6.2. Alkalmazott regionális éghajlati modellek és validációjuk

A Kárpát-medence térségére vonatkozó éghajlati szcenáriók előállításához egyrészt az ENSEMBLES projekt során futtatott RCM-ek együttes elemzését végeztük el, másrészt a különböző emisszió szcenáriók összehasonlítását a PRECIS regionális modell szimulációi alapján készítettük. Ebben az alfejezetben ezen modelleket mutatjuk be.

6.2.1. Az ENSEMBLES keretében vizsgált RCM-ek

Az átfogó ENSEMBLES projekt egyik fő célja az volt, hogy informálja a kutatókat, döntéshozókat és a helyi közösségeket a XXI. században Európában várható éghajlati viszonyokról (van der Linden és Mitchell, 2009). E cél érdekében 25 km horizontális felbontású RCM-ek 1951–2100 időszakra vonatkozó futtatási eredményét összegezték a teljes európai térségre. Az RCM-szimulációk mindegyike ugyanazt a közepesnek tekinthető A1B kibocsátási forgatókönyvet (Nakicenovic és Swart, 2000) vette figyelembe. A projektet a Brit Meteorológiai Szolgálat vezette; a kutatásban 20 ország 66 intézete vett részt, legfőképp Európából, de az egész világról (pl. USA, Japán, Ausztrália) csatlakoztak támogató partnerek. A vizsgálatokat a résztvevőkön kívül további 30 (főként európai) szervezet munkatársai végezték.

Az ENSEMBLES projekt számos korábbi Európai Unió által támogatott hasonló témakörű projekt tapasztalatait felhasználta, melyek közül a legfontosabbak: a PRUDENCE (http://prudence.dmi.dk/), a STARDEX (http://www.cru.uea.ac.uk/projects/stardex/), a MICE (http://www.cru.uea.ac.uk/ mice/), a DEMETER (http://www.ecmwf.int/research/demeter/), a CECILIA (http://www.cecilia-eu.org/) és a CLAVIER (http://www.clavier-eu.org/). A PRUDENCE projekt (Christensen et al., 2007) regionális klímaszcenáriók összeállításával értékelte a klímaváltozással járó regionális hatásokat és kockázatokat Európára nézve. Ezt kiegészítve a STARDEX projekt (Goodess, 2003) az extrém időjárási események gyakoriságának és intenzitásának változásait vizsgálta a XXI. század végére vonatkozóan. A MICE projekt (Hanson et al., 2007) szintén a hőmérséklet, a csapadék, valamint a szél extrémumaira fókuszált, azonban ezeknek a gazdasági szektorra vonatkozó várható hatásait helyezte előtérbe. A CECILIA (Halenka, 2007) és a CLAVIER (Jacob et al., 2008) projekt ugyancsak vizsgálta az extrém időjárási eseményeket, a levegőminőséget, valamint a hidrológiai következményeket, ám a vizsgálatok során egy kisebb területet emeltek ki, s a Közép-Kelet-Európai térségre koncentráltak. A választott régióból adódóan mindkét projekt hazai részvétellel valósult meg, s lényegi eltérés a két projekt által alkalmazott RCM-ekben volt. A CECILIA az ALADIN (Csima és Horányi, 2008) és a RegCM (Torma et al., 2008, 2011) modelleket, a CLAVIER pedig a REMO-t (Szépszó és Horányi, 2008) alkalmazta a regionális skálájú klímamodellezésre.

Az ENSEMBLES szimulációs futtatásaihoz az RCM-ek számára szükséges meghajtó kezdeti- és peremfeltételeket három különböző GCM szolgáltatta: (1) a brit Hadley Központ által kifejlesztett HadCM (Gordon et al., 2000), (2) a német Max-Planck Intézet által fejlesztett ECHAM (Roeckner et al., 2003; 2006) és (3) a francia Météo-France modellje, az ARPEGE (Déqué et al., 1998).

A térségünkben várható hőmérséklet- és csapadékváltozások elemzéséhez a klímamodellek által szolgáltatott mezősorokból választottuk le a hazánkat tartalmazó térség szimulált napi és havi értékeit. A vizsgálat során 11 regionális modellfuttatást elemeztünk. A HadCM meghajtású modellek közül négyet választottunk ki: a svéd SMHI intézet által futtatott RCA szimulációkat, az ír C4I által futtatott RCA3 szimulációkat, a svájci ETHZ intézet által futtatott CLM szimulációkat, s a brit Hadley Központ által futtatott HadRM3Q szimulációkat. Az ECHAM meghajtású modellek közül ötöt vizsgáltunk: a dán DMI intézet által futtatott HIRHAM szimulációkat, a német Max Planck Intézet által futtatott REMO szimulációkat, a svéd SMHI intézet által futtatott RCA szimulációkat, az olasz ICTP intézet által futtatott RegCM szimulációkat, valamint a holland KNMI intézet által futtatott RACMO szimulációkat. Végül az ARPEGE meghajtású modellek közül kettőt értékeltünk: a francia CNRM intézet által futtatott ALADIN szimulációkat és a Dán Meteorológiai Intézet által futtatott HIRHAM szimulációkat. Az alábbiakban röviden bemutatjuk az alkalmazott regionális klímamodelleket.

ALADIN

A Francia Meteorológiai Szolgálat vezetésével nemzetközi együttműködésben fejlesztették ki az ALADIN (Aire Limitée Adaptation Dynamique Développement International) regionális modellt eredetileg rövidtávú időjárás előrejelzési célokra, s ennek a klímamodellezéshez alkalmas módosítását futtatták az ENSEMBLES projekt keretében. Az ALADIN éghajlati szimulációkra kidolgozott változata hibrid koordináta rendszert alkalmaz és 31 vertikális szinttel rendelkezik. A modell részletes fizikai parametrizációi Déqué et al. (1998) cikkében találhatók meg. Az ALADIN modellszimulációkban fontos szerepe van a sugárzási sémának (Morcrette, 1990), a felhőcsapadék-turbulencia sémának (Richard és Royer, 1993) és a konvektív sémának (Bougeault, 1985).

