Cicerone nr. 5/2003

http://program.forskningsradet.no/klimaprog/

22

Forskningsprogram om klima og klimaendringer

KlimaProg-Forskningsprogram om klima og klimaendringer (2002-2011) dekker naturvitenskapelig forskning som sikter på å øke forståelsen av klimasystemet og klimaendringer. Programmet hører inn under Norges forskningsråd og fi nansierer blant annet de store, koordinerte forsknings prosjektene AerOzClim, NOClim, NORPAST og RegClim.

KlimaProg har sin egen redaksjon for å informere om forskningen i samarbeid med CICERO Senter for klimaforskning, og har egne sider i hvert nummer av tidsskriftet Cicerone.

Ivar S.A. Isaksen, Michael Gauss, Gunnar Myhre, Trond Iversen, Kerstin Stebel, Yvan Orsolini, Geir Braathen, Georg Hansen,

Jostein Sundet og Frode Stordal

AerOzClim

Ozon og aerosoler (partikler som for eksempel sulfat) er viktige klimakom-ponenter som har endret seg betydelig i atmosfæren i løpet av de siste tiårene som følge av forurensning. FNs klima-panel (IPCC) anslår at endringer i ozon i troposfæren (den laveste delen av atmos-færen) har gitt det tredje største bidraget til globalt strålingspådriv siden før-industriell tid (etter CO2 og metan). Både ozon og partikler skiller seg ut fra andre klimakomponenter ved at de har kort oppholdstid i atmosfæren og at mengden derfor varierer sterkt både i tid og rom. I troposfæren har konsentrasjonene økt, særlig i områder med store forurensning-sutslipp, mens ozon er redusert i stratos-færen (mellom ca. 12 og 50 km høyde)

som følge av utslipp av ozonnedbrytende stoffer. Ozon og partikler fjernes fra atmosfæren ved komplekse fysiske og kjemiske pro sesser. Derfor er beregn-inger av fordeling og endring samt kvan-tifi sering av klimaeffekten omfattende og forbundet med store usikkerheter. Spe-sielt viktig er det å beregne bidragene fra regionale endringer og hvilken betydning de har for klimapådrivet. Sammenhen-gen mellom utslipp av forurensnings-gasser, omsetning og fordeling av klima-komponenter i atmosfæren ved fysiske og kjemiske prosesser i atmosfæren er skissert i fi gur 1. AerOzClim er delt inn i 4 moduler som fokuserer på observas-joner og modellering av aerosoler, ozon og klima.

Bruk av satellittdata for å studere aerosoler i atmosfærenGlobale satellittdata for aerosoler er svært nyttig for økt innsikt i for deling av aerosoler i atmosfæren samt et nyttig verktøy for validering av glo-bale aerosolmodeller. I modul 1 vil en

kombinere modellresultater med ulike observa sjoner fra satellitter, bakken og fl y for å øke forståelsen av fordelingen av aerosoler i atmosfæren og deres påvirkning på strålingsbalansen. Over de siste årene har det vært en stor utvikling med hensyn til observasjoner av aerosoler. Figur 2 viser en sammen-ligning av fem ulike satellittdata av total aerosol optisk dybde (et mål for hvor mye aerosolene svekker solstråling). Figuren viser en rekke likhetspunkter med gene-relt høyere verdier i kystområder enn langt fra kontinentene, men også store forskjeller. På midlere breddegrader på sørlige halvkule er forskjellen mellom satellittdataene spesielt store som følge av mye skyer. Generelt er det stor vari-asjon mellom de ulike satellittdataene. I det videre arbeidet vil lengre tidsperioder studeres.

AerosolkampanjerAerosolmålekampanjer har vist seg å være svært nyttig for økt forståelse av klimaeffekten av aerosoler. Vi har

Ozon og partikler er viktige for klimaetDet norske forskningsprosjektet AerOzClim skal øke forståelsen av ozon og partiklers klimaeffekt for å lage bedre klimamodeller.

