ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ

ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ

Επιμέλεια: Βασιλική ΑσβεστάΕπιμέλεια: Βασιλική Ασβεστά

Θεσσαλονίκη 2004Θεσσαλονίκη 2004

Εργασία στο μάθημα: Στοιχεία Φυσικής Περιβάλλοντος

Θέμα:

Στοιχεία ανίχνευσης και απόδοσηςΣτοιχεία ανίχνευσης και απόδοσης

Μια τέτοια μελέτη χρειάζεται:

Καταγραφές δεδομένων μακράς διάρκειας

Επαρκή κάλυψη δεδομένων

Καλή ποιότητα μετρήσεων

Χρήση επιφανειακών θερμοκρασιών

Δύσκολη η καταγραφή της εσωτερικής μεταβλητότητας:

Μικρές καταγραφές 30-50 χρόνων

Μη επαρκής κάλυψη για μεγαλύτερες καταγραφές

Ύπαρξη ανθρωπογενών επιδράσεων

Υπολογισμοί με χρήση παλαιο-κλιματικών δεδομένωνΥπολογισμοί με χρήση παλαιο-κλιματικών δεδομένων Ανασυγκροτήσεις: Νέα πηγή πληροφοριών Σημαντική πρόοδος, διαθέσιμες χωρικές & χρονικές αναλύσεις Περιορισμένη κάλυψη, χρονική ανομοιογένεια, προλήψεις Εφαρμογή: έλεγχος μετρήσεων για πιθανή υποεκτίμηση μεταβλητότητας

Διακύμανση μέσης παγκόσμιας επιφανειακής θερμοκρασίαςΔιακύμανση μέσης παγκόσμιας επιφανειακής θερμοκρασίας

=παρατηρήσεις 1-10 χρόνων = αβεβαιότητα, υποεκτίμηση = <10ετιες, ανθρώπινη επίδραση

Μεταβλητότητα της ελεύθερης ατμόσφαιραςΜεταβλητότητα της ελεύθερης ατμόσφαιρας

Συμφωνίες δεδομένων ατμόσφαιρας και ραδιοβολίδας (εκτός

στρατόσφαιρας, υποεκτίμηση μη παραγωγή μεθόδων

μεταβολής, QBO) Μικρότερη μεταβολή σε τάξεις 10ετιων, θεώρηση

ανθρωπογενών επιδράσεων (θερμοκηπίων αέριων (G),

θειικών αλάτων (S), στρατοσφαιρικού Ο3 (O3))

Σημαντικός ο ρόλος του Ήλιου

Σύγκριση μεταβλητότητας μοντέλων και παλαιών δεδομένων Σύγκριση μεταβλητότητας μοντέλων και παλαιών δεδομένων

Απεικονισμένη διακύμανση μοντέλου < από υπολογισμένα στοιχεία

Αύξηση διασποράς με παλαιά δεδομένα

Παράλειψη φυσικής μεταβολής= αιτία ασυμφωνίας

Μείωση αβεβαιότητας με παράλειψη ηφαιστείων, και χρήση ελεγχόμενων

απεικονίσεων εσωτερικής μεταβλητότητας

Κλιματικές επιδράσεις και αποκρίσειςΚλιματικές επιδράσεις και αποκρίσεις

Ανάγκη κλιματικών μοντέλων: Η φυσική & ανθρωπογενής επίδραση βρίσκονται με γνώση της

χωρικής & χρονικής κατανομής κάθε παράγοντα

αδύνατος υπολογισμός από μετρήσεις οργάνων

Μοντέλα που χρησιμοποιούνται:

Ισορροπίας ενέργειας (ΕΒΜ) → χρήση Τεπιφ , φθηνό, αθόρυβο, όχι καλό

(παράλειψη σημαντικών διαδικασιών ανάδρασης)

(AOGMS) η (GMS) → κλιματική απόκριση σε εσωτερική& εξωτερική επίδραση

επιρροή από θόρυβο πηγής

Διαφορετικά μοντέλα: διαφορετική απόκριση για ίδια επίδραση

Σχέση μεταξύ πρότυπων επίδρασης και απόκρισηςΣχέση μεταξύ πρότυπων επίδρασης και απόκρισης