CLM

A CLM klímamodell dinamikája és fizikája hasonló a Német Meteorológiai Szolgálatnál használt LM (Lokalmodell) modelléhez (Steppeler et al., 2003). A nem-hidrosztatikus modell számításait egy elforgatott, szférikus, Arakawa-C horizontális rácson és egy felszínkövető, hibrid, 20 szintet elkülönítő vertikális koordináta-rendszerben végzik el. Az időbeli integrálás horizontálisan explicit, vertikálisan implicit időlépcsőkön történik. Tiedtke (1989) sémáját a CAPE-lezárással alkalmazva kapjuk a nedvesség konvekció parametrizálását. A modellben alkalmazott sugárzási sémát Ritter és Geleyn (1992) írja le. A talajban lezajló folyamatok leírására kilenc réteggel számoló almodellt használnak.

HadRM

Az angol Hadley Központban alkalmazott korlátos tartományú modell legújabb verziója a HadRM3H (Jones et al., 2001). Ez a csatolt légköri-óceáni regionális klímamodell a HadCM3 GCM-en és a finomabb felbontású HadAM3H légköri globális modellen alapszik. A cirrusz-üllők sugárzási hatásait Gregory (1999) sémájára építik. A relatív nedvesség felhőzet-alakító hatását, így a konvektív csapadékot a felhőzet sűrűségétől függően parametrizálták, míg a nagyskálájú csapadékot a felhőzet víztartalmától függőnek tekintették (Jones et al., 1995). Ezekkel a módosításokkal korrigálták a csapadék értékeket, hogy a túl meleg és száraz nyári időszakok túlzott előfordulását csökkentsék.

HIRHAM

A Dán Meteorológiai Intézet által alkalmazott modell a HIRHAM4 (Christensen et al., 1996) egy továbbfejlesztett változata, mely vertikálisan 19 szinttel rendelkező, hibrid, szigma-p koordináta-rendszert alkalmaz. A modell dinamikai alapjait a hidrosztatikus HIRLAM korlátos tartományú modell adja, míg a fizikai parametrizációt a hamburgi ECHAM4 GCM-ből vették át. A számításokat egy elforgatott, 0,22°-os felbontású, szabályos rácshálózaton végezték. A csapadék-folyamatok helyes parametrizálásával az éves csapadék pontosabb becslését dolgozták ki (Hagemann et al., 2001).

RACMO

A holland RACMO2 modell az ERA-40 reanalízis adatbázis előállításához (Uppala et al., 2005) is alkalmazott ECMWF modell fizikai közelítésein alapszik, mely egy tömeg-fluxus sémát, egy prognosztikai felhő sémát és egy TESSEL-féle felszíni sémát tartalmaz. A nyári hőmérsékleti hibák csökkentése érdekében a vegetációs függvényt módosították és a felszíni rétegek vastagságát megnövelték Lenderink et al. (2003) alapján. A RACMO2 a HIRLAM 5.0.6 modell szemi-Lagrange dinamikáját veszi alapul. A modell horizontális felbontása 0,22°, az alkalmazott időlépcső 12 perc, és az ERA40-hez hasonlóan 31 vertikális szintet használ.

RCA

A svéd Rossby Központban kifejsztett légköri RCA modell (Rummukainen et al., 2001, Jones et al., 2004) a HIRLAM modellen alapszik, s tartalmazza a folyók és a tavak leírására szolgáló egyszerűsített hidrológiai ciklust (Lindström et al., 1997, Omstedt, 1999). A modellszimulációk során horizontálisan elforgatott, Arakawa-C típusú rácsot, míg vertikálisan Simmons-féle hibrid koordináta rendszert alkalmaztak. A legújabb verziójú RCA2 modell akár 10–70 km-es horizontális felbontást, s 24–60 vertikális szintet is figyelembe vehet (Jones et al., 2004).

RegCM

Az ICTP (International Centre for Theoretical Physics) által futtatott RegCM modellt eredetileg Giorgi et al. (1993a, b) fejlesztette ki, majd további módosítások történtek (Giorgi et al., 1999, Pal et al., 2000). A modell dinamikai alapja az amerikai NCAR (National Center for Atmospheric Research) intézetnél is futtatott mezoskálájú MM5 modelléhez hasonló. A felszíni folyamatokat a Bioszféra-Atmoszféra közötti Szállítási Sémán (BATS) keresztül, míg a határréteg fizikáját Giorgi et al. (1993a) szerint írják le. A nagyskálájú csapadék kezelése Pal et al. (2000) cikkében található, míg a konvektív csapadék sémát Giorgi et al. (1993b) ismerteti. A sugárzási átvitelre vonatkozó sémát az NCAR által kifejlesztett, CCM3 (Community Climate Model, Kiehl et al., 1996) modellből vették át, mely lehetővé teszi az aeroszolok és a különböző üvegházhatású gázok, valamint a felhőbeni víz és jég megoszlás megfelelő leírását.

REMO

A REMO regionális modellt a hamburgi Max-Planck Intézetben futtatják (Jacob, 2001). A dinamikai alapok a Német Meteorológiai Szolgálat Europamodell/Deutschlandmodelljéből (Majewski és Schrodin, 1994) származnak. A fizikai parametrizációs sémákat pedig az ECHAM4 GCM-ből (Roeckner et al., 1996) vették át, melyet a dán HIRHAM RCM is alkalmaz. A regionális modell szférikus koordinátákat használ Arakawa-C rácson, mely 0,25°-os horizontális felbontású. A REMO modell vertikálisan 19 szintet tartalmaz. A turbulens áramok parametrizációja Louis (1979) leírása alapján készült.

