4. fejezet - Globális éghajlatmodellezés

Tartalom

4.1. Az éghajlatmodellezés története
4.2. A modern globális éghajlatmodellek áttekintése
4.2.1. Légköri általános cirkulációs modellek
4.2.2. Óceáni általános cirkulációs modellek
4.2.3. Földfelszín és felszíni réteg modellek
4.2.4. Tengeri jég modellek
4.3. A modellek összekapcsolása és a kapcsolt modellek értékelése
4.3.1. A globális energiaegyensúly hangolása
4.3.2. A modellek értékelésének lehetőségei
4.3.3. Modellértékelési metrikák használata
4.4. Az éghajlatszimulációk főbb típusai napjainkban
4.5. Miért kellenek az egyszerűbb modellek, az EMIC-ek?
4.6. Mennyire megbízhatók az éghajlat jövőbeli alakulásának előrejelzésére használt modellek?
Összefoglaló ellenőrző kérdések

A következő áttekintést két olyan dokumentum alapján állítottuk össze, melyek hitelességéhez nem férhet kétség, és amelyek mindegyike komplex értékelést ad a jelenleg alkalmazott klímamodellekről. Az egyik felhasznált irodalom az amerikai Klímaváltozási Helyzetértékelő Program (U.S. Climate Change Assessment Program, CCSP) keretében eddig megjelent 21 kötetből álló Synthesis and Assessment Product (SAP) című sorozat. Az általunk alapul vett jelentés a Climate Models: An Assessment of Strengths and Limitations (Bader et al., 2008) címet viseli. A másik forrás az IPCC Első Munkacsoportja (WG1) által összeállított Negyedik Helyzetértékelő Jelentés 8. fejezete (Randall et al., 2007). A két dokumentum közül az első az, amely tartalmában és szerkezetében talán jobban megfelel könyvünk célkitűzéseinek, ezért arra támaszkodunk nagyobb mértékben. Ugyanakkor megjegyezzük, hogy az IPCC Jelentéseket azért tartjuk nagyon fontos forrásnak, mivel a világ tudományos közvéleményének hosszú egyeztetési folyamat során kialakított konszenzusát tartalmazzák.

Elsőként tekintsük át, hogy milyen tárgyköröket érintenek a fenti összefoglalók. Ebből természetesen következtetni lehet arra is, hogy a fejezetben a klímamodellezés teljes kérdésköréből mely témákkal, milyen részletességgel kívánunk foglalkozni. A klímamodellezés legfontosabb kérdései napjainkban a következők:

4.1. Az éghajlatmodellezés története

A meteorológia XX. századi rohamos fejlődése a század közepére a légkört a legintenzívebben mért és dinamikájában is legjobban megismert környezeti alrendszerré tette. Az 1940-es és 1950-es években két jelentős előrelépés történt a légkör fizikai-matematikai, meteorológiai szakkifejezéssel élve dinamikai modellezésében. Egyrészt, megjelentek az első elektronikus számítógépek, melyekkel a nem-lineáris dinamikai folyamatok alakulását is szimulálni lehetett. Másrészt, kialakult a nem-lineáris légkördinamikai modellek elmélete.

Tulajdonképpen ekkor kezdődött az éghajlatmodellezés története is. Az amerikai Institute of Advanced Studies (IAS) keretei között létrejött egy kutatócsoport (ahol többek között J. Neumann, J. Charney, N. Phillips, P. Thompson, R. Fjortoft, A. Eliassen, E. Lorenz és J. Smagorinsky is dolgozott), amely az 1949–1955 időszakban elsőként valósította meg a számítógépes meteorológiai előrejelzést. Már ezzel a rövidtávú időjárás-előrejelzési modell kifejlesztésével párhuzamosan felmerült az általános légkörzés számítógépes modellezésének gondolata. Neumann János egy 1955-ben megjelent tanulmányában felvetette, hogy az általuk kidolgozott előrejelzési modellt a kezdeti feltételek (a légkör kiindulási állapotának) pontos megadása helyett pontos peremfeltételekkel lássanak el, azaz a vele szomszédos környezeti alrendszerek időben változó állapotát írják le. Ebben az esetben megfelelően hosszú időtartamra vonatkozó integrálással a modell alkalmas lenne az általános légkörzés kvázi-stacionárius eseteinek szimulációjára. E gondolattól számíthatjuk az éghajlatmodellezés megszületését.

