Objective Analysis and Data Assimilation
advertisement
Fizyka Pogody i Klimatu Wykład 5 Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki Uniwersytet Warszawski [email protected] System klimatyczny • System klimatyczny to złożony układ składający się z pięciu elementów: atmosfera, hydrosfera, kriosfera, biosfera i powierzchnia ziemi między którymi zachodzą interakcje. • System klimatyczny jest pod wpływem wewnętrznej dynamiki oraz zewnętrznych zaburzeń (np. aktywność Słońca). • Procesy klimatyczne - to procesy fizyczne zachodzące w systemie klimatycznym prowadzące do zmian klimatu. Najczęściej zalicza się do nich obieg energii, cykl hydrologiczny oraz cyrkulację powietrza. Determinują one zarówno naturalne i antropogeniczne zmiany w systemie klimatycznym. 2 Składniki systemu klimatycznego Obieg węgla Reakcje chemiczne w atmosferze Obieg wody i energii połączenie chaotyczne nieliniowe Dynamika atmosfery i o Badania klimatu monitoring zmienności wymuszanie odpowiedz konsekwencje predykcja 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Monitoring zmian klimatycznych • • • • Naziemna sieć pomiarowa Pomiary oceaniczne (statki, dryftery, platformy) Pomiary aerologiczne w swobodnej atmosferze Pomiary satelitarne Zmiany średniej temperatury powietrza przy powierzchni Ziemi w ostatnich 100-150 latach "HadCRUT3". Met Office Hadley Centre for Climate Change, U.K. IPCC, 2013 7 Na postawie 10-ciu rekonstrukcji opublikowanych w latach 1998-2005 Opady IPCC, 2013 10 IPCC, 2013 Globalne zmiany temperatury w atmosferze i na powierzchni Ziemi 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Zmiany klimatu w Polsce Zmiany temperatury w Polsce za ostatnie 50 lat pokazują , że klimat się ociepla! 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Obserwuje się rosnący trend prędkości wiatru i silniejszą cyrkulację strefowa. 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Zmiany albeda planetarnego nad Polską pokazują, że w ostatnich 20-latach atmosfera pochłania 1-2% więcej promieniowania słonecznego 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Tendencja spadkowa całkowitej zawartości pary wodnej w atmosferze. 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Wymuszenie radiacyjne wymuszenie FTOA(Ro, Teff, T) Fo stałą słoneczna Fo/4 TeffσT4 Ro /4 Ro - planetarne albedo 7/21/2017 W stanie równowagi: Fo (1-Ro)/4=Teff T4 Krzysztof Markowicz [email protected] • Bilans na górnej granicy atmosfery wynosi +0.9 W/m2. Odchylnie od stanów równowagowego jest bardzo małe i stanowi zaledwie 0.25% strumienia promieniowania dochodzącego od Słońca. • Bilans energii na powierzchni Ziemi jest również dodatni i wynosi około 0.9 W/m2. 19 • Oznacza to, że bilans w atmosferze jest zerowy. Przyczyny zmian klimatu • • • • • • • Efekt cieplarniany Efekt aerozolowy (bezpośredni i pośredni) Zmiany cyrkulacji termo-halinowej w oceanach Wybuchy wulkanów Zmienność aktywności Słońca Zmiany w ozonosferze Inne 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Efekt cieplarniany- Zmiany koncentracji CO2 Podwojenie CO2 (2050 rok) prowadzi do wymuszania radiacyjnego +4W/m2. Efekt cieplarniany Prosty model efektu cieplarnianego S/4 (1-A) 240 240 S/4 (1-A) 240 240 T=Te=255K 240 240 240 Ts=255K No Atmosphere Ts4 480 Ts4 240 Ts= 303 K With a Black Atmosphere in the LW Only Termiczny wymiar efektu cieplarnianegoprzybliżony model. gazy cieplarniane para wodna T procentowy wkład koncentracja 20.6 62.1% 30 ppvt CO2 7.2 21.7% 350 ppmv 03 2.4 7.2% 50 ppbv N20 1.4 4.2% 320 ppbv CH4 0.8 2.4% 17 ppbv freony <0.8 2.4% 1 ppbv efekt cieplarniany 33.2 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Dlaczego trudno jest oszacować termiczny wymiar efektu cieplarnianego. • Problemem jest wyznaczenie średniej temperatury powietrza przy powierzchni ziemi w przypadku gdyby w atmosferze nie było gazów cieplarnianych. • Wynika to głównie ze względu na zmiany albeda planetarnego. Z jednej stronie nie byłoby chmur (mniejsze albedo), a z drugiej ze względu na dużo niższą temperaturę albedo powierzchni ziemi byłoby znacząco wyższe. Oba efekty można uwzględnić jedynie w symulacjach modelami klimatu. • Znacznie łatwiej można oszacować wymuszanie radiacyjne związane z gazami cieplarnianymi. Wymaga to jedynie obliczeń modelami transferu radiacyjnego. Symulacja zmian klimatu związana z usunięcie