(4) Klimamodell(ering).

Presentasjon om: "(4) Klimamodell(ering)."— Utskrift av presentasjonen:

1 (4) Klimamodell(ering)

2 Først drivhuseffekten demonstrert:

3 En klimamodell må beskrive bevegelsen til vann og luft på en roterende kule med oppvarming i tropene og nedkjøling ved polene. Løsningen ble først fremsatt i 1904 av en norskfødt forsker i Stockholm, som senere ble første leder av det det nyopprettede Geofysisk institutt ved UiB i 1917…

4 (Meteorologische Zeitschrift 1904)
Vilhelm Bjerknes Dersom det er slik, som alle naturvitenskapelig tenkende mennesker tror, at framtidige tilstander i atmosfæren utvikles fra den foregående i følge fysikkens lover, da er det innlysende at den nødvendige og tilstrekkelige betingelse for en rasjonell løsning av problemet værvarsling er som følger: (Meteorologische Zeitschrift 1904) Man må med tilstrekkelig nøyaktighet kjenne atmosfærens tilstand ved et bestemt tidspunkt. Man må med tilstrekkelig nøyaktighet kjenne lovene som styrer utviklingen av atmosfæren fra en tilstand til den neste.

5 ENIAC Electronic Numerical Integrator And Computer, 1946-55
Første numeriske væranalyse av von Neumanns gruppe i Princeton i 1950, basert på Bjerknes (1904) og Richardson (1922) [Eliassen og Fjørtoft, Princeton til Norge] Arnt Eliassen som prof i geofysikk v/UiO og Ragnar Fjørtoft som direktør ved Meteorologisk institutt.

6 Fra værvarsling- til jordsystemmodell
Atmosfære Atmosfære Landoverflate Hav & havis modell Atmosfære Landoverflate Hav & havis Sulfat aerosol modell Karbonsyklus- modell, land modell, hav Atmosfære- kjemi Atmosfære Landoverflate Hav & havis Sulfat aerosol Ikke sulfat aerosol Karbonsyklus- modell Atmosfære Landoverflate Hav & havis Sulfat aerosol Ikke-sulfat aerosol Karbonsyklus Atmosfære- kjemi Atmosfære Hav & havis Sulfat aerosol Ikke-sulfat aerosol Karbonsyklus Atmosfære- kjemi Landoverflate Operasjonell modell Sterkere farge betyr fordedret modell-komponenter Forbedret modellkomponenter og økt kompleksivitet Issokkel / iskappe Modell-utvikling Sterkere farge betyr fordedret modell-komponenter The Hadley Centre climate model has developed over the last 25 years into what we now term an Earth Systems Model. During that time, models of the main components, atmosphere, land, ocean and sea-ice, have been developed separately ("off-line") and gradually integrated. This coupling of the various components is a difficult process. Most recently a sulphur cycle model has been incorporated, to represent the emissions of sulphur and how they are oxidised to form aerosol particles. Currently in progess is the coupling of the land carbon cycle and the ocean carbon cycle. The atmospheric chemistry component is modelled outside the main climate model (“offline”) at the moment. The intention is to couple this into the climate model in due course; however, the atmospheric chemistry model is a very complex with many different chemical species and reactions. To couple it interactively will require a lot more computing time. The ultimate aim therefore is to model as much as possible of the whole of the earth's climate system so that all the components can interact and thus the predictions of climate change will continuously take into account the effect of feedbacks. Øvre atmosfære Modifisert, Hadley Centre, UK

7 + virkning fra klimagasser og aerosoler
Bevaring av bevegelses-mengde Bevaring av vanndamp Bevaring av varme Strålingsføring Atmosfære Overflate drag Varme-utveksling/stråling Fordamp-ning og nedbør Vannbudsjett Snø- og is-budsjett Varme- budsjett Land Avrenning Bevaring av salt Momentumlign. + termodynamikk for havis Bevaring av varme Bevaring av bevegelses-mengde Hav Etter Manabe & Stouffer (2000)

8 En væskes bevegelse på en roterende kule
- Bjerknes (1904) - Richardson (1922) - Charney, Fjørtoft, von Neumann (1950) - Testes i værvarsling 4 ggr om dagen, året rundt Bevaring av bevegelses-mengde Bevaring av vanndamp Bevaring av varme Strålingsføring Atmosfære Overflate drag Varme-utveksling/stråling Fordamp-ning og nedbør Vannbudsjett Snø- og is-budsjett Varme- budsjett Land Avrenning Bevaring av salt Momentumlign. + termodynamikk for havis Bevaring av varme Bevaring av bevegelses-mengde Hav Etter Manabe & Stouffer (2000)