23KlimaProg

Cicerone nr. 5/2003

tidligere vært med i to kampanjer i Afrika hvor effekten av biomassebren-ning (SAFARI-2000) og mineralaerosol fra ørkenområder (SHADE) ble studert. SHADE-kampanjen resulterte i at en fant at strålingseffekten av mineralstøv har en avkjølende effekt. Flymålinger og modellstudier ga en kortsiktig lokal strålings avkjøling fra aerosolene på over 100 watt per kvadratmeter (W/m2). Tidligere har det vært usikkerhet om fortegnet til strålingseffekten til mineral-støv. Fra SAFARI-2000 fant en at aero-

soler fra biomassebrenning generelt har en avkjølende effekt, men en oppvar-mende effekt når aerosolene ligger over skyene. Neste sommer skal det være en aerosolkampanje (ADRIEX) i Adria-terhavet og Svartehavet hvor AerOz-Clim bidrar. Her er målet å kvantifi sere strålingseffekten av aerosoler fra indus-triell forurensing fra forskjellige områder.

Kombinerte satellittdata og modellberegningerEn rekke satellittdata vil bli benyttet i sammenligning med modell på grunn

av de usikkerhetene som ligger i satellitt-data og som vi kan se fra fi gur 2. Den globale aerosolmodellen vil benytte meteorologiske data for de aktuelle peri-odene med satellittdata. Fordelingen av aerosoler i atmosfæren varierer mye og er avhenging av transporten, og dermed er realistiske meteorologiske data viktig i modellarbeidet. Beregninger av stråling-seffekten av aerosoler vil basere seg på modell som er validert ved hjelp av sat-ellittdata, bakkemålinger og ulike aero-solkampanjer. En vesentlig oppgave blir her å separere naturlige og antropogene (menneskeskapte) aerosoler.

Beregning av partikler i klimamodellerPartiklenes form, størrelse og sammen-setning bestemmer hvordan de påvirker solstråling og skydråper. Det er teoretisk mulig å beregne disse egenskapene, men i klimamodeller er det ennå for ressur-skrevende. I modul 2 ønsker vi derfor å lage forenklinger som likevel gir aksept-able resultater i klimamodellene, slik at vi kan beregne de såkalte direkte og indirekte klimaeffektene av aerosoler. Aerosolenes geografi ske fordeling og egenskaper beregnes ut fra utslippskilder. Bakgrunnspartikler som består av sjøsalt, jordstøv organiske stoffer fra vegetasjon, foreskrives foreløpig, men det planlegges å senere beregne dem ut fra kilder. Andre naturlige partikler fra vulkaner, bio-geo-kjemi i havvann og jord og naturlige skogbranner beregnes fra utslippskilder, og det gjelder også partikler fra indus-tri, kraftproduksjon, husoppvarming, motorisert transport og forbrenning av biomasse. Vi legger mest vekt på sulfat

Figur 1. Figuren viser menneskelige og naturlige utslipp fra bakken (brune piler) som påvirker aerosoler, klima og ozon. Aerosoler kan dessuten dannes i troposfæren og i stratosfæren. Ozon slippes ikke ut direkte i store mengder, men dannes gjennom kjemiske reaksjoner der såkalte ozonforløpere deltar (for eksempel nitrogenoksider, karbonmonoksid, metan og andre hydrokarboner). Koblinger mellom aerosoler, klima og ozon er vist ved grå piler. Både aerosoler og ozon påvirker kortbølget og langbølget stråling og dermed klimaet. En direkte kobling mellom aerosoler og ozon er gjennom heterogen kjemi: Aerosoler påvirker heterogen kjemi som spiller en stor rolle for ozonkjemi, mens ozon påvirker svovelkjemi som kontrollerer dannelsen av sulfataerosoler. Klima (først og fremst temperatur, vinder og fuktighet) har stor innfl ytelse på fordelingen av aerosoler og ozon.

Polare stratosfæriske skyer observert over Østlandet den 20. desember 2002.

Foto

: Geir

Bra

athe

n

Cicerone nr. 5/2003

KlimaProg24

(svovel) og sot. Sot består av kullstoff som absorberer sollys, og av organi-ske stoffer i væskeform. Både sulfat og organiske stoffer refl ekterer sollys, og de danner små vanndråper (dis) i klar luft. For å studere partiklers innvirkning på klimaet bruker vi en klimamodell som er utviklet ved National Center for Atmospheric Research (NCAR) i USA. Atmosfæredelen av denne modellen med våre aerosol- og skyberegninger lagt inn kalles CCM-Oslo; Klimascenarier med denne modellen koblet til ulike hav-modeller gjøres i RegClim-prosjektet (se Cicerone 6-2002 side 25).