wszystkich gazów cieplarnianych Lacis et al., 2010 Rozkład południkowy temperatury powierzchni Ziemi po usunięciu GHG Lacis et al., 2010 Porównanie efektów cieplarnianych na różnych planetach Nieliniowy pływ gazów cieplarnianych na bilans energii CO2 wymuszanie CFCs CH4 N2O koncentracja . Wpływ zmian aktywności Słońca Zmiany stałej słonecznej (pomiary satelitarne) Zmiany liczby plam słonecznych (pomiary naziemne) Zmiany są zbyt małe aby wytłumaczyć nimi globalne ocieplenie obserwowane w drugiej części XX wieku. Dodatkowo, okres tych zmian krótki w porównaniu ze stałą czasowa systemu klimatycznego aby mogły one prowadzić do istotnych zmian klimatycznych. 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] AEROZOLE Rodzaje aerozoli: • sól morska • drobiny piasku • pyły (wulkaniczny) • fragmenty roślin • sadza (elemental carbon), organic carbon • siarczany, azotany • związki organiczne i nieorganiczne 7/21/2017 Zanieczyszczenia atmosfery zwane inaczej aerozolami to małe cząstki stałe lub ciekłe powstające w sposób naturalny oraz w wyniku działalności gospodarczej człowieka. Aerozole naturalne. Aerozole antropogeniczne Krzysztof Markowicz [email protected] Wielkość i kształt cząstek aerozolu 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Aerozol widoczny z kosmosu 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Podział aerozoli ze względu na ich rozmiar W rozkładzie wielości aerozoli wyróżniany 3 charakterystyczne grupy cząstek: • cząstki Aitkena (nucleation mod), r<0.05 m • cząstki małe (accumulation mod), 0.05<r<0.5 m • cząstki duże (coarse mod), r>0.5 m Szczególnie istotne znaczenie w atmosferze z klimatycznego punktu widzenia mają ostatnie dwa typy cząstek. 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Produkcja aerozoli • produkcja mechaniczna (powstawanie soli morskiej podczas załamywania fal morskich czy wynoszenie pyłu pustynnego w czasie burz pyłowych) • spalanie biomasy • spalanie przemysłowe (pyły, gazy) • konwersja gazu do cząstek np. do kwasu siarkowego czy azotowego 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Usuwanie aerozoli z atmosfery • Sucha depozycja Sedymentacja – osiadanie grawitacyjne (efektywnie usuwane tylko duże cząstki) • Wilgotna depozycja (wymywanie przez krople chmurowe lub krople deszczu). Efektywne usuwanie cząstek z klasy akumulacyjnej 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Zawartość aerozolu w atmosferze 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Jak bada się wpływ aerozoli na klimat? • Monitoring zanieczyszczeń atmosfery oraz podstawowych parametrów meteorologicznych (pomiary naziemne oraz satelitarne, sondowanie atmosfery) • Obserwacje składowych bilansu promieniowania słonecznego oraz długofalowego • Modelowanie zmian klimatu – modele klimatu • Badania eksperymentalne – kampanie polowe 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Wpływ aerozoli na klimat Ziemi Efekt bezpośredni (poprzez rozpraszanie i absorpcję promieniowania w atmosferze) Efekt pośredni (poprzez oddziaływanie aerozolu na własności mikrofizyczne chmur) 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Bilans Energii w Atmosferze Bilans radiacyjny w atmosferze –100 Wm-2 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Pośredni wpływ aerozoli – ślady statków większe albedo Stratocumulus. ... ... . . . . :: .::::..:: .. ... . . . . . . ::. ... .. .. .. . . . . .. .. ....... . ..... . . .... ..:: . .. . :::: :: :: . . Większa koncentracja kropel, Mniejszy promień re Pawłowska, 2005 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Optyczny model chmury Albedo chmury w przybliżeniu dwu-strumieniowym F (1 g) R 2 (1 g) 2 F 1 g gdzie g jest parametrem asymetrii związanym z rozpraszaniem promieniowania na kropelkach lub kryształach lodu, zaś grubością optyczna chmury. Przyjmując parametr asymetrii dla chmury równy około g=0.85 otrzymujemy R 13 Rozważmy jednorodną chmurę o monodyspersyjnym rozkładzie wielkości hr 2 Q ext N o Przyjmując, że dla obszaru widzialnego parametr wielkości x=2r/>>1 stąd Qext=2 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Wyznaczamy zależność albeda chmur R od liczby kropelek N przy stałej zawartości wody ciekłej (LWC) dR dR d dNo LWC d dNo Zakładając, że LWC nie zależy od wysokości stąd LWC 4 3 r w hN o 3 4 dLWC 0 hw (dN o r 3 3N o r 2 ) 0 3 dN o 