Αναδράσεις (εξάτμιση θάλασσας, πάγου→

μείωση θερμοκ. απόκρισης)

↑ απόκριση πάνω από Αρκτική

(ανακλαστικότητα)

Μεταβολές μεγάλης κλίμακας αντίθετες

εκείνων των G

Οι αλλαγές δρουν καλύτερα στην επιφάνεια

και σε μεγαλύτερα γ. πλάτη

Ένα σήμα μπορεί να είναι ίδιο για

διαφορετικές επιδράσεις (εκφυλισμός-

G, ηφαίστεια)

Κάθετα δείγματα λιγότερο εκφυλισμένα λόγω G

Ηφαιστειακή επίδραση:

Επίδραση από αιωρούμενα σωματίδια (Pinatubo)

Διπλάσια αβεβαιότητα για ανασυγκροτήσεις

παλαιών δεδομένων (πριν από δορυφόρους)

Ηλιακή επίδραση: Ακριβής μελέτη επίδρασης 11ετους κύκλου

Έμμεση επίδραση διακύμανσης ηλιακής ακτινοβολίας

Μικρές μεταβολές→αύξηση επίδρασης 0,7Wm-2

μεταβολές λόγω Ηλιου=20-25% του G

Αύξηση κλιμ. αλλαγών στις αρχές του 20ου,

μείωση στα τέλη (↑ ηφ. και ηλ. δραστηριότητα)

Φυσικές κλιματικές επιδράσειςΦυσικές κλιματικές επιδράσεις

Απόκριση στην Ηφαιστειακή επίδραση:

Θέρμανση στρατόσφαιρας

Μείωση μέσης Τεπιφ μετά από έκρηξη

Κυκλικότητα: θέρμανση την ψυχρή περίοδο

Ψύξη 1980-1999 λόγω ηφαιστείων

παγκόσμια αποτελέσματα

Απόκριση στις Φυσικές κλιματικές επιδράσειςΑπόκριση στις Φυσικές κλιματικές επιδράσεις

Απόκριση στην Ηλιακή επίδραση: Μικρή απόκριση στο 11ετη κύκλο Ψύξη: 1800 λόγω ελάχιστου ηλ. επίδρασης θέρμανση 20ο αιώνα: 0,2-0,15 Οc Μεταβολές Ο3 λόγω 11ετους -επιρροή Τεπιφ

Συσχέτιση Τ μέσης –ανωτ ατμόσφαιρας με ηλιακό δείκτη τελ. 40 χρόνων Ηλ. Κυκλος επηρεάζει νέφωση- Τεπιφ

Ίδια συμπεριφορά για ηλ. επίδραση και G Κάθετη απόκριση: θέρμανση τροπόσφαιρας, ψύξη στρατόσφαιρας Παραλείπονται επιδράσεις από μήκος κύματος και ηλιακές ταλαντώσεις

Μελέτες που συνδέουν τις επιδράσεις και τις Μελέτες που συνδέουν τις επιδράσεις και τις αποκρίσεις μέσω μεθόδων συσχέτισηςαποκρίσεις μέσω μεθόδων συσχέτισης

Συσχέτιση ηλ. και ηφ επίδρασης στην ημισφαιρική και παγκόσμια εξέλιξη Τ

Οι μεταβολές Τ επηρεάζονται από μεταβολές φυσ. επιδράσεων

Mann: συσχέτιση μόνο ηλ. επίδρασης, χρήση παλαιών

δεδομένων

Φυσ. επιδράσεις σημαντικές αλλά G υπεύθυνα

για 20ο αιώνα

Μέθοδος συσχετίσεων: αποφυγή εμφάνισης πλαστών

εξελίξεων

Μέση παγκόσμια ανθρωπογενης επίδραση: Μεγαλύτερη αλλαγή από προβιομηχανική περίοδο, λόγω G.