6.2.2. Az ENSEMBLES szimulációk validációja a Kárpát-medence térségére

A klímamodellek validációja során a vizsgált modellt a múltra futtatjuk, és a kapott eredményeket összevetjük egy méréseken alapuló referencia adatbázissal. Vizsgálatainkban az ERA-40 reanalízis mező (Uppala et al., 2005) és a GCM-ek által adott kezdeti- és peremfeltételekkel futtatott RCM-szimulációkat is összehasonlítottuk a rácsponti meteorológiai adatokat tartalmazó E-OBS (Haylock et al., 2008) adatbázissal. Az 1961–1990 időszakra vonatkozó validációs elemzések során azt tapasztaltuk, hogy hazánk térségében mind a hőmérséklet, mind a csapadék esetén a felülbecslések voltak gyakoribbak.

A 6.7. és 6.8. ábra interaktív animációján látható diagramok az E-OBS adatbázistól való szignifikáns különbségeket összegzik modellenként (a vizsgált RCM-szimulációk meghajtó mezői az ERA-40 reanalízis adatbázisból származnak). A hőmérsékletre, illetve a csapadékösszegre vonatkozó diagramok azt mutatják, hogy az egyes modellszimulációk hány hónapban becslik szignifikánsan fölé vagy alá a referencia adatbázisból származtatott havi átlagértékeket.

A 6.7. ábra a havi átlaghőmérsékletre vonatkozó szignifikáns hibákat szemlélteti. Az ERA-40 által meghajtott kilenc regionális modellszimulációból öt esetén fordult elő nagyobb mértékű, szignifikáns felülbecslés. A legtöbb felülbecslés a REMO-szimuláció során jelentkezett (7 hónapban a nyári félévhez kapcsolódóan). A legtöbb alulbecslés a RegCM-szimulációban fordult elő (4 hónapban, főként a tavaszi időszakban). Három modellszimuláció (a brit HadRM3Q, a svéd RCA és az ír RCA3 futtatás) esetében egyik irányban sem mutatkoztak jelentős hőmérsékleti hibák.

Az ERA-40 által hajtott RCM-szimulációk nagyobb hibáinak összegzése az E-OBS adatbázishoz viszonyítva a havi középhőmérsékletre az 1961 és 1990 közötti időszakra vonatkozóan

6.7. ábra. Az ERA-40 által hajtott RCM-szimulációk nagyobb hibáinak összegzése az E-OBS adatbázishoz viszonyítva, havi középhőmérséklet, 1961–1990 (Forrás: Pongrácz et al., 2011b) – interaktív animáció

A 6.8. ábra a havi csapadékösszegek validációs vizsgálatának eredményét szemlélteti. Az ERA-40 által meghajtott regionális modellszimulációk esetén túlnyomórészt a felülbecslés dominál. Hibás becslések a legnagyobb gyakorisággal a RegCM-szimulációban fordultak elő, ahol a nyári hónapok kivételével egész évben jelentősen felülbecsülte a modell a megfigyelt csapadékot. Jelentős arányú alulbecslés csak az ALADIN modellszimulácó során jelentkezett, mely összesen 6 hónapban (ősszel és télen) becsülte alá a csapadékmennyiséget. A csapadék esetén csupán egy modellszimuláció, a HadRM3Q, nem eredményezett szignifikáns hibát egyetlen hónapban sem.

Az ERA-40 által hajtott RCM-szimulációk nagyobb hibáinak összegzése az E-OBS adatbázishoz viszonyítva a havi csapadékösszegre az 1961 és 1990 közötti időszakra vonatkozóan

6.8. ábra. Az ERA-40 által hajtott RCM-szimulációk nagyobb hibáinak összegzése az E-OBS adatbázishoz viszonyítva, havi csapadékösszeg, 1961–1990 (Forrás: Pongrácz et al., 2011b) – interaktív animáció

6.2.3. A PRECIS modell

A különböző emisszió-forgatókönyvek alkalmazásával kapott regionális klímaszcenáriók összehasonlító vizsgálata során a Brit Meteorológiai Szolgálat Hadley Központjának HadCM3 (Gordon et al., 2000) második generációs globális csatolt óceán-légkör modelljét (6.9. ábra) alkalmaztuk a Közép-Európa térségét lefedő RCM meghajtására. A GCM légköri és óceáni almodelljének horizontális felbontása egyaránt 2,5º×3,75º a szélességek, illetve a hosszúságok mentén (azaz összesen 96×73 rácspontra adja meg a globális légköri paramétereket). Ez a felbontás az Egyenlítőnél 417 km×278 km-es, míg a 45°-ös szélességi fokon 295 km×278 km rácshálózatot jelent. A HadCM3 vertikálisan 19 légköri, illetve 20 óceáni szintet tartalmaz.

HadCM3 globális klímamodell struktúrája, sematikus ábrája

6.9. ábra. HadCM3 globális klímamodell struktúrája, sematikus ábrája (UK MetOffice nyomán).

Ebbe a GCM-be ágyazva alkalmazható a PRECIS regionális modell a Föld bármely térségére (Wilson et al., 2010). A fejlesztők ajánlásai szerint a kiválasztott térség kiterjedése lehetőleg ne haladja meg az 5000×5000 km2-t. A választható rácsfelbontás 0,22° (~25 km) vagy 0,44° (~50 km). A modellfejlesztés célja az volt, hogy nemzeti éghajlatváltozási hatástanulmányok készítéséhez adjanak közre egy olyan eszközt, amely jól alkalmazható érzékenységvizsgálatokhoz, regionális adaptációs elemzésekhez. A 6.10. ábrán látható, hogy mely régiókra készült vagy van készülőben a PRECIS modellel regionális éghajlati forgatókönyv a XXI. század végére. A modellfejlesztők koncepciója szerint minél több klímazónában kerül alkalmazásra a modell, annál több információ áll rendelkezésre a regionális modell további fejlesztéséhez.

