4.3. A modellek összekapcsolása és a kapcsolt modellek értékelése

Az éghajlati rendszer összetettsége és a parametrizációk megválasztása számtalan modellvariációs lehetőséget kínál az ezzel foglalkozó kutatócsoportok számára. Az éghajlatmodellezés elmúlt két évtizedes fejlődésének egyik nagy eredménye, hogy létrejött egy minden kutatóközpont által elfogadott és végrehajtott minőségellenőrzési és hangolási folyamat. Az éghajlatmodellek újabb és újabb változatait ez alapján elemzik – a folyamatot az alábbiakban ismertetjük.

4.3.1. A globális energiaegyensúly hangolása

Minden korszerű és nemzetközileg elfogadott globális éghajlatmodell átesik a globális átlagos energiaegyensúly hangolási folyamatán. Bármely klímamodellben globális átlagban szükséges az energiaegyensúly teljesülése a légkör felső határán. Ennek az egyensúlynak (azaz a világűr felé távozó terrisztrikus sugárzásnak) változatlannak kell lennie az antropogén éghajlatváltozás megindulása előtt (1860-ban) fennálló egyensúlyi állapothoz képest (megengedett eltérés <10-1 W/m2). Csak így lehet elkerülni a csatolt modellek típushibájaként jelentkező ún. „éghajlat-elcsúszást”, vagyis a modell-éghajlat szisztematikus hibáját. Az elcsúszás akár évszázados időskálán (a XX. és a XXI. századra vonatkozó szcenáriókban) is jelentkezhet, és eltakarhatja a tényleges éghajlati kényszerekre: például a napsugárzás, az üvegházhatás, az aeroszol-tartalom, a vulkanikus tevékenység megváltozására adott választ. Főként a felhő-parametrizációk pontatlansága, valamint az ebből következő sugárzásátviteli számítási hibák miatt a jelenlegi éghajlatmodellek jelentős része nem felel meg e követelménynek. Így a légkör felső határának globális átlagos sugárzási egyensúlya akár 5 W/m2 értékkel is megváltozhat. A felhőparametrizációs sémában kiválasztott néhány paraméter szisztematikus változtatásával lehetséges a modellnek egy olyan beállítása (hangolása), mellyel helyreállítjuk a sugárzási egyensúlyt, és ugyanakkor biztosítjuk, hogy az elnyelt napsugárzás és a terresztrikus sugárzás a mért értékeket a lehető legjobban megközelítse. Ez egyben lehetővé teszi a sugárzási hőbevétel valósághű megosztását a légkör és a felszín, s kiemelten az óceánfelszín között. A hangolás egyik lehetséges módja, hogy a vízgőz sugárzáselnyelési tulajdonságait változtatjuk (mely érték csak nagy bizonytalansággal becsülhető). A terresztrikus sugárzás globális átlaga megközelítőleg 200 W/m2. A hangolással mintegy 1 W/m2 (0,5%) változást lehet előidézni, s ez gyakran elegendő is.

4.3.2. A modellek értékelésének lehetőségei

A modellek értékelésének elengedhetetlen feltétele szerkezetük és fejlesztésük alapos, részletekbe menő szakmai-tudományos ismerete. Ez a feltétel azonban gyakran nem teljesül. Ekkor a modelleredmények interpretálásánál két lehetőség közül választhatunk. (1) A modellt egy képzelt éghajlati rendszerrel helyettesítjük, amely a valóságnak majdnem mindenben megfelel, tehát kételkedés nélkül megbízunk eredményeiben. (2) Számunkra ismeretlen működésű „fekete dobozként” értelmezzük, s ezért nem bízunk meg feltétel nélkül a modelleredményekben.

Ha viszont tökéletesen ismerjük a modellstruktúrát, azaz egyszerre szintetizáló, ugyanakkor részletes ismeretekkel rendelkezünk a modellről, akkor képesek leszünk elvégezni a modell és a modelleredmények együttes értékelését. A szintetizáló értékelésre jó példa, ha a modellt – bármilyen bonyolult is – egy egyszerű energiaegyensúlyi modellként tekintjük, melynek feladata csupán a globális sugárzási áramok és ennek alapján a felszíni átlaghőmérséklet jó reprodukciója. A megfelelő hőmérsékleti értékek az ilyen típusú modellekben szereplő vízgőz, illetve felhőzet visszacsatolási paraméterek megfelelő hangolásával könnyen elérhetők. A másik példa a modell analitikus értékelésére vonatkozik, amikor a modell-eredményeket teljes bonyolultságukban, pl. a globális terresztrikus sugárzási mező formájában szemléljük, és ezt hasonlítjuk össze a valósággal. Ekkor a tényleges és a modellezett mező részleteinek azonosságait és különbözőségeit vizsgáljuk. Ezen túlmenően azt is kutatjuk, hogy az áramlások által szállított vízgőz, az abból kialakuló bonyolult felhőzeti mező és számos más tényező hatására hogyan változik a modellezett terresztrikus sugárzási mező.