Προς τα κάτω ροή τροπόπαυσης

Αύξηση τροποσφαιρικου όζοντος, μείωση στρατοσφαιρικου

Έμμεση επίδραση αεροζόλ

Ανθρωπογενης επίδραση SAR: μεταβολές G-(CO2), S, O3

Περισσότερα:μεμονωμένα G, κύκλο θειούχων ενώσεων,

σκέδαση από αεροζόλ

Όχι αιθάλη, σκόνη μέταλλων, βιογενη αεροζόλ

Ακυρώσεις αποτελεσμάτων σε τοπική κλίμακα

Πρότυπα ανθρωπογενων επιδράσεων Τα πρότυπα ποικίλουν

Επίδραση από G: κύμανση 5wm-2 (υποτροπικές)- 1 wm-2 (β.πολοι)

Θέρμανση λόγω ↑τροπ. O3 σε τροπικές και βόρειες υποτροπικές

↓ στράτ. O3 → αρν. επιδράσεις 0,5 wm-2 (Ανταρκτική)

Προσωρινές διακυμάνσεις στις επιδράσεις: Νέες μελέτες: +χωρικές μεταβολές κλιμ. απόκρισης

Ραγδαία επίδραση από G τελευταία

↑ εκπομπές S μέχρι 1ο παγκόσμιο→εξίσωση→πιο ραγδαία 1950

Μείωση στράτ. Όζοντος τελ. 2-3 δεκαετίες

Η κλιματική απόκριση στην ανθρωπογενη επίδραση Μοντέλα με μόνο ↑ G → θέρμανση το τελ μισό 20ου

Μοντέλα με μόνο αεροζόλ: μείωση τάξης θέρμανσης

Παρόμοια απόκριση με όζον & θειικά άλατα

Απόκριση Τεπιφ στην ανθρωπογενη επίδραση

Μεγαλύτερη θέρμανση σε ξηρά

Μικρή σε Νοτ& Βόρειο Ατλαντικό (αναμείξεις μεγάλου βάθους)

↑θέρμανση σε μεγάλα γ. πλάτη τον Χειμώνα (υποχώρηση πάγων)

Μηδενική το καλοκαίρι

Μεταβολή από μοντέλο σε μοντέλο

Απόκριση της κάθετης κατανομής θερμοκρασίας στην ανθρωπογενη επίδραση

↑ Τ (θέρμανση τροπόσφαιρας- ψύξη στρατόσφαιρας)

↓στρατοσφαιρικου οζοντος- ψύξη στρατόσφαιρας σε μεγάλα ύψη

Ανθρωπογενη θειικά άλατα→ψύξη τροπόσφαιρας

Σημαντικά στατιστικά αποτελέσματα Μέθοδος παλινδρόμησης (γραμ συνδυασμών παρατηρ. -σημάτων)

(αβεβαιότητα από μεταβλητότητα παρατηρήσεων)

Μέθοδος συσχετισμού

Προέλευση σημάτων από μοντέλα

Απόδοση και Συνοχή

Απαιτείται συνοχή ευρων σημάτων

Heggert& Tett: τεστ συνοχής πλάτους για ανίχνευση ασυνέχειας

παρατηρούμενων ευρων- μοντέλου

Στατιστική Bayesian:ευρη σημάτων από κλιμ. αλλαγή πιο κοντά στην

πραγματικότητα

Θερμοκρασιακές και χωρικές κλίμακες για μελέτες ανίχνευσης

Διαθέσιμες απεικονίσεις μακράς διάρκειας

Πρόσφατα από 300-2000 χρόνια

Επιλογή διαστημάτων μελέτης ώστε καλά σήματα και αξιόπιστους

υπολογισμούς εσωτ. μεταβλητότητας

Διορθωμένα πρότυπα απόκρισης Πριν το SAR, χρήση διορθωμένων προτύπων ανεξάρτητων χρόνου

Τελ. χρόνια: εύκολος διαχωρισμός ανθρ. σημάτων & από άλλες πηγές

Tett& Scott: προσέγγιση χώρου- χρόνου

North& Stevens: χώρου- συχνότητας

Ποιοτική σύγκριση παρατηρούμενης κλιμ. αλλαγής και εκείνης που προκύπτει από μοντέλο