A PRECIS modell alkalmazási régiói

6.10. ábra. A PRECIS modell alkalmazási régiói.

A PRECIS modell részletesen tartalmazza a sugárzási egyenleg komponenseit, a légköri mozgásrendszerek dinamikai folyamatait, a felhő- és csapadékképződést, a kén körforgalmát, valamint a talajhidrológiai folyamatokat. A korlátos tartományú modell számára szükséges peremfeltételeket reanalízis mezősorok vagy egy globális modellből származó rácsponti adatsorok is adhatják. A PRECIS-ben szereplő felszínborítottsági mező mérési eredmények felhasználásával készült, s a modellfuttatáshoz szükségesek a vízfelszínek hőmérsékleti és jégborítottsági idősorai.

A peremfeltételeket a definiált modell-domain oldalsó széleinél kell megadni, míg a domain felső határára nincs külső betáplált kényszer. Oldalsó peremfeltételekként a felszíni légnyomást, a horizontális szélsebesség-komponenseket, a léghőmérsékletet és a légnedvességadatokat kell megadnunk. Külön beállítással a PRECIS modell a kén teljes körforgalmát is figyelembe veheti. Ennek során a szulfát-aeroszolok, a kén-dioxid és a kapcsolódó kémiai vegyületek hatásait tekinti, melyhez azonban szükséges a kezdeti- és peremfeltételek megadása.

A továbbiakban áttekintjük a PRECIS modell dinamikáját és az alkalmazott parametrizációs eljárásokat. A PRECIS regionális klímamodell a Hadley központ HadCM3 (Gordon et al., 2000) globális klímamodelljéből lett kifejlesztve. Természetesen a finomabb térbeli felbontás miatt számos ponton módosítani kellett az eredeti modellt, mely változtatásokat külön is kiemelünk.

A PRECIS légköri dinamikája

A PRECIS légköri komponense a hidrotermodinamikai egyenletrendszer hidrosztatikus közelítésével dolgozik. Ennek megfelelően a vertikális mozgások, illetve azok hatásainak leírása kizárólag parametrizációs eljárások révén jeleníthető meg a modellben. A globális modellből következően a Coriolis-erőt is teljes mértékben figyelembe veszi a modelldinamika. A modellrács horizontálisan egy szabályos, szélességi/hosszúsági rendszerben számított rács, vertikálisan pedig ún. hibrid koordináta-rendszert (6.11. ábra) alkalmaz. Ez utóbbi azt jelenti, hogy a 19 szint közül, amelyet a modell használ, az alsó négy szint esetében felszínkövető -rendszerben (az abszolút és a felszíni légnyomás hányadosával) számol, míg a legfelső három szinten kizárólag a nyomási koordináta-rendszert alkalmazza. A fennmaradó 12 szinten ezek kombinációját alkalmazza a függőleges koordinátákhoz, mintegy átmenetet biztosítva a két különböző koordináta-rendszer között (Simmons és Burridge, 1981). A legalsó szint a felszín felett 50 m-rel helyezkedik el, míg a legfelső rácsszint a 0,5 hPa-os nyomási szinten van, amely gyakorlatilag a sztratopauza magasságának felel meg (Cullen, 1993).

A PRECIS regionális klímamodell vertikális szintjei hibrid koordináta-rendszert alkalmaznak

6.11. ábra. A PRECIS regionális klímamodell vertikális szintjei hibrid koordináta-rendszert alkalmaznak.

A PRECIS a modellegyenleteket szférikus koordináta-rendszerben oldja meg egy, az Egyenlítőhöz beforgatott rácshálózaton. A koordináta-transzformáció célja az, hogy minimalizálja a rácshálózat torzítását. Ezért a modellezés szempontjából legkritikusabb területet helyezi az Egyenlítő térségébe, hiszen ott a legkisebb a rács torzítása. Ebben a modellben a horizontális rácsfelbontás kétféle lehet: 0,44°×0,44° (hozzávetőlegesen 50 km-es rácshálózat) vagy 0,22°×0,22° (hozzávetőlegesen 25 km-es rácshálózat). A finomabb felbontáshoz a HadCM3 globális modell 30 perces időlépcsőjével szemben 5 perces integrálási időközt kell alkalmazni, hogy fennmaradhasson a numerikus stabilitás. A légkördinamikai, a felhőfizikai és a planetáris határréteg sémában a prognosztikai változók: a felszíni légnyomás (p*), a horizontális szélsebesség-komponensek (u, v), a potenciális hőmérséklet (ΘL), valamint a légkör teljes nedvességtartalma (qT). A kén-körforgalmat is figyelembe vevő modell-futtatás esetén öt különböző kémiai vegyület bevonásával történik a szulfát-aeroszolok térbeli eloszlásának becslése.

