OORSIG VAN KLIMAATMODELLE. Opsomming

Transcriptie

1 OORSIG VAN KLIMAATMODELLE LWR324 Opsomming GCMs Beskrywing & geskiedenis Komponente & vergelykings Tipes & voorbeelde Streeksmodele PRECIS WNNR Afskaling dinamies vs. statisties Bronne van waarnemings 1

2 Algemene Sirkulasie Modelle (ASMe)... General Circulation Models (GCMs) rekenaar-gedrewe modelle vir weervoorspelling, om klimaat beter te verstaan & klimaatveranderinge te projekteer ook genoem Globale Klimaatmodelle (GKMe) numeries intensiewe berekeningsmodelle gebaseer op integrasie van verskydenheid van hidrodimiese, chemiese & ook biologiese vergelykings Algemene Sirkulasie Modelle Stelsels differensiaalvergelykings gebaseer op basiese wette van fisika, vloeistofdinamika & chemie Wetenskaplikes veerdeel die planeet in ʼn 3-dimensionele ruitnetwerk, pas die primêre vergelykings toe & evalueer die resulte Atmosferiese modelle bereken druk, wind, hitteoordrag, straling, relatiewe humiditiet & oppervlakhidrologie by elke ruitpunt Evalueer interaksies met aangrensende punte 2

3 Geskiedenis 1950s NOAA eerste numeriese modelle 1960s straling-konveksie modelle 1969 Energiebalans modelle 1980 Algemene Sirsulasiemodelle Nou GKM = Globale Klimaatmodelle beskryf klimaat deur integrasie van verskillende vloeistofdinamika, chemiese of selfs biologiese vergelykings Kombinasies van modelle atmosferiese GKMe (GCMs) = AGKMe (AGCMs) oseaan GKMe (GCMs) = OGKMe (OGCMs) AGKM & OGKM kan ook saam gekoppel word om atmosfeer-oseaan gekoppelde algemene sirkulasiemodel of AOGKM (AOGCM) te vorm 3

4 Altyd nuwe ontwikkelings Atmosfeer toename in aantal komponente Oseaan toenemende resolusie Uiterste toets = is voorspelling korrek? Verskillende tydskale Lank = geologies, geofisies, glasiologies Kort = lugkwaliteit, besoedeling & chemie Verskillende ruimtelike skale Globaal streek plaaslike afskaling 4

5 Klimaatstelsel komponente Interaksies tussen komponente Interaksies tussen prosesse Afhanklik van temperatuur-lugdruk & samestelling van komponente Met verskillende tyd & ruimtelike skale Klimaatstelsel komponente 5

6 Globale Klimaatmodelle Voorspelling beskryf van streek tot globale skaal atmosferiese & oseaanverskynsels Beoog om klimaat te beskryf Deur integrasie van verskillende vloeistof-dinamiese, chemies en/of biologiese vergelykings wat of afgelei van fisiese wette (bv. Newton se wet) of gebou deur meer empiriese metodes 6

7 Gebruik van GKMe Navorsingstudies & operasionele toepassing: weervoorspelling seisoenale vooruitskouing klimaatsverandering projeksies Maar hoogs kompleks baie skakels & terugkoppelings Nie-lineêr moeilik om te modelleer Model = vereenvoudiging van die ware wêreld a) prosesse party gedetailleerd / party eenvoudig Maak gebruik van - waarnemings - empiriese afleidings - fisiese wette - teoretiese voorstellings b) tyd & ruimte resolusie tyd tydstap bereken vir nuwe tydstap dan herhaal vir volgende want nie vaste-toestand algemeen verkort tydstap potensieel meer akuraat ruimte algemeen kleiner meer betroubaar bv. lengtegraad gemiddelde waardes MAAR. tyd & ruimte is gekoppel 7

8 Belangrike komponente in Model a) Straling insette, absorpsie van sonstraling; - uitstraling van infrarooistraling b) Dinamika beweging van energie om wêreld Wind, seestrome (hoog tot lae breedtegrade), vertikale bewegings (kleinskaalse turbulensie, konveksie, diepwater) c) Oppervlakprosesse invloed van see- & land -ys, sneeu, plantegroei veranderings in albedo, emissiwiteit, oppervlakatmosferiese energie & voguitruiling d) Chemie atmosferiese bestandele, interaksies (CO 2 tussen oseane / land / lug) vervanging tussen oseaan, land, atmosfeer e) Resolusie in ruimte & tyd Tydstap van model horisontale & vertikale skale 8