Συνέχειες και ασυνέχειες κλιμ. αλλαγών

Μελέτες μεταβολής κλιμ. αλλαγών με

1) υψηλές αναλογίες σημάτων -θορύβου,

2) μεγάλη κάλυψη παρατήρησης,

3) συνεχή σήματα από διαφορετικά μοντέλα

4) Τεπιφ ανωτ. ατμόσφαιρας

Ποιοτική συνέχεια παρατηρούμενης κλιμ.αλλαγης

(μη αξιόπιστη για ανθρωπογενη επίδραση)

Θερμικοί δείκτες Τεπιφ

Μεγάλη θέρμανση τα τελ. 40 χρόνια (αν εσωτ. μεταβλ >από εκείνη

του μοντέλου: προέλευση από εξωτ. παράγοντες)

6 τελευταία χρόνια: ↑G →↑θέρμανσης

Αλλαγή μέσης πάγκ. Τ: λόγω ανθρωπογενων παραγόντων

Πλαστή συμφωνία απόκρισης οργάνων & παρατηρήσεων

Άλλοι θερμικοί δείκτες

Θέρμανση σε υπόγειες, υποθαλάσσιες περιοχές

Υποχώρηση παγετών

Μείωση Αρκτικού ωκεανού

Σύγκριση τάσεων ελεύθερης και επιφανειακής ατμόσφαιρας Παρατηρήσεις: θέρμανση (όχι ραγδαία) κατώτ. ατμόσφαιρας 1970-1990

αδύνατη εύρεση ασυμφωνίας αλλαγών Τ από δορυφόρους

40 τελ. χρόνια: τάσεις θέρμανσης κατωτ. τροπόσφαιρας και επιφάνειας

Περιμένουμε: θέρμανση τον Χειμώνα στην κατωτ. τροπόσφαιρα,

αυξημένη αναλογία θέρμανσης στην μέση τροπόσφαιρα προς την επιφάνεια,

υποεκτίμηση της ευαισθησίας κλίματος σε παγκόσμιες διαταραχές.

Στρατοσφαιρικες τάσεις

Ψύξη κατώτερης στρατόσφαιρας & μέσης- ανώτερης στρατόσφαιρας

-λόγω ανθρωπογενων επιδράσεων (↑ θερμοκηπικων αερίων)

-λόγω αύξησης των υδρατμών

Υδρολογικοί δείκτες

Μικρότερη αξιοπιστία από της Τεπιφ

Συμφωνία: μέσου υετού σε τροπικές περιοχές και μεταβολές της ENSO

↑ υετού σε μεγάλα γ. πλάτη με μοντέλα

↑αλμυρότητας θάλασσας Νοτ. Ωκεανού, με ↑ υετού εκεί

↑ έντασης υετού σε τροπ. περιοχές→ μεταφορά καιρού

Κυκλικότητα

Ζωνικα συμμετρικοί τρόποι μεταβλητότητας της ατμ. κυκλικότητας

Σχετίζεται με ↓ επιφανειακή τάση σε μεγάλα γ. πλάτη

Πιο δυνατοί στρόβιλοι στους πόλους, Χειμώνα, κατωτ. στρατόσφαιρα

Θέρμανση τον Χειμώνα στις δυτ. περιοχές

Κυκλικές αλλαγές λόγω: 1) θερμοκηπικων αέριων

2)↓ στρατ. όζοντος

3) ηφαίστεια

Ποσοτική σύγκριση παρατηρ. και διαμορφωμένης αλλαγής κλίματος

Σημαντική πρόοδος

Ανεξάρτητα αποτελέσματα από υποθέσεις

Εκτίμηση αλλαγών μέχρι 1950

Απλές και περίπλοκες τεχνικές ανίχνευσης

Απλοί δείκτες και μέθοδοι time-series

Δείκτης: μέση παγκόσμια Τεπιφ από καταγραφές τελ 140 χρόνων

ή ανασυγκροτήσεις

Εξέταση της χωρικής κατανομής των τάσεων ή πολύπλοκες τεχνικές

ανάλυσης time-series για τον χαρακτηρισμό συμπεριφοράς παγκόσμιων-

ημισφαιρικών και ζωνικων μέσων θερμοκρασιών.

