modelovanie_klimy

Táto stránka sa pokúša dať vám krátky prehľad o tom, ako klimatické modely pracujú, a niektoré podrobnosti o modeloch, používaných v climateprediction.net experimente. Stránka je rozdelená do nasledujúcich sekcií:

Úvod do klimatických modelov

Čo je klimatický model? Klimatické modely sú číselnými reprezentáciami rôznych častí zemského klimatického systému. Existujú dva spôsoby náhľadu na toto. Po istej stránke, vedci skúšajú zredukovať súhrn správania sa klímy smerom dole k súboru matematických rovníc, v nádeji že môžu potom začať rozumieť procesom ktoré v nej prebiehajú. To je vlastné hlavne značne jednoduchým modelom. V prípade stavu techník modelov všeobecnej cirkulácie (GCM) takých ako ten používaný v climateprediction.net experimente, to je viac prípadov pokúšania sa reprezentovať všetko, aj keď veci potom sa stanú tak komplikované, že nemôžeme vždy rozumieť o čo ide. Rovnice sú doladené v rozumných medziach tak, aby model pracoval tak dobre ako je možné vo vyrábaní minulého a aktuálneho podnebia (v porovnaní s archivovanými pozorovaniami). Môže potom byť použitý k vyskúšaniu predpovede aká klíma sa chystá v budúcnosti.

GCM skúšajú simulovať tak veľa ako je možné o klimatickom systéme: prichádzajúce a odchádzajúce žiarenie, spôsob presunov vzduchu, spôsob formovania oblakov a spad zrážok, spôsob ako pevninský ľadovcový príkrov narastá alebo sa zmenšuje, atď. Často sú (ako v modeli ktorý používame) spriahnuté s reprezentovaním oceánu. Môžu vziať do úvahy ako sa mení vegetácia na zemskom povrchu. Kriticky sa pokúšajú vyrátať ako všetky tieto rozdielne časti klimatického systému vzájomne pôsobia, a ako spätná väzba procesov pracuje.

To je prečo "najlepšie" názory na budúcnosť klímy pochádzajú z modelov všeobecnej cirkulácie, skôr než zo zjednodušených modelov.

Atmosférická časť modelu používaného v climateprediction.net je zjednotený model zavedený UK Met Office; ten istý model, ktorý je používaný k tvorbe každej predpovede počasia, ktorú môžete vidieť v britskej terestriálnej televízii. Sú tam pochopiteľne niektoré rozdiely medzi spôsobom, ako je model používaný na produkciu komerčnej predpovede počasia a ako ho používame my. Najviac očividný rozdiel je rozlíšenie. Obrázok 1 ukazuje rozdiel v rozlíšení nad Britskými ostrovmi; rozlíšenie, ktoré používame my, by zrejme bolo celkom zbytočné pre ľudí zvedavých na to, koľko má napršať v Manchesteri (napríklad).

Obrázok 1. Tento obrázok ukazuje rozdiel v počte políčok mriežky pokrývajúcej Britské ostrovy v climateprediction.net verzii modelu (vľavo), a regionálnej verzii (vpravo). Toto vyobrazenie ukazuje, že regionálny model dáva lepšiu simuláciu britských zrážok než hrubší model predpovede klímy. [obrázok od Hadley Centre].

Horizontálne rozlíšenie – bunky mriežky

GCM pracujú počítaním čo klíma robí (kvôli vetru, teplote, vlhkosti, atď.) v množstve diskrétnych bodov na zemskom povrchu a v atmosfére/oceáne. Tieto body sú usporiadané ako mriežka pokrývajúca povrch Zeme, rozdelená do veľa malých rámčekov (viď obrázok 2). Čím viac rámčekov tam je, tým jemnejšie rozlíšenie modelu a menšie mierka klimatických rysov môže reprezentovať. Z tohto hľadiska, najlepší klimatický model by bol ten s najskvelejším rozlíšením. Žiaľ toto má nevýhody; čím viac bodov, tým viac výpočtov musí byť urobených, a tak model zaberá viac strojového času na výpočet. Všeobecne, musíme robiť kompromis medzi rozlíšením a dobou výpočtu. Pre predpoveď počasia, ktorá sa zaoberá len tým čo sa chystá udiať v nasledujúcich 5 dňoch alebo približne tak, rozlíšenie môže byť oveľa jemnejšie než klimatický predpoveď, ktorá sa zaoberá nasledujúcimi niekoľkými stovkami rokov! Paleoklimatickí modelári, ktorí sa zaujímajú čo podnebie robilo tisíce rokov dozadu, musia používať dokonca hrubšie rozlíšenie modelov.