Mivel a klímamodellezés jelenleg már 55 éves múlttal rendelkezik, lehetetlennek és feleslegesnek látszik egy ilyen rövid összefoglaló keretében a teljes fejlődéstörténet áttekintése. Bár kétségtelen, hogy a globális klímamodellezés szempontjából igazán „izgalmas” események többsége a klímamodellezés fejlődésének korai időszakában, azaz 1955 és 1990 között történt, mégis úgy gondoljuk, hogy e könyv keretei között elegendő visszatekintenünk a határkövet jelentő 1990-ig, amikor megjelent az IPCC-nek a globális éghajlatváltozást értékelő First Assessment Reportja (FAR). Az ezt követő fejlődéssel, elsősorban a jelen helyzet elemzésével és az ebből adódó feladatokkal foglalkozunk tehát e fejezetben.

1988-ban az ENSZ égisze alatt megalakult az Éghajlatváltozási Kormányközi Testület (IPCC), a nemzetközi tudományos élet és tudománypolitika történetében egyedülálló szervezet. Az IPCC egyik legfontosabb feladata a világ különböző tudományos kutatóhelyein az éghajlati rendszer és az éghajlat kutatásában elért eredmények gyűjtése, folyamatos áttekintése, valamint alapos értékelés után azok közzététele az ún. helyzetértékelő jelentésekben.

A globális klímamodellek komplexitásának, azaz a bennük figyelembevett éghajlat-alakító mechanizmusok mint modellblokkok számának fejlődése 2000-ig

4.1. ábra. A globális klímamodellek komplexitásának (a bennük figyelembevett éghajlat-alakító mechanizmusok mint modellblokkok számának) fejlődése 2000-ig (Forrás: IPCC, 2001). Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, TS-1 Box 3, Figure 1. Cambridge University Press

A szervezet tevékenysége elsősorban az antropogén eredetű éghajlatváltozás közelmúltban bekövetkezett és jövőben várható mértékére fókuszál, melyhez felhasználja az éghajlat érzékenységi vizsgálatokat, valamint a különböző emisszió szcenáriókra vonatkozó modellszimulációkat. E testület szerepe az, hogy a világ összes éghajlattal kapcsolatos kutatási eredményét értékelje és szintetizálja. Habár az IPCC semmiféle hivatalos irányító hatáskörrel nem rendelkezik az egyes kutatóhelyek fölött, mégis új korszakot nyitott az éghajlat tudományos megismerésében: a harmonizált, célirányos globális kutatómunka korszakát. Ez serkentőleg hatott az éghajlatmodellezésre is. Az IPCC 1990-ben tette közzé Első Helyzetértékelő Jelentését (First Assessment Report, FAR), mely szerint: „Az éghajlatváltozás előrejelzésének megbízhatóbbá válása az éghajlatmodellek fejlődésén alapszik, mely egyben a WCRP[1] klímamodellezési alprogramjának célja.” Ezzel szinte egyidejűleg útjára indult az Amerikai Egyesült Államok Globális Változás Kutatási Programja (eredeti angol nyelvű nevén The United States Global Change Research Program, USGCRP), amely négy kiemelt témaköre közül az egyikként az éghajlatmodellezést és a klímaváltozás előrejelzését választotta (Our Changing Planet, 1991). A két különböző szervezeti keretben folytatott kutatások, a tudományos ismeretek és a számítógép-kapacitás együttes fejlődésével a modellek (AOGCM-ek[2]) állandó tökéletesedési folyamatában realizálódtak, mind a modellek felbontása, mind pontossága, mind pedig komplexitása terén. Jól kifejezi ezt a folyamatot az IPCC WG1 2001-ben megjelent Harmadik Helyzetértékelő jelentésében megjelent 4.1 ábra, valamint a testület 2007-es, az AR4 részeként készült tanulmányból kiemelt két további ábra (4.2. ábra, 4.3. ábra) is.