Beregning av bygeskyers påvirkning av aerosolerEt eksempel på beregninger som er utført er hvordan bygeskyer påvirker partikler. Partikler påvirkes av kjemi i skydråper, av raske vertikale luftstrøm-mer og av nedbørsutvaskning. Imidlertid har bygeskyer mindre utstrekning og levetid enn det som beskrives direkte i en klimamodell. I CCM-Oslo parameter-iseres byger ved å beregne oppstigende og nedsynkende luftstrømmer. Partikler vil følge luftstrømmene, men samtidig

fjerner nedbøren en stor del av dem. Vi har gjort alternative beregninger av transporten i de vertikale luftstrømmene og effektiviteten av utvaskningen. Figur 3 viser resulterende gjennomsnitts-fordelinger av sulfat fra syd til nord og med høyden. Både mengden og den ver-tikale fordeling avhenger sterkt av anta-gelsene. Sammenlikning med målinger anslår best resultat for de to testene med rask vertikal transport og effektiv utvask-ing fra de nederste luftlag. Dette er fysisk sett også mest plausibelt. I en gitterrute med byger passerer i løpet av et tidskritt praktisk talt all bakkenær luft gjennom skyene og produserer nedbør.

Målinger av minihull over nordlige områderOzonhullet i Antarktis og tynt ozon-lag på vårparten på våre breddegrader er fenomener som er mye omtalt i media siden de skyldes menneskeskapt forurensing og kan ha store negative konsekvenser. En annen type ozon-hull er ikke så kjent for allmennheten. Vi snakker her om såkalte minihull i ozonlaget. Dette er et fenomen som har sitt opphav i naturlige dynamiske pros-

esser. Minihullene dukker gjerne opp sent på høsten eller tidlig på vinteren når ozonlaget allerede i utgangspunktet er tynt. Dette kan dermed gi opphav til episoder med unormalt tynt ozonlag. Disse kortvarige episodene med lav ozon varer i noen dager. I løpet av den korte tiden et minihull varer øker mengden av UV-stråling som treffer bakken. I slutten av november 1999 målte satellittinstru-mentet TOMS ozonkolonner helt ned mot 160 dobsonenheter i Nordsjøen. Dette er det tynneste ozonlag målt noen-sinne på den nordlige halvkule. I desem-ber 2002 ble det målt tynt ozonlag ved fl ere anledninger som følge av minihull som passerte over Andøya. Dette er vist i fi gur 4, som viser målinger av totalozon for hele 2002 og litt inn i 2003. Vi ser at det i tidsrommet mellom dagene 320 og 360 er fl ere kortvarige episoder med tynt ozonlag.

Studier av polare stratosfære skyerI forbindelse med minihull blir det kal-dere enn vanlig i stratosfæren. Dette kan gi opphav til dannelse av polare strato-sfæriske skyer, et fenomen som oppstår når temperaturen synker under cirka 80 minusgrader. De lave temperaturene oppstår fordi det i stratosfæren blåser en sterk vind som presses opp og avkjøles når den passerer over det troposfæriske høytrykksområdet. Det er ved fl ere anledninger observert fl otte perlemor-skyer (en variant av polare strato sfæriske skyer) over Norge i forbindelse med minihull.

I løpet av COZUV-prosjektet, fra 1999-2002, ble det studert minihull som dukker opp om vinteren. I modul 3 vil fokus være på episoder med lite ozon som dukker opp om sommeren.

Utvikling av koblet klima-kjemimodellVi vet at ozonmengden i atmosfæren og klimaet påvirker hverandre gjen-sidig. I modul 4 ønsker vi å studere denne sammenhengen i dagens klima, og beregne hvordan ozonendringer og klimaendringer vil påvirke hverandre i fremtiden (100 år fremover i tid). Ozon-mengden i troposfæren har økt det siste hundre år mens ozonmengden i stratos-færen er redusert på grunn av utslipp av ozonnedbrytende stoffer. Innholdet av ozonnedbrytende stoffer i stratosfæren reduseres i tiden framover på grunn av kontrolltiltak, men hvor raskt dette skjer avhenger blant annet av klimaut-viklingen. En fullstendig beskrivelse av sammenhengen mellom endringer i ozon og klima kan bare gjøres med en klimamodell som er koblet til en kjemi-modul. I AerOzClim brukes en modell fra NCAR (CCM3) til dette formålet. I samarbeid med en gruppe ledet av

Figur 2. Gjennomsnittlig optisk dybde av aerosoler ved 550 nm over hav i perioden november 1996 til juni 1997. Resultater er vist for 1 og 2 kanals data for AVHRR (henholdsvis AVHRR-1 og AVHRR-2), POLDER, OCTS og TOMS.