9 Fundamentele vergelykings in GKMe a. Behoud van energie 1 ste wet van termodinamika insette van energie = toename in interne energie + arbeid b. Behoud van momentum massa snelheid binne ʼn sisteem kan momentum slegs verander deur die aksie van kragte soos bepaal deur Newton se bewegingswette Newton se 2de wet van beweging krag = massa versnelling c. Behoud van massa kontinuïteitsvergelyking som gradiënte van digtheid 3-D vloeispoed = 0 toegepas op lug & vog vir atmosfeer toegepas op water & soute vir oseaan ook om oseaanmerkers & wolke te volg d. Ideale gaswet pv = nrt benaderde vergelyking van atmosferiese toestand lugdruk volume = gaskonstante absolute temperatuur e. Behoud van entropie 2 de wet van termodinamika maatstaf van onbeskikbaarheid van stelsel se termiese energie vir omskakeling na meganiese energie 9

10 Tipe Klimaatmodelle 1. Energie balans (EBM) een dimensioneel - voorspel variasie van oppervlakte T (by seevlak) met breedtegraad - EB in elke breedtesone eenvoudige vergelykings 2. 1-D straling-konveksie (RK) - wêreld gemiddelde vertikale temperatuurprofiel - gebruik stralingsprosesse - gebruik konveksie aanpasing om vervaltempo te bereken 3. 2-D statisties-dinamies (SD) - oppervlakprosesse, - dinamies in sonaal-gemiddelde raamwerk - vertikale resolusie in atmosfeer - inkorporeer chemiese reaksies 4. Globale sirkulasie (GKM) - 3-D atmosfeer en/of oseaan - klimaatsprosesse gee belangrike prosesse weer Voorbeelde gekoppelde atmosfeer-oseaan GKMe (AOGKMe, bv. HadCM3, EdGCM, GFDL CM2.X, ARPEGE-Climat) sit 2 bymekaar Meeste van simulasies wys moontlike ooreenstemming met waargenome temperatuurafwykings oor afgelope 150 jaar, as geforseer deur waargenome verskille in kweekhuisgasse & aërosols, maar beter ooreenstemming kan behaal word as natuurlike forserings ingesluit is 10

11 11

12 Globale Modelprojeksies 12

13 1. Dinamiese afskaling Tipe afskaling 2. Statistiese afskaling 1. Dinamiese Afskaling GKM resolusie nie klein genoeg vir kleinskaalse atmosferiese sirkulasie Kan gedetailleerde simulasies maak vir geselekteerde streke deur streeksklimaatmodel (SKM) (Regional Climate Model = RCM of Limited Area Model = LAM) in GKM te nestel GKM se grootskaal-velde word gebruik as begin dryfkrag & tydafhanklike grenstoestande (6-uurliks) vir SKM See-oppervlaktemperature gegee 13

14 SKM vir area van toepassing: Steeksklimaatmodel : Die SKM word gekoppel aan die globale model wat gereeld grenstoestande aan die SKM verskaf tydens integrasie (bv. elke 6 ure) 14

15 Koppelingsone wat die samesmelting tussen die globale model en SKM bewerkstellig Streeksklimaatmodelle (SKMe) Regional Climate Models (RCM) Plaaslik klimaatveranderinge word baie beïnvloed deur plaaslike topografie soos berge Maar hulle is nie goed verteenwoordig in globale modelle a.g.v. lae resolusie Maar hoë resolusie kan prakties nie gebruik word vir simulasie oor lang tydperke nie Daarom gebruik ons Streeksklimaatmodelle (SKMe) hoë resolusie (tipies 50 km of laer) vir beperkte areas (300 km) Loop vir korter periodes (±20 jaar). Kan dan topografie soos komplekse berge, kusgebiede, klein eilande & skiereilande sien SKMe kry insette by grens See-opervlak toestande van AOGKMe 15

16 Model topografie Voorbeeld van topografie in model Topografie in model Ware topografie Topografie in model na gebruik van 2X horisontale & vertikale resolusie 16

17 Vergelyking met GKMe Grootskaal gemiddelde sirkulasie van SKM soortgelyk met dryfkrag van GKM SKM gee beter streeksbesonderhede van temperatuur & reënvalverspreiding SKM kan streekstrukture simuleer: Maksimum reënval by kus & berge Skerp temperatuurgradiënt by kus In SKM kan beter orografiese neerslag voorspel RCM PRECIS Ontwikkel om te help om hoë resolusie klimaatveranderinge inligting te produseer vir verskillende dele van die wêreld PRECIS is gratis beskikbaar vir groepe in ontwikkellende lande om te help om klimaatveranderingscenarios te ontwikkel by nasionale sentrums van uitnemendheid Terselfdertyd kan kapasiteit gebou word & plaaslike klimatologiese personeel gebruik word scenarios kan gebruik word om impak, kwesbaarheid (vulnerability) & aanpasbaarheid te bestudeer Om te help met Nasionale verslae vir United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC) & IPCC verslae 17