A globális klímamodellek horizontális irányú felbontásának fejlődése az IPCC Helyzetértékelő Jelentései alapján.

4.2. ábra. A globális klímamodellek horizontális irányú felbontásának fejlődése az IPCC Helyzetértékelő Jelentései alapján (Forrás: IPCC, 2007a). Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Working Group I Contribution to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Figure 1.4. Cambridge University Press

A legfejlettebb globális éghajlatmodellek struktúrájának fejlődése az 1970-es évektől napjainkig

4.3. ábra. A legfejlettebb globális éghajlatmodellek struktúrájának fejlődése az 1970-es évektől napjainkig (Forrás: IPCC, 2007a). Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Working Group I Contribution to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Figure 1.2. Cambridge University Press

Egy másik jelentős, az éghajlatmodellek fejlődését serkentő tényező ebben az időszakban az volt, hogy beindult az AOGCM-ek globális szintű átfogó összehasonlítása a modellfejlesztők részvételével. Ez a program 1995-ben indult a WCRP keretein belül, és a Csatolt Modell Összehasonlítási Program (Coupled Model Intercomparison Program, CMIP) nevet viseli. A program során a nemzetközi műszer-összehasonlítási programokhoz hasonlóan összevetik és értékelik az egyes modellek eredményeit. A CMIP a modellfejlesztő tudományos közösség által általánosan elfogadott módszertant biztosít a modellek szisztematikus összehasonlítására, validálására, s elősegíti a hatékony, célirányos modellfejlesztést. A CMIP-ben gyakorlatilag a teljes globális klímamodell-fejlesztő tudományos közösség részt vesz annak indulása óta. A CMIP3 múlt- és jövőbeli éghajlati kényszer-szcenáriók alapján számított „realisztikus” klímaszcenáriókat hasonlított össze. Megállapításai az IPCC AR4 WG1 új eredményeinek jelentős részét képezték. A résztvevő intézmények az USA-ból a GFDL, az NCAR és a GISS, míg a többi (egy-egy modellel) résztvevő ország Anglia, Németország, Franciaország, Japán, Ausztrália, Kanada, Oroszország, Kína, Korea és Norvégia.

Az éghajlati rendszer teljes struktúrája és kölcsönhatás-rendszere

4.4. ábra. Az éghajlati rendszer teljes struktúrája és kölcsönhatás-rendszere (Forrás: IPCC, 2007a). Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Working Group I Contribution to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, FAQ 1.2, Figure 1. Cambridge University Press.

Az éghajlati modellek megalkotásában a két alapvető követelmény (1) az éghajlat legfontosabb jellemzőinek pontos szimulációja, valamint (2) az ezt létrehozó fizikai-kémiai-biológiai folyamatok jó megértése és beépítése. Az éghajlati jellemzők fontossági sorrendjét az emberiség számára képviselt jelentőségük alapján állíthatjuk fel. Ennek megfelelően a felszínközeli légköri jellemzők, a hőmérséklet, a csapadék, a szélviszonyok és a heves viharok sorolhatók az első néhány helyre. Kevésbé nyilvánvaló követelmény az, hogy a modellnek tartalmaznia kell azokat a komplex kölcsönhatásokat és visszacsatolásokat a légkör-felszín-óceán-krioszféra-bioszféra rendszerben, amelyek a fenti légköri-éghajlati jellemzőket létrehozzák (4.4. ábra). Egyre inkább közismert ténnyé válik, hogy a felszíni időjárási jellemzők egyik elsődleges alakítója a mintegy 10 km magasságban elhelyezkedő légköri futóáramlások rendszere. Az is egyre inkább nyilvánvaló, hogy az Egyenlítő és a sarkok közti éghajlati hőmérséklet-különbség kialakításában nagy szerepet vállal a világóceán, amelyben a hőszállítás jelentős része 3-4 km mélységben megy végbe. Ezeknek a mechanizmusoknak a valósághű leírása teszi lehetővé, hogy a korszerű klímamodellek nemcsak az éghajlati átlagértékeket, hanem az extrémumokat és a változékonyság egyéb jellemzőit is pontosan visszaadják. Végül, a klímamodelleknek valósághűen kell tükrözniük a fenti éghajlati statisztikáknak a természetes és emberi tevékenységből származó kényszerek hatására történő megváltozását, amelyet a földi környezet hőháztartásának aránylag igen kismértékű változása közvetít.

