KLIMATSKI MODELI• Klimatski model je poskus simulacije številnih dejavnikov in

procesov, ki oblikujejo klimo. • Namen modeliranja je 1. poglobiti raumevanje teh procesov in 2. napovedovati učinke njihovih sprememb in 3. velikost interakcije med njimi. • Klimatski sistem opišemo z osnovnimi fizikalnimi, kemijskimi in

biološkimi zakoni in tako so modeli skupek nizov enačb. • Klimatski modeli so zaradi številnih procesov, ki jih modelirajo,

počasni in dragi za uporabo, celo na najzmoglivejših računalnikih in navkljub temu so njihovi rezultati le aproksimacije. Zato se v novejšem času vse bolj uveljavljajo ideje o potrebi po poenostavitvah.

• Zaradi številnih vzrokov je model vedno le poenostavljena slika realnega sveta. Klimatskih procesov še vedno popolnoma ne razumemo, vemo pa, da so zapleteni.

Different response times in the climate system

Razvoj klimatskih modelov

Atmosfera Atmosfera Atmosfera Atmosfera Atmosfera Atmosfera

Kopno Kopno Kopno Kopno Kopno

Ocean & m. led Ocean & m. led- Ocean & m. led Ocean & m. led-

Sulfatniaerosol

Sulfatniaerosol

Sufatniaerosol

Ne-sulfatniaerosol

-Ne sulfatniaerosol

Ogljikov cikel Ogljikov cikel

Atmosferskikemizem

Modeli oceanov-ledu

ModelCikla žvepla

Ne -sulfatniaerosoli

Modelogljikovega cikla

Model oglj.cikla-kopno

Model oglj.cikla-ocean

KemizemAtm.

KemizemAtmosfere

Vzporednirazvojmodelov

Temnjenje barv pomeniIzboljšavo modelov

1970-ta leta sredina 1980-tih Zgodnja 1990-ta Pozna 1990-ta 2000 Danes

Najpomembnejše komponente, ki jih moramo upoštevati pri

izdelavi in razumevanju modela klimatskega sistema

• sevanje – način kako modeliramo sončno obsevanje in absorbcijo ter emisijo dolgovalovnega sevanja

• dinamika – prenos energije okrog planeta z vetrovi in oceanskimi tokovi od ekvatorja proti polu in vertikalni prenosi (turbulenca v majhni skali, konvekcija in prenos energije v globino oceanov

• procesi na zemeljskem površju - vključevanje učinkov morskega in kopnega ledu, snega in vegetacije, ki spremenjajo albedo, emisivnost, energijske tokove na površju in pogojujejo vodni cikel oz. izmenjavo vlage

• kemizem klimatskega sistema - kemijsko sestavo atmosfere in interakcije z ostalimi deli klimatskega sistema (npr. izmenjava ogljika med oceani, kopnim in atmosfero)

• prostorska in časovna resolucija - časovni korak modela in izbira horizontalnih in vertikalnih dimenzizij oz. skal

Obstajajo 4 temeljni tipi klimatskih modelov

• Modeli energijskih bilanc so enodimenzionalni in simulirajo spremembe temperature površja na nivoju morske gladine po geografski širini. Uporabljajo močno poenostavljene zveze za izračun energijske bilance v posameznem širinskem pasu.

• Enodimenzionalni sevalno-konvektivni modeli, ki računajo vertikalni profil temperature (običajno gre za globalno povprečje) z eksplicitnim modeliranjem sevalnih procesov in "konvektivnim prilagajanjem" privzetega temperaturnega profila.

• Dvodimenzionalni statistično-dinamični modeli, ki eksplicitno obravnavajo procese na zemeljskem površju in dinamiko atmosfere v okviru zonalno povprečenih okvirov in imajo vertikalno resolucijo atmosfere. Ti modeli so startna osnova za vključevanje kemizma v globalnih modelih.

• Globalni cirkulacijski modeli, ki vključujejo trodimenzionalnost atmosfere in/ali oceanov. Skušajo zajeti vse najpomembnejše klimatske procese.

Relativen pomen opisanih procesov in teoretično osnovo za njihovo parametrizacijo lahko predstavimo z piramido klimatskega modeliranja.

•Robovi piramide predstavljajo osnovne elemente modelov, kompleksnost modelov pa se odraža v vertikalni poziciji modela.

•Blizu baze piramide najdemo preproste klimatske modele, ki temeljijo samo na enem primarnem procesu (npr. sevanje), višje proti vrhu piramide pa modeli vključujejo več interakcij med procesi.

•Tako modeli postajajo vse kompleksnejši, imajo pa tudi večjo prostorsko in časovno resolucijo.

