Modelowanie zmian klimatu i jakości powietrza w Europie

Modelowanie zmian klimatu i jakości powietrza w Europie
Środkowej i Wschodniej
Katarzyna Juda-Rezler, Magdalena Reizer
Zespół Ochrony Atmosfery, Zakład Ochrony i Kształtowania Środowiska
Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Warszawska
W celu analizy i oceny podatności środowiska Europy Środkowej i Wschodniej
(Central Eastern Europe, CEE) na zmiany klimatyczne, jak również prognozy skutków, jakie
zmiany te mogą wywołać, 16. instytucji z 12. krajów europejskich utworzyło konsorcjum,
które wzięło udział w konkursie 6. Programu Ramowego UE, priorytet Global Change and
Ecosystems. Zaproponowany projekt CECILIA - Central and Eastern Europe Climate
Change
Impact
and
VulnerabilLIty
Assessment
(http://www.cecilia-eu.org)
uzyskał
akceptację i jest w trakcie realizacji (2006-2009). Głównym koordynatorem jest prof. T.
Halenka z Uniwersytetu Karola w Pradze. Wśród partnerów są m. in.: Międzynarodowe
Centrum Fizyki Teoretycznej w Trieście (ICTP – The Abdus Salam International Centre for
Theoretical Physics), Meteo France, Duński Instytut Meteorologiczny (DMI – Danish
Meteorological Institute), Uniwersytet Arystotelesa w Salonikach (AUTH – Aristotle University
of Thessaloniki), Uniwersytet Nauk o Ziemi w Wiedniu (BOKU – Universität für Bodenkultur
Wien), Słowacki Instytut Badawczy Leśnictwa (NFC – Forest Research Institute), Uniwersytet
Eotvos Lorand w Budapeszcie (ELU – Eotvos Lorand University), Bułgarski Narodowy
Instytut Meteorologii i Hydrologii (NIMH – National Institute of Meteorology and Hydrology).
Polskę reprezentuje Politechnika Warszawska (PW), a pracami kieruje prof. K. Juda-Rezler.
Prognozy klimatu opracowywane są przy pomocy globalnych modeli klimatycznych
(GCM – Global Climate Model/General Circulation Model). Modele te charakteryzują się
rozdzielczością przestrzenną siatki obliczeniowej sięgającą kilkuset kilometrów i dobrze
odwzorowują poszczególne elementy klimatu na dużą skalę (globalną, kontynentalną), ale
ich dokładność spada w miarę zmniejszania skali do regionalnej czy lokalnej, zwłaszcza w
przypadku opadów atmosferycznych i temperatury powietrza, na których zmianę poważnie
wpływa topografia i wykorzystanie (pokrycie) terenu. W związku z tym, w ciągu ostatnich
kilku lat do badania zmian klimatu coraz powszechniej wykorzystywane są regionalne
modele klimatyczne (RCM – Regional Climate Model). Opracowane do tej pory modele RCM
pracują w rozdzielczości przestrzennej 50km, która - ze względu na występowanie
skomplikowanej topografii terenu i silnego zróżnicowania jego wykorzystania – jest zbyt mała
dla Europy Środkowej i Wschodniej.
Wobec tego, głównym celem projektu CECILIA jest adaptacja wybranych modeli
RCMs – RegCM (ICTP, Triest) oraz ALADIN-Climate (Meteo-France) – do wysokorozdzielczych (10km) symulacji dla poszczególnych subregionów CEE. Modele te, dla
obliczeń
diagnostycznych
są
zasilane
danymi
z
reanalizy
pomiarowych
danych
meteorologicznych (ERA-40); natomiast dla prognoz klimatycznych wynikami modeli GCM.
Modelem GCM wykorzystywanym w projekcie jest ECHAM5 (Instytut Meteorologii Maxa
Plancka w Hamburgu).