Χωρικά πρότυπα της Τεπιφ

Σύγκριση παρατηρηθεντων- απεικονισμένων τάσεων

Συμφωνία παρατ- απεικ. τάσεων: > όταν θεωρούμε G&S

Αιτία θέρμανσης τα πρώτα χρόνια : Ανθρ. επίδραση και εσ. μεταβλητότητα

Δομές συσχέτισης στην Τεπιφ

Εξέταση μέσω ημισφαιρικών θερμοκρασιών Απλοί δείκτες (ανεξάρτητοι μέσης πάγκ. Τεπιφ:

1)αντίθεση ξηράς- θάλασσας

2) μέγεθος εποχιακού κύκλου Οι παρατηρούμενες τάσεις στους δείκτες εμφανίστηκαν λόγω ανθρωπ.

αλλαγής κλίματος

Στατιστικά πρότυπα time-series

Εξάρτηση από στατιστικές ιδιότητες χρονοσειρων

Tol & Vos: σχηματισμός ιεραρχίας μοντέλων χρονοσειρων Τεπιφ→ δυνατή

στατ. σχέση CO2 & T

Water: η θέρμανση περασμένου αιώνα λόγω ↑ G = 0,9-1,3 οC

Συμφωνία προτύπων χρονοσειρων με παρατηρήσεις

ΜέθοδοιΜέθοδοι προτύπων συσχετισμούπροτύπων συσχετισμού

Οριζόντια πρότυπα

Προτιμούνται γιατί: 1) απλά, 2) δεν επηρεάζονται από λάθη στο εύρος του

πρότυπου χωρικής απόκρισης 3) λιγότερο ευαίσθητα σε τεχνικές ανίχνευσης

με οπισθοδρόμηση

Σκοπός: Χρήση διαφορών αποκρίσεων προτύπων μεγάλων κλιμάκων για τον

διαχωρισμό των αιτιών κλιμ. αλλαγών

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα μεθόδων συσχετισμού κεντρωμένα (ομοιότητα 2 προτύπων μετά από μεταβολή Τ)

Στατ. μοντέλα μη κεντρωμένα (ομοιότητα 2 πρότυπων χωρίς μεταβολή Τ)

Κεντρωμένοι: δεν χρησιμοποιούνται (μικρή απόδοση- δεν θεωρούν εύρος

ανθρ. σημάτων)

Wingley: ιδανικές συνθήκες: ευκολότερη η ανίχνευση συνδυασμού G&S

Μέθοδοι προτύπων συσχετισμούΜέθοδοι προτύπων συσχετισμού

Κάθετα πρότυπα

↑G→ αλλαγή κατακόρυφης δομής

Senter: απεικόνισης ισορροπίας με G,S,O

AOGMS: υπολογισμός εσ. μεταβλητοτητας

Μεγαλύτερη συμφωνία όταν συμπεριλαμβάνονται και οι 3 παράγοντες

Ερμηνεία αποτελεσμάτων

διάσπαση Ο3→ ψύξη Βορ. Ημισφαιρίου

Περιμένουμε η ↓Ο3 να παράγει ψύξη και όχι θέρμανση τροπόσφαιρας

Θέρμανση Νοτ Ημισφαιρίου λόγω ηφαιστείου Mount Agung

Η διαφορά αναλογίας θέρμανσης Βορρά -Νότου συνάρτηση χρόνου,

μοντέλων επιδράσεων από G,S.

Βέλτιστες μέθοδοι αποτυπωμάτων

↑ ανιχνευσιμοτητας κλιμ. αλλαγών →↑αναλογίας σήματος- θορύβου

Νέες μέθοδοι από το SAR (ανίχνευσης Τεπιφ και άλλων δεδομένων)

Η απόδοση απαιτεί πολλά σήματα ταυτόχρονα

Μελέτες βέλτιστης ανίχνευσης με χρήση διορθωμένων πρότυπωνΜελέτες βέλτιστης ανίχνευσης με χρήση διορθωμένων πρότυπων

Πρότυπα Τεπιφ

Τα ευρη σε συμφωνία με μοντέλο και παρατηρήσεις (όταν συνυπάρχουν)