Klimatski modeli sevalne balance 0-dimenzionalni model Ta enostaven model računa samo povprečno temperaturo na Zemlji, neodvisno od časa in se imenuje ničdimenzionalen, ker porazdelitev temperature na Zemlji zreducira v eno samo točko, globalno povprečje. Najenostavnejši klimatski model je sevalna bilanca Zemlje je energijska bilanca, ki predpostavlja, da je v ravnovesju količina sončne energije S, ki jo sprejme sistem, enaka količini energije zemeljskega sevanja D, ki zapusti sistem.

S = D

Ob upoštevanju Stefan-Boltzmanovega zakona D 4pT

kjer je Stefanova konstanta Tp ef. sev. T črnega telesa za sistem Zemlja-ozračje (v K),

prepišemo enačbo S=D v najenostavnejši klimatski model oblike

24p

2o R4TR)1(S

414 p

o TS

)( .

V členu na levi strani predstavlja So/4 vpadno sončno sevanje približno 343 W/m2, povprečeno po celi površini Zemlje (torej je to So “sončna konstanta" deljena s 4, ker je površina Zemlje enaka štirikratni ploščini Zemljinega diska, ki prestreza sončno svetlobo); je planetarni albedo.

Klimatski modeli sevalne balance 1-dimenzionalni model v enodimenzionalnem modelu obravnavamo n (1, 2,....n) neodvisnih različnih širinskih pasov. Za i-ti širinski pas lahko zapišemo: Si (1- (Ti)) = D(Ti) + F(Ti) Nov člen F(Ti) opisuje izgubo energije iz širinskega pasa v sosednji hladnejši širinski pas. Zeankrat v naši časovni skali še vedno zanemarimo skladiščenje energije v sistem. Če bi ga upoštevali, bi dodali še en člen na desni strani enačbe.

Si= )(f4

So

Funkcija f() opisuje razporeditev vpadlega sončnega sevanja po geografski širini. Gre za popravljeno kosinusno obliko razporeditve, ki upošteva še nagib Zemeljske osi. Vrednosti f() so na primer na ekvatorju 1.219, blizu pola pa 0.5.

Vsi členi enačbe so funkcije temperature, vključno z albedom, ki se drastično poveča, če je temperatura dovoj nizka, da pride do nastanka snega ali ledu. D je premosorazmerna s T4, vendar je ta odvisnost v temperaturnem intervalu od 250 do 300 K lahko približno linearna. Tudi F je funkcija temperaturne razlike med zonalno temperaturo (Ti) in povprečno globalno temperaturo (T).

Albedo opišemo kot

KRi

KRiii T T za 0.3

TT za 0.6T

TKR je temperatura na snežnem robu, tipično med 0 in -10C. Dolgovalovno sevanje, ki zapušča vrh širinskega pasu lahko zaradi majhnega temperaturnega razpona aproksimiramo z linearno zvezo D= A+B Ti kjer sta A in B empirični konstanti, ki opišeta učinek tople grede za oblake, vodno paro in CO2. Privzete vrednosti so A= 204 Wm-2 in B=217 Wm-2°C-1

Tudi pri opisu velikosti transporta energije upoštevamo empirično konstanto K, ki je transportni koeficient

F (Ti)= K(Ti- T )

Če enačbi D= A+B Ti in F (Ti)= K(Ti- T ) vstavimo v enačbo Si (1- (Ti)) = D(Ti) + F(Ti) in jo preuredimo, lahko izrazimo T i-tega zonalnega pasu kot:

KB

ATKST ii

i

)( 1

NALOGE 1. Kolikšno znižanje solarne konstante je potrebno, da pride do popolne zaledenitve Zemlje? Uporabi privzete vrednosti A= 204 Wm-2 B=217 Wm-2°C-1 K=3.81 Wm-2°C-1 TKR= -10°C Izberi nove vrednosti A, B, K in albeda in ponovi prvi del naloge! 2. Različni avtorji predlagajo različne vrednosti transportnega koeficienta K. Budyko: K=3.81 Wm-2°C-1 , Warren in Schneider : K=3.74 Wm-2°C-1 .

Kako občutljiv je model na vrednost K? Kakšne klimatske razmere se pojavijo na Zemlji pri zelo majnih

(velikih) vrednostih K? Kako občutljive so te razmere na spremembo solarne konstante?

3. Opazovanja kažejo, da bi bila tla popolnoma prekrita s snegom pozimi pri povprečni letni temperaturi zraka 0°C, oceani pa zamrznjeni celo leto pri temperaturi okrog -13°C. Model predvideva spremembo tla/morje v sneg/led pri TKR=-10°C. Spreminjaj to vrednost in istočasno opazuj občutljivost klime na spremembo solarne konstante! 4. Albedo s snegom pokritih tal lahko variira v mejah od 0.5 do 0.8, v odvisnosti od tipa vegetacije, oblačnosti in razmerja sneg/led. Preuči občutljivost modela za spremembe albeda!