A horizontális diszkretizációhoz az Arakawa B rácsot (Arakawa és Lamb, 1977) használja a modell, amellyel a split-explicit véges különbséges séma pontosságát javítja. Ezen a rácson a termodinamikai változókhoz (p*, ΘL, qT) képest fél rácstávolságnyi eltolással adjuk meg a momentumátviteli változókat (u, v). Az aeroszolokra vonatkozó változókat a termodinamikai változókkal egyező rácspontokban értelmezi a modell. A geosztrófikus közelítést az 5 perces időlépcsőn belül háromszor végzi el a modell, s ezek átlagolásával kapjuk az advekció számításához szükséges sebességeket. Az advekció idő szerinti integrálása a Heun sémával történik (Mesinger, 1981). Ez a véges különbséges módszer általában negyedrendű stabilitást biztosít, s csupán a nagy szélsebességek esetén csökken másodrendűre. A dinamikai egyenletek numerikus formájában a tömeg, a mumentum, a szögsebesség momentum és a teljes víztartalom konzervatív mennyiségek. A fizikai parametrizációkat, s a numerikus diffúziót a prognosztikai változók háromdimenziós forrás- és nyelő-függvényeivel reprezentálja a modell. Annak érdekében, hogy a rácstávolságnál kisebb térskálájú folyamatokat is figyelembe vehessük, továbbá a rácstávolsággal összemérhető skálájú zaj és energia-felhalmozódást kontrolláljuk, a szélsebességre, a potenciális hőmérsékletre és a víztartalomra mindenhol alkalmazzuk a horizontális diffúziót. A legfelső szinten másodrendű (Ñ2), míg egyébként negyedrendű (Ñ4) diffúziót használ a modell. A diffúziós együtthatók a horizontális felbontástól és az időlépcsőtől függenek, ellentétben a HadCM3 globális modellel.

Alkalmazott felhőzet és csapadék parametrizációk

A/ Nagyskálájú csapadék

A modell a rétegenkénti felhőfedettség számításához, valamint a felhőzet víztartalmának meghatározásához egy adott rácspontban a telítési nedvességtartalomból (qc) indul ki, amelyet a teljes nedvességtartalom és a telítési gőznyomás különbségeként definiálhatunk. Feltételezzük, hogy a rácsméret alatti qc eloszlás egy szimmetrikus háromszög függvénnyel (Smith, 1990) írható le. A modell a felhőképződés megindulását egy kritikus relatív nedvesség küszöb (RHcrit) túllépésével jellemzi. A felhőképződés megindul, ha a szóbanforgó háromdimenziós elemi rács nyolc rácsponti értékének átlaga nagyobb, mint az RHcrit küszöbérték. Az adott háromdimenziós elemi rácsdoboz felhőarányát (C) kvadratikus spline eljárással közelítjük. Az RHcrit küszöbértéket minden elemi rácsdobozra, minden időlépcsőre meghatározza a modell annak érdekében, hogy a rácsméret alatti qc eloszlás változásainak hatását figyelembe vehessük. Ez a parametrizáció függ az adott rácsdoboz és a nyolc horizontális irányú szomszédos rácsdoboz qc értékeinek szórásától, de független a földrajzi helytől, s az időtől. A modell a felhőrétegek mennyiségét a következő módon határozza meg: a rácsdobozt vertikálisan három egyenlő részre osztja, majd kiszámítja a rácsdobozon belül mindegyik szintre a felhőmennyiséget, s a három közül a maximumot tekinti a horizontális összegzés során.

A modell a felhőelemeket 0 °C felett cseppfolyósnak tekinti, –9 °C alatt jég halmazállapotúnak, s a kettő között vegyes halmazállapotúnak. A csapadékképződéshez szükséges folyékony víztartalom küszöbértéke a PRECIS regionális klímamodellben szárazföld felett 1·10–3 kg/kg, míg az óceánok fölött 2·10–5 kg/kg.

Réteges felhő bármely szinten képződhet, kivéve a 19. szintet, amely a sztratoszféra teteje. Rétegfelhőből származó nagyskálájú csapadék függ a felhő cseppfolyós és szilárd halmazállapotú részecskéinek arányától, azaz a nagyobb jégtartalommal rendelkező felhők esetében nagyobb hatékonyságú csapadékképződéssel számolhatunk. A modell a nagyskálájú csapadék parametrizációja során a párolgást is figyelembe veszi. A szárazföldi felszín feletti nagyskálájú csapadék mennyiségét a globális modelltől eltérően a regionális modell a számított érték 75%-ára csökkenti.

B/ Konvektív csapadék

A modell tömeg-fluxus konvekciós sémát (Gregory és Rowntree, 1990) használ explicit leáramlással (Gregory és Allen, 1991). Ez a séma tartalmazza a konvekció közvetlen hatását (a hő és a légnedvesség mellett) a momentumra is (Gregory et al., 1997). A kiindulási tömegfluxus empirikusan kapcsolódik a legalsó konvektív szint stabilitásához. A modell figyelembe veszi a konvektív mozgást végző részecskéknek a környező levegővel való keveredését, valamint a vizsgált légrészbe történő ki- és beáramlást is.

A konvektív csapadék halmazállapota nem változik meg, ha a hozzá kapcsolódó látens hő felszabadulás miatt a hőmérséklet fagypont alá süllyed. Hasonlóan a nagyskálájú csapadék parametrizációjához, a konvektív csapadék párolgását is figyelembe veszi a modell. Szárazföldi környezetben a globális modellel ellentétben a PRECIS a konvektív csapadék mennyiségét a számított érték 65%-ára csökkenti. A csapadékképződéshez szükséges folyékony víztartalom küszöbértéke a PRECIS esetén szárazföld felett 2 g/kg, míg tengerek felett 0,4 g/kg.

Alkalmazott sugárzási parametrizációk

A sugárzási séma tartalmazza a napsugárzás évszakos és napi menetét, kiszámítja a rövid- és a hosszúhullámú sugárzási fluxusokat, melyek függnek a hőmérséklettől, a vízgőztartalomtól, az ózon és a szén-dioxid koncentrációtól, a felhőzettől (a modell a cseppfolyós és szilárd halmazállapotú részecskéket külön kezeli), valamint négy üvegházhatású gáz koncentrációjától (N2O, CH4, CFC-11 és CFC-12). A számításokban hat rövid és nyolc hosszú hullámhosszú sáv szerepel.

A felhőzeti szintek átfedéseit az ún. maximum-random átfedési eljárással számítja a modell, ami szerint maximális az átfedettség, amennyiben összefüggő felhőtakaró jellemzi a különböző vertikális szinteket. A nem összefüggő felhőrétegek átfedése pedig véletlenszerű. A modell megkülönbözteti a konvektív és a nagyskálájú (réteges) felhők maximum-random átfedését, s így veszi figyelembe a konvektív felhőzet különböző szintjei között fennálló vertikális egybefüggést.