Az éghajlati rendszer folyamatai néhány órától több ezer évig terjedő idő-, és néhány centimétertől több ezer kilométerig terjedő térskálán zajlanak. Ezek együttesének pontos matematikai-fizikai leírása a nagyságrendi analízis, a folyadékdinamika és a számítási módszerek elméletének együttes alkalmazását igényli. Így végül eljuthatunk a légkörben és az óceánban érvényes megmaradási törvények egyszerűsített matematikai formuláihoz, illetve az azokra épülő, közelítő megoldást szolgáltató számítógépes algoritmusokhoz és programrendszerekhez. A modellkísérletek a világ legfejlettebb, legnagyobb számítási és memória-kapacitású számítógépeit igénylik. A rendelkezésre álló számítógép-kapacitás behatárolja a modellben alkalmazott matematikai-fizikai leírás részletességét. A számítógépek teljesítőképességének fejlődése a közelmúltban, a jelenben és remélhetőleg a jövőben is lehetővé tette ill. teszi, hogy a modellekben alkalmazott közelítések, megszorítások egyre enyhüljenek, és helyüket a teljesen egzakt fizikai leírások és matematikai formulák vegyék át. A modellekbe beépített „nem teljesen egzakt” közelítő formulákat a szaknyelv lezárásnak vagy parametrizációs sémának nevezi. Ezek használatára még ma is szükség van ahhoz, hogy a modell-szimulációk reális idő alatt lefussanak a számítógépeken.

A különböző modellgenerációk hibájának összehasonlítása

4.5. ábra. A különböző modellgenerációk hibájának összehasonlítása. Az egyes klímamodellek (AGCM-ek, illetve AOGCM-ek) hibájának becslésére az ún. I2 teljesítmény indexet (egy speciálisan képzett és normált négyzetes hibát) alkalmazták a XX. század második felére (1948–2000) végzett modellszimulációk alapján. Az első három sorban a CMIP1 (1995), CMIP2 (1997) és CMIP3 (2004) projektekben résztvevő modellek eredményei láthatók, a negyedik sor a referenciaként használt mérési adatbázis, az NCEP/NCAR reanalízis „teljesítményét” mutatja, míg az ötödik sorban a CMIP3 keretében lebonyolított preindusztriális kontrollfutás eredményei jelennek meg. A körök nagysága mindenütt a 95%-os konfidencia-intervallummal arányos. Mindegyik sorban szürke kör jelöli a modellhibák átlagát, míg a modelleredmények átlagának (multimodel ensemble mean) hibáját a fekete kör mutatja. (Forrás: Reichler és Kim, 2008)

Az éghajlatmodellek teljesítménye egyenletesen javuló tendenciát mutatott a múltban (4.5. ábra). Ennek lehetséges okai: a klímát alakító folyamatok egyre jobb megértése, a számítógép-kapacitás növekedése, a numerikus algoritmusok és a modell ellenőrzéséhez szükséges mérési adatbázis folyamatos fejlődése. Látható, hogy a modellek átlageredményeinek hibája (fekete kör) jóval kisebb, mint a modellek túlnyomó részének, esetleg az összes modellnek az „egyéni” hibája (színes körök). Ez alapozza meg napjaink egyik fontos klímamodellezési technikáját, a sok modell alapján készített ensemble szcenáriókat.



[1] World Climate Research Program, Éghajlatkutatási Világprogram

[2] Atmosphere-Ocean General Circulation Model – Légkör-Óceán Általános Cirkulációs Modell: a globális klímamodellek jelenleg legfejlettebb osztálya, amelyben mind az általános légkörzés, mind pedig a világóceán általános vízkörzése explicit módon megjelenik.