To je prečo, v climateprediction.net modeli, sú len 4 políčka mriežky nad Britskými ostrovmi. To samozrejme neurobí veľmi dobrú reprezentáciu klímy, napríklad v Lake District (jazerný kraj v Škótsku), čo je hornatý región, ktorý zaberá oblasť oveľa menšiu než jedna bunka mriežky. Ale malo by to dať dosť presný obraz klímy veľkej mierky, napríklad, Britských ostrovov. Rozlíšenie je 2,5° v zemepisnej šírke na 3,75° v dĺžke.

Obrázok 2. Typické zobrazenie z modelu, ukazujúce teploty povrchu Zeme v každej bunke mriežky modelu.

Vertikálne rozlíšenie - hladiny

Podobne ako horizontálna mriežka, vertikálny profil atmosféry je rozdelený do niekoľkých rozdielnych hladín. Model používaný v climateprediction.net má 19 vertikálnych hladín v atmosfére (a 20 v oceáne), a obrázok 3 ukazuje ako sú rozložené s výškou. Na rozdiel od horizontálnej mriežky, vertikálna mriežka nie je rovnomerne rozložená. Nie je dokonca rovnomerne rozložená ani v tlaku, čo mohlo dávať zmysel ako, napríklad, 950 hPa (blízko povrchu) a 900 hPa (o trochu vyššie) hladiny majú rovnakú hmotnosť vzduchu medzi nimi ako 100 hPa a 50 hPa hladiny, napriek tomu fyzikálna vzdialenosť medzi nimi je oveľa menšia. To je preto, že hustota vzduchu klesá exponenciálne so vzdialenosťou od zemského povrchu: rozdiel v tlaku medzi vrcholom Everestu (okolo 10 km výšky) a okolo 9 km výšky je oveľa menší než rozdiel v tlaku medzi morskou hladinou a 1 km výšky.

Hladiny sú v skutočnosti nerovnako rozložené dokonca kvôli tlaku. To je prečo môžu byť koncentrované v oblasti, t.j. blízko povrchu, kde chceme viac vedieť čo tu prebieha, než v ostatných hladinách. Hladiny modelu berú do úvahy tvar povrchu; teda hladina zrazu nezanikne keď pretína pohorie! Najvyššia hladina je vo výške okolo 30 km; uprostred stratosféry.

Obrázok 3. 19 hladín modelu do verzii zjednoteného modelu, modelu používaného v climateprediction.net. Hladiny nie sú rovnomerne rozložené s výškou (pravá stupnica) alebo tlakom (ľavá stupnica).

Ako výsledok horizontálneho a vertikálneho rozdelenia atmosféry, je efektívne rozdelená do trojrozmerných buniek; obrázok 4 ukazuje ako.

Časové kroky

Rovnako ako rozdelenie atmosféry do buniek, čas tiež postupuje v konečných intervaloch. V climateprediction.net modeli, základný časový krok je polhodina. Model začína od nastavenia počiatočných podmienok pre atmosféru a oceán a potom počíta ako sa budú vyvíjať po polhodine, 1 hodine atď. Zvolenie časového kroku nie je jednoduché. Ak sa chce počítať model na 50 rokov tak rýchlo ako je to len možné, musí sa použiť tak veľký časový krok ako je možné. Žiaľ toto nie je možné, pretože s časovým krokom nad istú kritickú úroveň sa model stáva nestabilný a zastaví prácu. Vo veľmi zjednodušených podmienkach môžete myslieť na to, čo sa stane keď časový krok je tak veľký, že vzduch (alebo presnejšie energia) môže precestovať viac než jednu bunku mriežky za jeden časový krok, a tak sa stáva nemožným presne určiť ako sa polia vyvíjajú. Avšak, niektoré veci v atmosfére sa menia rýchlejšie než iné, a tak ich treba počítať častejšie. Teda napríklad, dynamika (v podstate pohyb vzduchu) potrebuje byť vypočítaná každú polovicu hodiny, ale žiarenie (rovnováha prichádzajúcej a odchádzajúcej energie) môže byť počítané menej často. To je prečo sa, ak sledujete činnosť modelu, zdá dokončenie niektorých časových krokov oveľa rýchlejšie než iných.