18 PRECIS - HadAM3P Globale net-atmosferiese model Met resolusie in die orde van 150 km Geforseer by oppervlak grenstoestande (seeoppervlaktemperature & see-ys gedeelte) van HadCM3 & waarnemings Geloop vir 2 tydperke "time slices": & PRECIS - HadAM3P ʼn Omvattend stel van veranderlikes is gekies vir PRECIS uitsette Gebruiker kan bolugvlakke spesifiseer Veranderlikes is outomaties uitgegee as klimaat" gemiddeldes (maandeliks, seisoenaal, jaarliks, 10-jaarliks ens.) Daaglikse & uurlikse gemiddeldes kan ook gekies word 18

19 Atmosferiese modellering & voorspelling by WNNR Atmosferiese modelontwikkeling: Nie-hidrostatiese vergelykings Numeriese oplossingmetode Cumulus parameteriseringskemas ens. Operasionele produkte: Kort-termyn numeriese weervoorspelling Seisoenale voorspelling Klimaatveranderingscenarios Conformal-Cubic Atmospheric Model Ontwikkel deur CSIRO Marine and Atmospheric Research, Australië (Dr JL McGregor) CCAM is geformuleer op konformiese-kubieke roosternetwerk Quasi-uniform C48 grid with resolution about 210 km 19

20 8/24/2011 Operasionele WNNR voorspellingsprodukte 9-dae globale voorspelling met 60 km resolusie oor tropiese en suidelike Afrika Veranderlike resolusievoorspelling Resolusie neem gelydelik af van area van belang Operasionele UP Voorspelling Produkte 4-dae voorspelling met 15 km resolusie oor Suid-Afrika Veranderlike resolusie voorspelling Hoog resolusie oor area van belang Vêr-veld nudging oor lae resolusie panele van 9-dae globale oorspelling kry dinamiese afskaling van 60 km voorspelling 20

21 Operasionele UP Voorspelling Produkte 4-dae voorspelling met 8 km resolusie oor hoëveld Veranderlike resolusie voorspeling Hoog resolusie oor area van belang Vêr-veld nudging oor lae resolusie panele van15 km voorspelling Dinamiese afskaling van 15 km voorspelling Voorspelling: 3 uur opgehoopte reënval (mm/dag) :00 GMT 60 km voorspelling Voorspelling afgeskaal na 15 km 21

22 3 uur opgehoopte reënval (mm/dag) :00 GMT Vergrooting van 60 km voorspelling Afgeskaal na 8 km 15 km Voorspelling 2. Statistiese Afskaling Lei fyner resolusie klimaatinligting van growwe GKM uitvoere Plaaslike klimaat is gekondisioneer deur beide die plaaslike fisiografiese kenmerke asook grootskaalse atmosferiese toestand Op basis hiervan word ʼn verwantskap opgestel tussen grootskaalse atmosferiese velde en plaaslike veranderlikes d.m.v. ʼn statistiese model GKM simulasies word gebruik as invoer van grootskaalse atmosferiese veranderlikes (bv. 850 hpa geopotensiële hoogtes) om dan die plaaslike klimaatsveranderlike (bv. oppervlak temperatuur) af te skaal m.b.v. waargenome klimaatdata Fundamentele aanname: Dit is mootlik om betekenisvolle verhoudings tussen plaaslike & grootskaalse klimaat te kry Verhoudings moet geldig wees onder toekomstige klimaatstoestande Mag moontlik wees om sekere streeksklimaatkontroles te inkorporeer en sodoende waarde toe te voeg tot grootskaalse GKM uitvoere oor sommige areas Omdat modelle nie perfek is nie, mag daar sistematiese foute voorkom, maar statistiese voorspellings gebaseer op dinamiese modelinligting kan kompenseer vir sodanige vooroordele 22

23 Globale Klimaatmodel (GKM) Grootskaalse voorspeller veranderlike bv. 850, 700, 500 & 200 hpa geopotensiële hoogtes, 700 hpa relatiewe humiditeit, hpa dikte & hpa dikte Waargenome data vir voorspelde veranderlike, bv. reënval & temperatuur Oordragfunksies bv. Veelvoudige Lineêre Regressie Prinsipale Komponent Analise Kanoniese Korrelasie Analise Kunsmatige Neurale Netwerke Kalibrasie & Verifikasie van model Kleinskaalse voorspelde veranderlike bv. reënval & temperatuur Bronne van Waargenome Data Konvensionele waarnemingsnetwerk Satelliet afgeleide reënval Radar afgeleide reënval SIMAR (kombinasie van boonstes) Kry daaglikse, maandelikse & seisoenale reënvalkaarte 23

24 Konvensionele Netwerk Reënvalstasies Reënval vanaf Satelliet Reënval vanaf Radar SIMAR (kombinasie) 24