A PRECIS sugárzási parametrizációja a HadCM3 globális modellel ellentétben figyelembe veszi a zivatarfelhők vertikális („üllő” jellegű) szerkezetét, ha azok felső része eléri az 500 hPa-os szintet. Ebben az esetben a modell úgy tekinti, hogy a mélykonvekció során a konvektív felhő mennyisége a magassággal változik: a felhőalaptól a fagyási szintig csökken (ez reprezentálja a konvektív felhőtornyot), majd a fagyási szinttől a felhőtetőig lineárisan növekszik (ez reprezentálja a felhő üllő részét). Erre azért van szükség, mert a sugárzási séma önmagában nem tudja leírni a konvektív csapadékot.

A parametrizáció a felhőcseppek effektív sugarát a felhő víztartalmának és a felhőcseppek számának függvényeként írja le (Martin et al., 1994). A felhőcseppek száma pedig a szulfát-aeroszol mennyiségétől függ. A szulfát-aeroszolok befolyásolják a modell sugárzási egyenlegét a bejövő sugárzás szórásán és elnyelésén keresztül (ez a közvetlen hatás), valamint a felhőzet albedójának megváltozásával (ez az első közvetett hatás). Ezeket a hatásokat a globális modelltől eltérően a PRECIS figyelembe veszi. A második közvetett hatás a felhők élettartamával kapcsolatos, melyet még a regionális modell sem vesz figyelembe. A modell a közvetlen hatást a Mie-elmélet felhasználásával az Aitken- és a szulfát-aeroszolokra külön számítja. Az első közvetett (vagy Twomey-féle) hatás abból származik, hogy a szulfát-aeroszolok felhőképző magvak is egyben, s a növekvő mennyiségű felhőképző magvak növekvő számú felhőcseppeketeredményeznek, mivel a felhőcseppek számát az aeroszolrészecskék koncentrációjából (Jones et al., 1994) határozza meg a modell. Ennek következtében csökken a felhőcseppek átlagos effektív sugara, ami pedig a felhő albedójának növekedését okozza, hiszen az olyan felhők, amelyek kisebb cseppekből állnak, a napsugárzás nagyobb részét verik vissza.

A határrétegre, a felszíni kicserélődésre és a szárazföldi felszínre alkalmazott fizikai parametrizációk

A határréteg a modell legalsó öt szintjét foglalhatja magába. A PRECIS modell a konzervatív termodinamikai változók és a momentum vertikális keveredésének számításához Smith (1990) elsőrendű turbulens keveredési sémáját használja. Szárazföldek felett a felszíni karakterisztikák (például a vegetáció vagy a talajtípus) a felszínforma szerint kerül meghatározásra, míg tengerek felett az érdességi paramétert a helyi szélsebességből (Charnock, 1955) számítja ki a modell (szélcsend esetén minimális az érdesség, értéke 10-4 m). A felszíni fluxusok számításakor a részleges tengerjég borítottság megengedett.

Szárazföldi felszín esetén az ún. MOSES-sémát (Met Office Surface Exchange Scheme, Cox et al., 1999) alkalmazza a modell. E szerint a talajmodell reprezentálja a talaj termodinamikáját és hidrológiáját, amihez négy talajrétegben veszi figyelembe a hőmérsékletet és a nedvességet. A séma tartalmazza mind a talajvíz halmazállapot-változásának hatását, mind a jég és a víz hatását a talaj termikus és hidraulikus tulajdonságaira. A modellben megjelenő talajrétegek vastagsága a felszíntől számítva 10 cm, 25 cm, 65 cm és 200 cm. Ezek a talajréteg-vastagságok úgy lettek meghatározva, hogy mind az évszakos, mind a napi meneteket a lehető legkisebb torzítással írja le a modell. A felszíni albedó függ a hóvastagságtól, a növényzet típusától és a hó- vagy jégfelszín fölötti hőmérséklettől. A globális modellben használt MOSES-sémához képest a PRECIS modellben alkalmazott verzió a növényzettel borított talajfelszínek esetén figyelembe veszi a beérkező sugárzás mélyebb talajrétegekbe jutását.

Gravitációs hullám ellenállásra alkalmazott fizikai parametrizációk

A szabad légkörben a momentum-komponensekre alkalmazza a modell a határrétegeknél fellépő gravitációs hullám ellenállást. Ehhez a parametrizáció egyrészt a rácshálózatnál kisebb térskálájú orografikus varianciamezőt használ, másrészt a légoszlopon belül magasságtól függő vertikális stabilitási profilt (Palmer et al., 1986). A séma alapvető lépései: a felszíni kényszer meghatározása, valamint továbbterjedésének modellezése a légoszlopban. Ez a hidrosztatikus felszíni kényszer egyebek között függ a rácshálózatnál finomabb léptékű domborzat anizotrópia-fokától és a Froude-számtól (amely a momentum átvitelnél használt dimenzió nélküli paraméter).

A modell a számítások során csak azt a légtömeget veszi figyelembe, amely a hegyek fölött kel át, és elhanyagolja azt a légtömeget, amely az orografikus akadályt megkerüli. További tulajdonsága a sémának, hogy figyelembe veszi a lee oldali hullámok keletkezésekor fellépő nem-hidrosztatikus felszíni kényszert is.