Problém s rozdelením atmosféry do mnoho malých kociek je, že je mnoho procesov, ktoré sú menšie než kocky. Teda napríklad, jednotlivé mraky môžu byť spoľahlivo menšie než bunka mriežky. Stále však hrajú dôležitú úlohu v klimatickom systéme, obzvlášť súhrnne, takže procesy ktoré ich formujú a dôsledky z nich existujúce musia byť reprezentované. Rovnako, napríklad, podľa znalostí teploty a vlhkosti v bunke, musíme stanoviť koľko oblačnosti a koľko zrážok je v bunke. Tiež potrebujeme poznať koľko prachu (t.j. 'aerosolu') je v bunke, keďže dažďové kvapky vyžadujú veľmi malú pevnú časticu vo vzduchu na utvorenie sa. Tento proces nastavenia sa volá parametrizácia. Je mnoho parametrizačných návrhov v modeli, takých ako návrh ktorý počíta koľko oblačnosti tam je. Niektoré z týchto návrhov sú dobre viazané s pozorovaniami a verí sa, že sú úplne spoľahlivé, ale iné sú oveľa menej dobre pochopené a nie sme si v nich veľmi istí.

Oceánske modely a ich interakcia s atmosférou

Oceán, podobne ako atmosféra, je tekutá zložka klimatického systému a musí byť reprezentovaný v klimatických modeloch. Teplo a voda sú prenášané medzi oceánom a atmosférou, a tieto procesy musia byť reprezentované tak presne ako je možné. Taktiež rýchlosť vetra na povrchu ovplyvňuje postup, keďže povrch oceánu je miešaný a teda ako rýchlo reaguje na zmenu atmosférickej teploty.

Oceánske "systémy počasia" alebo víry majú sklon byť často menšie než atmosférické systémy počasia, preto oceánske zložky klimatických modelov inklinujú mať jemnejšie rozlíšenie než zložky atmosféry. Oceánom trvá omnoho dlhšie reagovať na zmeny v rovnováhe medzi prichádzajúcim a odchádzajúcim žiarením než atmosfére. Toto znamená, že oceánske modely potrebujú bežať po mnoho desaťročí, keď majú byť zahrnuté do klimatických predpovedí. Tieto faktory znamenajú, že vyžadujú významne viac výpočtového výkonu než atmosférické modely. To je niekedy obídené použitím zjednodušeného modelu nazvaného "slab ocean" (plochého oceánu), ktorý efektívne reprezentuje len povrchových 50 m oceánu, so žiadnymi hlbinnými morský prúdmi, ktoré môžu dopravovať obrovské množstvo tepla, aj keď veľmi veľmi pomaly. Účinky prúdov preto musia byť parametrizované.

Ako model "plochý oceán", tak aj 'kompletný' oceánsky model budú použité v climateprediction.net experimente. Tento 'kompletný' oceánsky model použitý climateprediction.net experimentom 2 má v skutočnosti rovnaké horizontálne rozlíšenie (2.5° v zemepisnej šírke na 3.75° v dĺžke) ako atmosféra, a 20 vertikálnych hladín, s jemnejším vertikálnym rolíšením v blízkosti povrchu.

Zjednotený model beží asynchrónne, čo znamená že atmosférický model beží ako prvý po určitý čas, potom oceánsky model beží po rovnaký čas, s pravidelným prepínaním. V prípade modelu použitého v climateprediction.net experimente, jednotlivé komponenty bežia v časovom intervale jedného dňa.