9 Ligninger for atmosfæren (tilsvarende for havet)
Massebevegelse ØV-retning Massebevegelse NS-retning Bevaring av masse Bevaring av vann Bevaring av energi Hydrostatisk ligning Tilstandsligning F: Friksjon og alle andre bidrag M: Kondensering E: Fordamping Q: Netto varmetilførsel

10 Ligninger for atmosfæren (tilsvarende for havet)
Et koplet sett av internt konsistente, dynamiske og termodynamiske ligninger. Påvirker hverandre på et stort spenn av lengde- og tidsskalaer. Observasjoner blir ikke brukt når en modell kjøres; modellen genererer sitt eget vær og sitt eget klima. Eksisterer ingen enkel fiks om f.eks. simulert havis avviker fra observert havis; da må problemet forstås og bedre fysikk/termodynamikk legges inn. Viktige prosesser som ikke kan oppløses må beskrives vha. parameteriseringer.

11 Ligningen(e) som beskriver en væskes bevegelse kan ikke løses analytisk, så regnemaskiner må benyttes Regnemaskiner forstår ikke kalkulus (derivasjoner, integraler, etc), bare de grunnleggende aritmetiske operasjonene: Løsningen er numeriske metoder

12 Økt oppløslighet (også vertikalt)
1990 2007 IPCC2007F1.4 IPCC AR4, WG1 (2007)

13 “Høyoppløslig” global modell
Typisk oppløsning for (dynamisk) nedskalering IPCC AR5, WG1 (2013)

14 Noen NorESM-tall for CMIP5-kjøringene
Temperature, humidity, wind… ç‹ç‹wind, Snow Sea ice Noen NorESM-tall for CMIP5-kjøringene Oppløsning på 1,9°×2,5° (vertikale lag: 26 i atm, 53 i hav) gitterpunkt i atmosfæren, ,5 millioner gitterpunkt i havet 2,500 simuleringsår for CMIP5 kjøringene 250 dager for å gjennomføre modell-eksperimentene Kjørt på CRAY XT4 ved Univ. i Bergen, på 312 prosessorer Ruddiman, 2001

15 Klimamodell som et laboratorium

16 Virkning av ulike klimapådriv, NorESM
Bare variasjon av drivhusgasser Iversen mfl. (2013), Bentsen mfl. (2013)

17 Virkning av ulike klimapådriv, NorESM
Bare variasjon av drivhusgasser aerosoler Iversen mfl. (2013), Bentsen mfl. (2013)

18 Virkning av ulike klimapådriv, NorESM
Bare variasjon av drivhusgasser aerosoler sol og vulkaner

19 Virkning av ulike klimapådriv, NorESM
Alle bidrag (3 simuleringer) Bare drivhusgasser Iversen mfl. (2013), Bentsen mfl. (2013)

20 Virkning av ulike klimapådriv, NorESM
Alle bidrag (flere simuleringer) Observert global temperatur Observert, global temperatøkning skydes i hovedsak økt drivhuseffekt () og virkningen av aerosoler (). Dagens klimamodeller kan gjenskape mange sider av observert klima. Ingen modell vil noen gang kunne beskrive naturen i ett og alt, bare tilnærminger er mulig. Iversen mfl. (2013), Bentsen mfl. (2013)

21 usikkerhet ≠ ingen sikkerhet
Mulig, framtidig klima usikkerhet ≠ ingen sikkerhet

22 Global population (billion) Total global CO2-emissions (Gt-C/yr)
2006

23 Global population (billion) Global CO2-emissions (Gt-C/yr)
2006

24 Global population (billion) Global CO2-emissions (Gt-C/yr)
2006

25 Global population (billion) Global CO2-emissions (Gt-C/yr)
RCP8.5 RCP6.0 RCP4.5 RCP2.6 Global population (billion) Global CO2-emissions (Gt-C/yr) 2006

26 Global population (billion) Global CO2-emissions (Gt-C/yr)
RCP8.5 RCP6.0 RCP4.5 RCP2.6 Global population (billion) Global CO2-emissions (Gt-C/yr) 2006 2015

27 Global population (billion) Global CO2-emissions (Gt-C/yr)
RCP8.5 RCP6.0 RCP4.5 RCP2.6 Global population (billion) Global CO2-emissions (Gt-C/yr) 2006 2015

28 Mulig (modellert) endring av global temperatur
( relativt til ) RCP8.5 +3.7 °C Fra 1850: +1.0 til +2.4 °C RCP2.6 +1.0 °C Fra 1850: +3.3 til +5.5 °C Med en global oppvarming på 2-3 grader, må vi ~3.2 millioner år tilbake i tid for å finne et tilsvarende klima