6.2.4. A PRECIS szimuláció validációja

Vizsgálataink során a PRECIS regionális modell 1.8. verzióját (Wilson et al., 2010) alkalmaztuk. A kezdeti- és peremfeltételeket egyrészt az ERA40 (1961–1990), másrészt a HadAM3P globális klímamodell (1961–1990, 2071–2100 A2 és B2 szcenárió), illetve a HadCM3 globális klímamodell (1951–2100, A1B szcenárió) szolgáltatta hat órás időlépcsővel. Modellfuttatásainkat Közép-Kelet-Európára, egy 123×96 rácspontból álló rácshálózatra végeztük (6.12. ábra), mely térség sarokpontjai a következők:

ÉNy: 53,39°É, 2,27°K

DNy: 39,57°É, 3,83°K

ÉK: 50,27°É, 34,38°K

DK: 37,20°É, 27,94°K

A regionális modell által alkalmazott horizontális felbontás 0,22°, az integrálási időlépcső pedig 5 perc. Az eredményeket napi felbontásban állnak rendelkezésre összesen 173 különböző meteorológiai és éghajlati változóra. A PRECIS modell felpörgési ideje 2 év, ezért a szimulációs futtatás első két évét nem vettük figyelembe az elemzések során.

A PRECIS modell integrálási tartománya

6.12. ábra. A PRECIS modell integrálási tartománya.

A validáláshoz az ERA-40 meghajtású modellfuttatás eredményeit a CRU (New et al., 1999) idősorokkal vetettük össze. Havi, évszakos és éves felbontásban egyaránt elvégeztük az összehasonlítást a középhőmérsékletre és a csapadékösszegre vonatkozóan.

6.2.4.1. A szimulált hőmérséklet validációja

A 6.13. ábrán mutatjuk be a napi középhőmérséklet 30 éves havi átlagaiban jelentkező eltéréseket. A havi eltérés-térképeket vizsgálva szembetűnő a jelentős mértékű alulbecslés az Alpok térségben, mely általában nem haladja meg az 5 °C-ot. Magyarország területén nagyon jó egyezést találhatunk, általában a kis mértékű (kevesebb, mint 3 °C-os) felülbecslés dominál. Április hónapban csekély mértékű alulbecslést figyelhetünk meg, mely nem haladja meg az 1 °C-ot. Nagy mértékű felülbecslés a nyári (főként július-augusztus) hónapokban figyelhető meg a dél-európai régióban.

A PRECIS és a CRU adatbázis havi átlaghőmérsékleteinek eltérése az 1961 és 1990 közötti referencia időszakban

6.13. ábra. A PRECIS és a CRU adatbázis havi átlaghőmérsékleteinek eltérése (°C) a referencia időszakban, 1961–1990.

Az évszakos átlagos eltéréseket tartalmazó térképeket a teljes 30 éves időszakra a 6.14. a–d ábrán mutatjuk be. A térképek alapján nyáron találtuk a legnagyobb (3 °C-ot nem meghaladó mértékű) eltéréseket a PRECIS szimulációk és a CRU idősorok között. A legnagyobb felülbecslés az 1961–1970 évtizedben jellemzi a PRECIS eredményeket.

A PRECIS és a CRU adatbázis évszakos átlaghőmérsékleteinek eltérése az 1961 és 1990 közötti referencia időszakban

6.14. ábra. A PRECIS és a CRU adatbázis évszakos átlaghőmérsékleteinek eltérése (°C) a referencia időszakban, 1961–1990.

A teljes 30 éves időszakra az évi átlaghőmérsékletek eltéréseit a 6.15. ábrán láthatjuk. A referencia időszak egészére Magyarország területére 0–3 °C közötti a PRECIS modellszimuláció felülbecslésének mértéke. A felülbecslés csak az 1961–1970 közötti időszakban haladja meg az 1 °C-ot az ország nagy részén, a teljes referencia időszak másik két évtizedében (1971–1980 és 1981–1990 között) jellemzően 1 °C alatt van.

A PRECIS és a CRU adatbázis éves átlaghőmérsékletének eltérése az 1961 és 1990 közötti referencia időszakban

6.15. ábra. A PRECIS és a CRU adatbázis éves átlaghőmérsékletének eltérése (°C) a referencia időszakban, 1961–1990.

A PRECIS-szimulációk és a CRU adatbázis napi középhőmérsékleteinek évszakos szórása látható a 6.16. ábrán. Akár az egész térséget, akár csak Magyarországot tekintjük, a legnagyobb szórásértékek mindkét idősor esetén az átmeneti évszakokban jelennek meg, míg a nyár és a tél során sokkal kisebbek. Jelentős eltérés nincs a két idősorból kapott mezők szerkezetében, s a szórásértékek is hasonló nagyságúak. Magyarország területén a szórásértékek tavasszal közel azonosak, míg a többi évszakban – nagyon kis mértékben – magasabbak.

A PRECIS és a CRU adatbázis havi átlaghőmérsékleteinek évszakos szórása az 1961 és 1990 közötti referencia időszakban

6.16. ábra. A PRECIS és a CRU adatbázis havi átlaghőmérsékleteinek évszakos szórása (°C) a referencia időszakban, 1961–1990.

A szimulált és a mért havi középhőmérsékletek eltéréseit két állomás (Budapest és Debrecen) esetén hasonlítottuk össze (6.17. ábra). Mivel egy 25 km-es (0,22°) rácson adja meg a PRECIS modell az outputokat, ezért a kiválasztott két állomás mért idősorát csak a hozzájuk egyenként legközelebbi rácsponti idősorral tudtuk összevetni. A grafikonokon jól látszik, hogy szisztematikus, illetve jelentős hiba nincs. A nyári időszakban (különösen Debrecen körzetében) az eltérések kicsit nagyobbak (maximum kb. 3°C augusztusban), mely egyértelműen magyarázható azzal, hogy nem állt módunkban az állomás nagyobb körzetének figyelembe vétele a mért idősorok esetén, s így a város és az őt reprezentáló PRECIS-beli rácspont távolsága akár 12 km-es is lehet.