Toky tepla, vetra, a sladkej vody sú odovzdávané medzi oceánskym modelom a atmosferickým modelom na rozhraní oceán - atmosféra.

Chaos, množiny a pravdepodobnosti

Prečo je počasie tak nepredvídateľné? Nie je náhodné; to by znamenalo, že by nebol žiadny možný spôsob dozvedieť sa čo sa chystá robiť ďalej, ale chaos; počasie počúva zákony fyziky, každý jav má príčinu. Problém je, že je tak mnoho možných príčin, že nemôžeme možno vedieť o všetkých z nich. Mnohokrát citovaný príklad (ktorý vznikol od Eda Lorenza v r. 1960) je, že motýlie zamávanie krídlami v Amazonskom dažďovom lese by mohlo mať, napriek veľkej vzdialenosti nepravdepodobné, ale možné dôsledky, spôsobujúce búrku nad Texasom.

Pre ďalší príklad, predstavme si pustiť palicu do vody na strane proti prúdu mostíka nad plytkým tokom. Akonáhle pustíte palicu, vytvorí sa kruh, a bude pôsobiť presne kde a ako dopadne na vodu. Pod mostíkom kde sú skaly a vegetácia, čo spôsobí vzory v prúde toku. Nepatrný tlak na palicu pri jej hodení by mohol spôsobiť rozdiel, či pôjde na jednu alebo druhú stranu pri dosiahnutí prvej skaly, a toto by mohlo robiť rozdiel či sa prilepí k nejakej vegetácii alebo zostane v rýchlo tečúcej vode. Ak prebehnete k druhej strane mostíka aby ste sledovali palicu, je prakticky nemožné predpovedať či a kde sa objaví, pretože neviete čo sa s ňou stalo pod mostíkom. Aj keď viete presne ako dno toku vyzerá, skutočnosť, že je neistota v spôsobe hodenia palice znamená, že je mnoho možných spôsobov ako by mohla podísť mostík.

Teda znamená to, že výroba presnej predpovede počasia, alebo klimatickej prognózy, je beznádejná vec? Odpoveď je nie! Potrebujeme si urobiť predstavu o všetkých možných spôsoboch, ako by sa atmosféra mohla vyvíjať, a aká možnosť, alebo pravdepodobnosť, každého možného spôsobu je. Spôsob ktorým to robíme je činnosť množiny GCM výpočtov. Množina je kolekcia výpočtov toho istého GCM, ktoré sa líšia veľmi nepatrne v ich počiatočných podmienkach (teda napríklad, môže byť 1% diferencia v rýchlosti vetra nad Oxfordom), alebo ich parametrizácii. Veľkosti množín variujú obrovsky. Európske centrum strednodobej predpovede počasia - The European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) aktuálne používa množinu 50 na vytvorenie predpovede počasia. V climateprediction.net, dúfame s množinami s miliónmi členov! To potom umožní vybudovať štatistiky pre množstvo členov množiny vyrobených každým prijateľným výsledkom. Napríklad, obrázok 5 ukazuje (vyrobené!) teploty Londýna z množiny s 500 členmi. Môžete vidieť že tam je veľmi široký rozsah možných teplôt. Sú tu niektoré rozmedzia; predvídanie teploty pod 10 °C alebo nad 21 °C. Avšak, väčšina výpočtov predpovedala teploty medzi (13-18)°C, a tam je jasný vrchol pri 15,5 °C.

Obrázok 5. Londýnska teplota, ako bola predpovedaná 500 (imaginárnymi) výpočtami GCM pre 5 dňovú predpoveď

Náš najlepší odhad, aká teplota je skutočne predpokladaná, je jeden, ktorý najviac výpočtov predpovedalo, t.j. ten s najväčšou pravdepodobnosťou. Grafy, také ako tento, voláme Probability Density Functions alebo pdf - hustota rozloženia pravdepodobnosti.