25KlimaProg

Cicerone nr. 5/2003

AerOzClim (Aerosols, Ozone and Climate)

er et nasjonalt koordinert samarbeids-prosjekt mellom Universitetet i Oslo (UiO) og Norsk institutt for luftforskning (NILU).

I AerOzClim studeres prosesser (kjemiske, dynamiske og fysiske) som bestemmer fordeling og endring av ozon og partikler i atmosfæren, samt koblingen mellom disse og klima. Hovedhensikten er å utvikle og bruke globale modeller, sammenligne med måinger for å forbedre beskrivelsen av prosessene, og å utføre kombinerte klima-kjemi beregninger. Studiene fokuserer på følgende oppgaver:

• Beskrive den direkte aerosoleffekten ved modellstudier og sammenligning med observasjoner

• Utvikle metoder for å parameterisere strålingsprosesser og livssykler for aerosoler i generelle klimamodeller

• Analysere prosesser som er viktig for å forstå sammenhengen mellom ozonnedbryting og klima i stratosfæren

• Utvikle modellverktøy for å studere koblingen mellom ozonkjemi og klima, og implementere prosessene i klimamodeller

• Utføre koblede klima/kjemi modellberegninger, og estimere klimaeffekten av ozon og partikler

Resultatene fra aerosol beregningene skal sammenlignes med målinger og andre modellresultater. bl.a. i ”Aerocom”-prosjektet (http://nansen.ipsl.jussieu.fr/AEROCOM) som inkluderer bidrag fra modeller i Europa, USA og Japan, samt ulike typer observasjonsdata. Beregninger og observasjoner av ozon vil bidra til EU prosjektet SCOUT-O

3. Resultatene

vil dessuten bidra til IPCCs neste hovedrapport. AerOzClim er delt in i fi re hoveddeler (moduler) og i denne artikkelen presenteres de første resultatene.

Figur3. Konsentrasjoner av sulfat som funksjon av breddegrad og høyde, midlet over tre år fra en klimatologisk beregning med den globale atmosfæremodellen CCM-Oslo. Fire måter å beregne hvordan bygeskyer påvirker partikler og gasser på er benyttet. Høyden er gitt i hPa, dvs. trykk (1000 hPa er på bakkenivå, 100hPa er i 16 km høyde), den horisontale aksen viser breddegraden. Øverst til venstre: ingen vertikal transport, utvaskning kun rett under skyene; Øverst til høyre: full vertikal transport, utvaskning kun rett under skyene; Nederst til venstre: full vertikal transport, utvaskning i hele gitterruta i de nederste luftlagene der bygenedbør forekommer; Nederst til høyre: redusert vertikal transport på grunn av fallvinder, utvaskning i hele gitterruta i de nederste luftlagene der bygenedbør forekommer.

Figur 4. Målinger av totalozon over Andøya fra 1.januar 2002 til april 2003.

Cicerone nr. 5/2003

KlimaProg26

Ivar S.A. Isaksen professor i meteorologi ved Institutt for geofag, Universitetet i Oslo og koordinator for prosjektet AerOzClim (ivar.isaksen@geo.uio.no).

Michael Gausspostdoktor ved Institutt for geofag, Universitetet i Oslo, og ansvarlig for formidling av resultater fra AerOzClim (michael.gauss@geo.uio.no).

som er viktig for oksidasjonsprosessen i troposfæren, hydroksyl (OH) og hydro-genperoksid (H2O2), gir en fordeling og endring som følge av økte utslipp av forurensningsgasser, som avviker lite fra fordelingen vi får med det omfattende kjemiskjemaet som brukes i Oslo CTM2. Omfattende modellsammenlikninger har vært utført viser at avvikene er små.