1 r 3N o Obliczmy wielkość d 2h (dN o r 2 2rNo ) dNo 2 2 2hN o r No r d dN o 2 dN o 1 dN o No 3 No 3 No dR 13 13 2 d ( 13) ( 13)2 ostatecznie dR dR d 13 1 13 1 R 2 dNo LWC d dNo ( 13) 3 No 3No 13 dR R 13R R (1 R ) 3N o dN o LWC 3N o Tylko w przypadku chmur zawierających mała liczbę kropel N<100 cm-3 albedo chmury zależy silnie od koncentracji tym samym zawartości aerozoli. Przykład • Rozważmy dwie chmury o monodyspersyjnym rozkładzie kropel, grubości pionowej 400 metrów, przy czym pierwsza składa się z kropelek wody o promieniu r1 =10 m i koncentracji N1 =1000 1/cm3, zaś druga z kropel o promieniu r2 =20 m. • Zakładając, że wodność obu chmur jest identyczna możemy wyznaczyć koncentracje kropel w drugiej chmurze ze wzoru (125 1/cm3) • Stosując teorię rozpraszania MIE wyznaczamy parametry asymetrii dla obu chmur. Wynoszą one odpowiednio 0.86 i 0.87. • Grubość optyczny chmur wynosi: 188 i 94 • Albedo chmur: 0.93 i 0.86. Bezpośredni wpływ aerozoli na klimat wzrost albeda planetarnego warstwa aerozolu redukcja promieniowana słonecznego dochodzącego do powierzchni ziemi 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] wzrost absorpcji w atmosferze Efekt bezpośredni -prosty model radiacyjny Fo Fo (1 e ) Fo (1 )(1 e ) Fo e Fo (1 )(1 e ) Transmisja przez warstwę aerozolu t e (1 e )(1 ) Rs 7/21/2017 - grubość optyczna aerozolu - albedo pojedynczego rozpraszania scat ext - cześć promieniowania rozpraszania wstecznie Dla molekuł =0.5 Dla aerozoli (0.1 – 0.2) Odbicie od warstwy aerozolu Krzysztof Markowicz [email protected] r (1 e ) Promieniowanie wychodzące z atmosfery: Fo t 2 R s Fo rs Fr Fo (r t 2 R s t 2 R s2 r t 2 R 3s r 2 ...) Fo t 2R s Fr Fo r 1 R r s Zmiana albeda planetarnego przez aerozol: Fo t t 2R s R s r Rs 1 Rsr Fo tR s Rs 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Dla <<1 ; średnia wartość 0.1-0.2 t e (1 e )(1 ) r (1 e ) dla > c Rs>0 : ochładzanie dla < c Rs<0 : ogrzewanie t 1 (1 ) r 2R s 1 R s (1 R s ) 2 1 wartość krytyczna dla której Rs =0 2R s c 2R s (1 R s ) 2 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] tak więc • aerozole nad ciemną powierzchnią ziemi zawsze ochładzają klimat. • aerosole nad bardzo jasnymi powierzchniami (śnieg) ogrzewają klimat. • w przypadku pośrednim ochładzanie bądź ogrzewanie zależy od własności optycznych aerozoli oraz własności odbijających podłoża. • jednak zawsze obecność aerozoli prowadzi do redukcji promieniowania przy powierzchni ziemi a zatem ochładzania. 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] TOA Globalne zaciemnienie w XX wieku. 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Wpływ chmur na klimat • Chmury pokrywają około 50% powierzchni Ziemi, dlatego, też są one bardzo ważne z klimatycznego punktu widzenia. • Chmury zwiększają albedo planetarne od 14 do 30%. • Z drugiej zmniejszają ucieczkę promieniowania długofalowego w przestrzeń kosmiczną zapobiegając w ten sposób utracie energii. • Wpływ chmur na klimat zależy od ich własności optycznych oraz temperatury. Wymuszanie radiacyjne chmur Wpływ transportu lotniczego na klimat IPCC 1999 Krzysztof Markowicz IGF-UW 19.07.2005 Całkowite wymuszanie radiacyjne związane z transportem lotniczym jest dodatnie (w szczególności również smugi kondensacyjne). 53 19.07.2005 Sausen et al., 2005 Updated Aviation Radiative Forcing for 2000 Krzysztof Markowicz IGF-UW 54 Wymuszanie radiacyjne chmur: SW -52.9 W/m2 LW 20.5 W/m2 NET -32.4 W/m2 Chmury wysokie ogrzewają a niskie chłodzą… Th Albedo 10-30% Albedo 60-80% Tl Ts TsTl Ts>> Th Chmury niskie: 1. Mają zbliżoną temperaturę do powierzchni ziemi więc mają niewielki wpływ na promieniowanie długofalowe emitowane przez powierzchnie Ziemi 2. Silnie odbijają promieniowanie słoneczne. 3. Efekt netto jest ochładzający – ujemne wymuszanie radiacyjne. Chmury wysokie: 1. Mają znacznie niższą temperaturę w stosunku powierzchni ziemi więc znacząco redukują promieniowanie długofalowe emitowane przez powierzchnie Ziemi 2. Słabo odbijają promieniowanie słoneczne. 3. Efekt netto jest ogrzewający – dodatnie wymuszanie radiacyjne. 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Wymuszanie radiacyjne aerozoli w skali lokalnej 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] 60 Modelowane zmiany klimatu w obecnym stuleciu 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] 62 63 64