Projekcie máp, zemepisná šírka a dĺžka

Zemepisná šírka: Stupeň vzdialenosti od rovníka. Rovník je 0° zemepisnej šírky, a severný a južný pól sú na +90° a -90° zemepisných šírok v tomto poradí. Čiary zemepisnej šírky sú čiary, spájajúce všetky miesta s rovnakou zemepisnou šírkou, teda bežia dookola zemegule; na obrázku 6, sú horizontálne. Ak pôjdete priamo na sever medzi 0° zemepisnej šírky a 1° N (S), prekonáte presne rovnakú vzdialenosť ako by ste išli medzi 89° N (S) a 90° N (S). Avšak, ak si predstavíte chodenie dookola Zeme pozdĺž línií zemepisnej šírky, budete musieť chodiť oveľa viac, aby ste prešli celý rovník než, napríklad, na 50°S (J).

Zemepisná dĺžka: Stupeň ako ďaleko východne alebo západne vy ste. Grenwichský poludník, predchádza cez východný Londýn, je 0° zemepisnej dĺžky, a dátumová hranica, zostupujúca stredom Pacifiku, je 180°. Čiary zemepisnej dĺžky sú čiary spájajúce všetky miesta s rovnakou zemepisnou dĺžkou, teda bežia od pólu k pólu; na obrázku 6, sú to vertikálne oblúky. Ak obchádzate rovník, vzdialenosť medzi 80°E (V) a 90°E (V) je rovnaká ako medzi 130°E (V) a 140°E (V). Avšak, pri póloch, sú línie dĺžky oveľa tesnejšie pri sebe než na rovníku, teda vzdialenosť medzi 80°E a 90° E je menšia než to bolo na rovníku.

Obrázok 6. Projekcia sveta s rovnobežkami a poludníkmi označenými v 10° intervaloch.

Projekcia mapy sú pokus o kresbu plochy 3 rozmernej, guľovitej Zeme na plochu, 2-rozmerný (2 D) kus papiera/počítačovú obrazovku. Za týmto účelom, musia byť urobené kompromisy. Nie je možné mať všetko celkom presné. Napríklad, uhol z miesta na miesto by mohol byť skreslený, alebo pomerná veľkosť jednej krajiny vzhľadom k inej by mohla byť mylná. V mnohých projekciách, takých ako valcová projekcia, pevnina musí byť natiahnutá na póloch k úhľadnému vyplneniu pravouhlej plochy. Toto znamená, že krajiny bližšie k pólom (také ako U.K. - VB) sa javia oveľa väčšie vzhľadom ku krajinám bližšie k rovníku (takým ako krajiny v Afrike) než v skutočnosti sú.

Obrázok 7. Príklady niektorých projekcií: Millerova valcová, valcová ekvidištančná a Mercatorova projekcia sú všetko príklady valcový projekcií, t.j., projekcia povrchu Zeme na kus papiera navinutého tak ako cylinder dookola nej, s rovníkom tvoriacim kontakt s hárkom. Valcová ekvidistančná projekcia je najjednoduchšia, a všetky rovnobežky a poludníky dodržiavajú rovnaký rozostup kdekoľvek ste a sú vždy rovnobežné/ kolmé k sebe navzájom. To znamená, že tvary krajín získajú veľké skreslenie. V Millerovej valcovej projekcii, čiary rovnobežiek dostávajú ďalej od seba pásik ktorý dostanete pri póloch. To je jednoduchá metóda redukovania hodnoty skreslenia, ale to nie úplne rieši problém; vôbec nie oblasti krajín ani nie uhlov, napríklad, ich obrysy pobrežia, sú správne. V Mercatorovej projekcii sú tvary, aspoň miestne, správne. Stereografická projekcia nie je valcovou projekciou, a veľkosti krajín dostávajú veľké skreslenie ako idete k okraju mapy, ale všetky uhly sú správne.

Projekt climateprediction.net používa na grafiku najjednoduchšiu, valcovú ekvidištančnú, projekciu.

Obrázok 8. Príklad valcovej ekvidištančnej projekcie používanej climateprediction.net grafikou

SK