Wynikiem symulacji będą prognozy zmian klimatycznych, w tym występowania
ekstremów pogodowych, a także analiza wpływu tych zmian na hydrologię, jakość powietrza,
rolnictwo i leśnictwo. Do symulacji jakości powietrza w CECILII stosowane są fotochemiczne
Eulerowskie modele tzw. trzeciej generacji: CAMx (ENVIRON Int. Corp., USA) oraz CMAQ
(US EPA), pracujące w systemach modelowania z modelami RCMs.
Polska uczestniczy w pracach 3. z 7. grup tematycznych projektu, przy czym
koordynuje prace grupy 7: Wpływ zmian klimatu na jakość powietrza i zdrowie ludzkie.
Do chwili obecnej ukończono symulacje klimatyczne i jakości powietrza dla Europy w
rozdzielczości przestrzennej 50km (klimat i jakość powietrza) oraz 25km (klimat). Uzyskane
wyniki stanowią warunki brzegowe dla wysoko-rozdzielczych symulacji w domenach
obliczeniowych poszczególnych partnerów projektu (rys.1). Przykładowe wyniki obliczeń
przedstawiono na rys. 2.
Rysunek 1: Obszar modelowania zmian klimatu w projekcie CECILIA (kolor fioletowy). Domeny
modelowania: WUT – Politechnika Warszawska, CUNI – Uniwersytet Karola w Pradze, CHMI – Czeski
Instytut Hydrometeorologiczny, NIMH – Narodowy Instytut Meteorologii i Hydrologii (Bułgaria), NMA –
Narodowa Służba Meteorologiczna (Rumunia), OMSZ – Węgierska Służba Meteorologiczna, ELU –
Uniwersytet Eotvos Lorand w Budapeszcie.
Dla Polski zdefiniowano domenę obliczeniową (rys. 1) i zaimplementowano dla niej
model klimatu RegCM i model jakości powietrza CAMx. Przeprowadzono testy modelu
RegCM przy zasilaniu danymi z reanalizy (ERA40). Następnie przeprowadzono wysokorozdzielcze symulacje klimatyczne dla okresu 1991-2000 (zasilane wynikami modelu
globalnego ECHAM5) oraz symulacje jakości powietrza dla roku bazowego (2000).
Pozytywna weryfikacja otrzymanych wyników pozwoliła na przystąpienie do prognostycznych
symulacji klimatu i jakości powietrza, przy wykorzystaniu systemu modeli ECHAM5–RegCM–
CAMx i scenariusza SRES A1B IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change).
Należy podkreślić, że PW jest obecnie jedną z dwóch instytucji w Polsce,
wykonujących symulacje zmian klimatu w skali regionalnej. Ponadto, stosowany system
modelowania ERA40/ECHAM5–RegCM–CAMx jest pierwszym tej klasy narzędziem
informatycznym działającym operacyjnie (symulacje długoterminowe) dla obszaru kraju.
Projekt CECILIA ma istotne znaczenie w rozwoju w Polsce badań zmian klimatu oraz
badań związanych z leśnictwem i ochroną środowiska, zwłaszcza atmosfery. Uzyskane
wyniki badań naukowych mogą okazać się przydatne przy wdrażaniu Narodowego Programu
Klimatycznego.
Rysunek 2: Przykładowe wyniki systemu modelowania ECHAM5–RegCM–CAMx dla Europy w
rozdzielczości 50km.
Uśrednione wartości skumulowanej dozy ozonu AOT40 [ppb·h] dla obecnego klimatu (1991-2000) –
lewa górna mapa oraz prognoza zmian wartości AOT40 w okresie bliskiego (2041-2050) i dalekiego
(2091-2100) przyszłego klimatu w odniesieniu do wcześniejszych okresów – pozostałe mapy. Źródło:
Projekt CECILIA, 2008: B.C.Krüger, BOKU-Met (Uniwersytet Nauk o Ziemi w Wiedniu).