sopečným výbuchom, slnečnej aktivite atď .

Keď tento experiment skončí, budeme mať rozsah predpovedí pre klímu dvadsiateho prvého storočia. Konečná etapa je 'váženie' predpovede každého modelu podľa jeho hodnotenia v experimente 2 - teda, napríklad, ak model ktorý pracoval skutočne dobre v experimente 2 predpovedá ohriatie o 2 stupne, a druhý, ktorý pracoval zle v experimente 2 predpovedá ohriatie o 10 stupňov, uveríme prvému skôr než druhému.

A konečne dúfame, že budeme mať vytvorenú kompletnejšiu svetovú pravdepodobnostnú klimatickú predpoveď pre ďalšie storočie.

[Poznámka: Tento experiment bol spustený vo februári 2006.]

Kliknite tu pre podrobnejšie čítanie o experimentálnej stratégii.