A PRECIS által szimulált hőmérsékleti idősorokból számolt átlagos havi középhőmérséklet összehasonlítása a budapesti, illetve a debreceni mérések alapján meghatározott értékekkel 1961 és 1990 között

6.17. ábra. A PRECIS által szimulált hőmérsékleti idősorokból számolt átlagos havi középhőmérséklet összehasonlítása a budapesti, illetve a debreceni mérések alapján meghatározott értékekkel, 1961–1990.

6.2.4.2. A szimulált csapadék validációja

A hőmérsékleti elemzéshez hasonló szerkezetben mutatjuk be a csapadékösszegre vonatkozó eredményeinket. Ennek megfelelően a 6.18. ábrán a PRECIS és a CRU adatbázis alapján számított havi átlagos csapadékösszegek százalékban kifejezett eltéréseit láthatjuk a referencia időszakra vonatkozóan. A teljes régióban a téli és tavaszi hónapokban a PRECIS modell általában felülbecsli a CRU adatbázisból származó értékeket, míg nyáron és ősszel az alulbecslés dominál. Ha csak Magyarország térségét tekintjük, akkor március-április-május-június hónapban a PRECIS felülbecsli, július-augusztus-szeptember és január hónapban alulbecsli a CRU adatokat. Ennek ellenére egyik hónap eltérésének mértéke sem jelentős, s meg sem közelíti az Alpok-Kárpátok hegyvonulataira jellemző nagy felülbecsléseket.

A PRECIS és a CRU adatbázis havi átlagos csapadékösszegek %-ban kifejezett eltérése az 1961 és 1990 közötti referencia időszakban

6.18. ábra. A PRECIS és a CRU adatbázis havi átlagos csapadékösszegek eltérése (%-ban kifejezve) a referencia időszakban, 1961–1990.

Annak érdekében, hogy a szimulált és a CRU-adatbázis csapadékmezőiben jelentkező eltéréseket pontosabban tudjuk értékelni, az évszakos összehasonlításokat a teljes referencia időszakra mm-ben (6.19. ábra) és százalékban (6.20. ábra) kifejezve is bemutatjuk. Magyarországon csak tavasszal figyelhetünk meg felülbecslést, a többi három évszakban csak kis mértékű alul- és felülbecslés fordult elő (s inkább az alulbecslés dominál az ország területén). Az 1971–1980 évtizedben a legjelentősebb a PRECIS modell felülbecslése mind az egész régióban, mind Magyarország területén.

A PRECIS és a CRU adatbázis évszakos átlagos csapadékösszegeinek mm-ben kifejezett eltérése az 1961 és 1990 közötti referencia időszakban

6.19. ábra. A PRECIS és a CRU adatbázis évszakos átlagos csapadékösszegeinek eltérése (mm-ben kifejezve) a referencia időszakban, 1961–1990.

A PRECIS és a CRU adatbázis évszakos átlagos csapadékösszegeinek %-ban kifejezett eltérése az 1961 és 1990 közötti referencia időszakban

6.20. ábra. A PRECIS és a CRU adatbázis évszakos átlagos csapadékösszegeinek eltérése (%-ban kifejezve) a referencia időszakban, 1961–1990.

A teljes referencia időszakra láthatjuk a szimulált és a CRU-adatsorból származó éves átlagos csapadékösszegek százalékos eltéréseit a 6.21. ábrán. Hasonlóan a havi és az évszakos eltérés-mezőkhöz, itt is jól kirajzolódnak a hegyvonulatok, ahol jelentősebb felülbecslést tapasztalunk. Magyarországon egyedül az 1981–1990 évtizedben kaptunk 0–10%-os mértékű alulbecslést, egyébként 0–10%-os, csekély mértékű felülbecslés jellemző.

A PRECIS és a CRU adatbázis éves átlagos csapadékösszegeinek %-ban kifejezett eltérése az 1961 és 1990 közötti referencia időszakban

6.21. ábra. A PRECIS és a CRU adatbázis éves átlagos csapadékösszegeinek eltérése (%-ban kifejezve) a referencia időszakban, 1961–1990.

A 6.22. ábrán a PRECIS szimulációkból, illetve a CRU adatbázisból származó havi csapadékösszegek évszakos szórásmezőinek összehasonlítása látható. A hegyvidékek térségében a PRECIS esetén nagyobb szórásértékeket kaptunk, mint a CRU alapján. Magyarországon valamelyest nagyobb a szórás a szimulált mezőkben a CRU adatokhoz viszonyítva.

A PRECIS és a CRU adatbázis havi átlagos csapadékösszegeinek évszakos szórása az 1961 és 1990 közötti referencia időszakban

6.22. ábra. A PRECIS és a CRU adatbázis havi átlagos csapadékösszegeinek évszakos szórása (mm-ben kifejezve) a referencia időszakban, 1961–1990.

A hőmérséklethez hasonlóan a szimulált havi csapadékösszegeket is összehasonlítottuk a mért értékekkel. Ismét Budapest és Debrecen állomási adatait vetettük össze a hozzájuk legközelebb eső rácspontra modellezett idősorral a referencia időszakban. A 6.23. ábra oszlopdiagramjai alapján levonhatjuk azt a következtetést, hogy a tavaszi és nyár eleji hónapokban a PRECIS felülbecsli a méréseket, míg a nyár végi, ősz eleji hónapokban alulbecsli azokat. Ez jó egyezést mutat a térképes formátumban eddig már bemutatott CRU összehasonlításokkal.

A PRECIS által szimulált csapadékidősorokból számolt átlagos havi csapadékösszeg összehasonlítása a budapesti, illetve a debreceni mérések alapján meghatározott értékekkel 1961 és 1990 között

6.23. ábra. A PRECIS által szimulált csapadékidősorokból számolt átlagos havi csapadékösszeg összehasonlítása a budapesti, illetve a debreceni mérések alapján meghatározott értékekkel, 1961–1990.