αμελητέα απόκριση σε φυσ. επιδράσεις ηφαίστεια & Ηλιακή επίδραση

Όλες οι μελέτες: συνεισφορά ανθρωπογενων θερμ. αερίων στην αλλαγή

2ου μισού 20ου αιώνα

Κάθετα πρότυπα θερμοκρασίας

Χωρικά αποτυπώματα κάθετης κατανομής από G και GSO

Hill: + ηφαίστεια και Ήλιο→ και πάλι απόκριση G

Εκτός από απόκριση G, χρειάζεται και εσ. μεταβλητότητα για τάση Τ

Τα S εξαρτώνται από μοντέλο αλλά καλύτερα αποτελέσματα

Πιθανή συμβολή Ήλιου στη θέρμανση στις αρχές του αιώνα

Χωρο-χρονικές μελέτες

Ενσωμάτωση χρονικής εξέλιξης σημάτων στην βέλτιστη ανίχνευση

Πρότυπα από ιστορικές κλιμ. αλλαγές 20ου αιώνα

Ισχυρότερη προσέγγιση ανίχνευσης

Χρονικές μεταβολές είτε άμεσα (χρόνο) είτε έμμεσα (συχνότητα)

Επιφανειακή θερμοκρασία Σήματα: γραμμική απεικόνιση

1906-1956, 1946-1996

4 σενάρια κλιματικών απεικονίσεων

G, G&S,ηλιακή ακτινοβολία μικρής f, ηφαιστειακή

Δυσκολίες: εκφυλισμένα σήματα

Δεν επηρέασε η ηλιακή ακτινοβολία τη θέρμανση

του 1906-1956

Μικρή επίδραση ηφαιστείων

Η φυσική επίδραση δεν εξηγεί μόνη της τα

αποτελέσματα

1/5 μελέτες με ανθρωπογενεις επιδράσεις

επηρεάζουν την μέση παγκόσμια θερμοκρασία

Εκτίμηση της αβεβαιότητας στις προβλέψεις

Χρήση παραγόντων κλιμάκωσης: πρόβλεψη μελλοντικών αλλαγών

Καλύτερες προβλέψεις: μοντέλων

Συμφωνία, 0,1-0,2 οC/δεκαετία

ΑΟGMS:0,12-0,22 οC/δεκαετίας

↓παγκοσμιων εκπομπών S→παγκ. Θέρμανση

Μικρές τιμές ευαισθησίας (<1οC) αποκλείονται

Άλλες προσεγγίσεις χώρου-χρόνου

North& Stevens: μέθοδος χώρου-συχνότητας, 100 έτη Τεπιφ, G,S,ηλ,ηφ

Κιm& Wu: μεγαλύτερη χρονική ανάλυση- καλύτερη ανίχνευση

Δείχνουν την ανθρωπογενη επιρροή στο παγκόσμιο κλίμα ακόμη και αν

τα σήματα είναι φυσικά αμελητέα

Οι Αναλύσεις βασισμένες σε ανθρωπογενη και φυσικά σήματα δείχνουν ότι:

Ο συνδυασμός εξ. επιδράσεων -έσωτ. μεταβλητότητας – όχι αλλαγή του

χωροχρονικου πρότυπου τα τελευταία 30-50 χρόνια

Ανθρωπογενη G δεν συνεισέφεραν στην θέρμανση του 2ου του 20ου αιω.

Η συνεισφορά των ανθρωπογενων S δεν έχει εξακριβωθεί.

Η φυσική εξωτερική επίδραση επηρέασε την παγκόσμια κλίμακα

Θερμοκρασίας στις αρχές του 20ου.

Οι Αναλύσεις βασισμένες μόνο σε ανθρωπογενη σήματα δείχνουν ότι:

Οι αλλαγές τελ 30-50 χρόνια δεν οφείλονται σε εσ. μεταβλητότητα

Η απόκριση σε G& S συμφωνεί περισσότερο από την απόκριση της G

Η καλύτερη απεικόνιση στρατ. Ο3→καλύτερη απόκριση κάθετης

κατανομής

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