Beregninger av effekten av industrialisering på gasser og klimaMed kjemimodulen implementert i klimamodellen har vi sett på hvordan klimaet fra preindustriell tid til i dag har endret seg, og hvilket bidrag som kommer fra de kjemiske aktive klima-gassene. De beregnede forandringene i ozon er i overensstemmelse med målinger og tidligere modellstudier utført med globale kjemimodeller. Endringen av ozonkolonnen er størst over konti-nentene, spesielt om sommeren hvor

Anja Midttun og Atle Nesje,

NORPAST

Eit vassdrag er eit dynamisk system som alltid er i endring, og fl aum er ein natur-leg del av dette systemet. Endringar som følgje av fl aum fører vanlegvis til at vass-drag etablerer ny likevekt tilpassa dei nye tilhøva. Miljøendringar som følgje av fl aum vert derfor vanlegvis ikkje sett på som skade på miljøet. Først når menneskeskapte verdiar som bygningar, infrastruktur og jordbruksområde vert øydelagde av fl aum, er det relevant å nytte omgrepet skade (Sælthun 1999).

Ekstreme elvefl aumar har ført til store skadar i Europa gjennom dei siste par hundre åra (Mudelsee m fl . 2003). Det er

venta at utslepp av klimagassar vil føre til klimaendringar og endringar i den hydrologiske syklusen og dermed fare for auka fl aumrisiko. Klimascenariar tyder på at det truleg vert meir ekstremt vêr i vår region utover i dette hundreåret, som til dømes auka frekvens av store ned-børsmengder og dermed større avren-ning (Førland m fl . 2000, Haugen 2002, Skaugen m fl . 2002, Engen Skaugen og Roald 2003, Iversen m fl . 2003, Roald m fl . 2003). Kraftig uvêr eller ekstremvêr kan føre til fl aumar som kan gjere stor skade på skog, bygningar, folk, vegar og jarnvegar. Ekstreme vêrhendingar kan derfor få store konsekvensar i eit sam-funn med ein stendig meir samansett infrastruktur.

VossavassdragetVossavassdraget (Figur 1) er det største vassdraget i Hordaland fylke og eit av dei største på Vestlandet. Norges vassdrags- og energidirektorat (NVE) har føreteke vasstands- og vassføringsmålingar på Bulken ved Voss sidan 1892 (Figur 2) og ved Myrkdalsvatn sidan 1964 (Figur 3). Ved målestasjonen på Bulken er det blitt målt vassføring over middelfl aum (370 kubikkmeter per sekund), 81 gonger sidan 1892. 55 av desse er målt etter 1950, medan 43 av desse att, er målt etter 1970. Med andre ord er meir enn halvparten av dei største vassføringane i den 110 år gamle måleserien kome i løpet av siste 30-årsperiode. I gjennom-snitt har årleg maksimalvassføring ved målestasjonen ved Bulken auka med

Historiske fl aumar i VossavassdragetVossavassdraget er det største vassdraget i Hordaland og eit av dei største på Vestlandet. Gjennom historia har vassdraget blitt råka av mange fl aumar. Mange av desse har gjort stor skade i Vossabygda. Når forskarar no spår meir regn, spesielt på Vestlandet, vil fl aumfaren verte større.

Professor Wei-Chyung Wang ved State University of New York har vi inkludert en kjemimodul i NCAR CCM3. Bakg-runnen for at vi har gjort dette er at de fl este kjemiske komponenter varierer i konsentrasjon mellom ulike geografi ske regioner og i ulike høyder. Flere gasser som er viktige for kjemiske prosesser påvirker også stråling. Det gjelder også ozon, som er i fokus i AerOzClim.

Utvikling av forenklet kjemi for studier i klimamodellerÅ inkludere kjemiberegninger i en klima-modell krever store maskin ressurser. Dette betyr i praksis at vi fant det nød-vendig å utvikle en kjemimodul hvor antall gasser som beregnes i NCAR CCM3 modellen er mer enn halvert i forhold til hva som brukes i den globale kjemimodellen Oslo CTM2. Foren-klingene ble utført slik at de aktive klimagassene ozon og metan og gasser

kjemien er mer aktiv på grunn av mer sollys. Den globalt midlede forskjellen i ozonkolonnen er beregnet til 14.3 dob-sonenheter som gir et strålingspådriv på ca 0,58 W/m2. Dette strålingspådrivet skyldes endringene i utslipp av gasser fra førindustriell tid til i dag. I AerOzClim arbeider vi nå med å inkludere en for-enklet kjemimodul også for stratosfæren.