Az éghajlatmodellezésnek két alapvető célja van: Az egyik cél pusztán gyakorlati: minél realisztikusabban leírni a közeljövő változó éghajlati kényszerhatások által létrehozott éghajlati képét. A másik pedig elméleti: minél jobb betekintést nyerni azokba a mechanizmusokba, amelyek ezt az éghajlati képet kialakítják. A két célhoz való együttes közelítésben ellentmondások léphetnek fel: a gyakorlati cél a szintetikus ellenőrzést, az elméleti cél pedig az analitikus ellenőrzést preferálja, igényli jobban. A modellfejlesztést és modellellenőrzést akkor tekinthetjük kiegyensúlyozottnak, ha ilyen ellentmondás nem lép fel. Napjaink rendkívül nagy bonyolultságú AOGCM-jei egyre több szerző véleménye szerint kisebb-nagyobb elhajlást jelentenek a mindenáron egzakt leírásra való törekvés irányába. Ugyanakkor senki sem akar végtelenül leegyszerűsített statisztikai modelleket, amelyek csupán egy vagy néhány kiválasztott sajátosság szempontjából optimálisak (Hoerling et al., 2006). A megoldást előreláthatóan a jelenleginél pontosabb előrejelző potenciállal rendelkező közepes bonyolultságú Föld-rendszer modellek (EMIC) fejlesztése adja majd. Ezek lényegesen egyszerűbbek a legfejlettebb AOGCM-eknél, tehát áttekinthetőbbek és könnyebben hangolhatók bennük az alapvető éghajlati visszacsatolási mechanizmusok. Egyben arra is jók, hogy megmutassák a hiányosságokat: azokat a folyamatokat, melyeknél egyszerűsített leírással nem érhetünk célt, és ahol mindenképpen pontos fizikai háttérismeretekre, valamint megfelelő pontosságú matematikai leírásra van szükség.

4.3.3. Modellértékelési metrikák használata

Az ezredfordulótól napjainkig terjedő időszak talán legfontosabb újdonsága az éghajlatmodellezésben az objektív értékelés első eszközeinek megjelenése, amelyek túlmutatnak a fenti értékelési szempontokon és módokon. Ezek a modellértékelési mérőszámok vagy más néven modellmetrikák. A metrika olyan mérőszám vagy mérőszámegyüttes, amely kvantitatív módon adja meg azt, hogy egy vizsgált modell mennyire képes reprodukálni a jelenleg észlelt éghajlati sajátosságokat (Reichler és Kim, 2008; Gleckler et al., 2008). A metrikák alkalmazásának, vagyis az objektív értékelésnek a szükségességét természetesen a jelenlegi globális modellek számának ugrásszerű növekedése vetette fel (Meehl et al., 2006). A jelenlegi klíma azon aspektusai, amelyeket feltétlenül helyesen kell szimulálni ahhoz, hogy megbízható jövőbeli projekciókat kapjunk, nem ismeretesek. Korántsem biztos, hogy azon modellek, amelyek a legrealisztikusabb jelenbeli hőmérséklet-reprodukciókat szolgáltatják egy adott térségre, a jövőbeli hőmérsékleti eloszlások szempontjából is a legmegbízhatóbbak lesznek. Például Európa jövőbeli hőmérséklet-eloszlását nagy valószínűséggel magának az Atlanti-óceáni áramlási rendszernek és a poláris jet helyzetét meghatározó légköri ágának (Észak-Atlanti Oszcilláció, NAO) jövőbeli állapota határozza meg. Észak-Amerika esetében viszont ugyanezt az ENSO óceáni-légköri cirkulációs rendszer jövőbeli állapota és annak a szubtrópusi jet helyzetére gyakorolt hatása befolyásolja. A metrikák bevezetésének és az optimális metrikák megalkotásának éppen az a célja, hogy az egyszerű empirikus következtetési mód helyett a fontosabb áramlási rendszerek állapotát jelző mennyiségek (pl. óceán-légkör fluxusok) legyenek a modellek prediktorai a jövőt illetően. A jól megválasztott metrikák átfogóan jellemezhetik az egyes modellek gyengéit és erősségeit, valamint a modellek átlagos teljesítményét.

A metrikák bevezetése arra is választ ad, hogy jelenleg miért nem lehet kiválasztani a legjobb modellt. A 4.6. ábrán az eltérően színezett háromszögek a metrikákban figyelembe vehető különböző metrikus mennyiségeket jelölik (pl. „ts” a felszíni léghőmérsékletet). Az egyes oszlopokban a CMIP3 modell-összehasonlítási projektben résztvett 22 modell hibája olvasható le 26 különböző paraméterre vonatkozóan. A modellhiba minden esetben a modellek hibaátlagával normált, így a 0-nál nagyobb értékek az átlagosnál nagyobb, míg a 0-nál kisebb értékek az átlagosnál kisebb modellhibákat jelölik. A vastag fekete vonallal összekötött körök a 26 meteorológiai paraméter (súlyozatlan) átlagolásával nyert átlagos modellhibákat mutatják. A modelleket – megnevezés nélkül – balról jobbra rangsorolja az ábra. Látható, hogy – talán az első két helyen álló modell kivételével – a metrikák közötti szórás nagy, tehát a „kiváló” modellek is lehetnek gyengék egyik vagy másik állapothatározó szempontjából.

A CMIP3 modell-összehasonlító nemzetközi projektben szereplő 22 modell hibája 26 különböző éghajlati állapothatározóra vonatkozóan.

4.6. ábra. A CMIP3 modell-összehasonlító nemzetközi projektben szereplő 22 modell hibája 26 különböző éghajlati állapothatározóra vonatkozóan. A modellhibák a modelleredmények átlagos hibájával való összehasonlításban jelennek meg, tehát a 0-nál kisebb számok az átlagosnál kisebb, míg a 0-nál nagyobb számok az átlagosnál nagyobb hibákat jelentenek. A fekete vonal az egyes modellekre vonatkozó átlagos hibákat reprezentálja az összes paraméter felhasználásával. (Forrás: Gleckler et al., 2008)