AZ ÉGHAJLATI MODELLEKRŐL, TÖRTÉNET Bartholy Judit Eötvös Loránd Tudományegyetem Meteorológiai Tanszék, Budapest

? VÁZLAT Arviz hhhhhhhhhhhhhhhhhhhh mnbhg mnjhbvg Történet Kárpát-medence ? Európa Föld VÁZLAT Történet Előrejelzés igénye XIX. századra szélövek feltérképezése 1897. Bjerknes: nem homogén folyadékot leíró egyenletek 1904 január, Meteorologische Zeitschrift (numerikus előrejelzés lehetősége) II. Új fejlesztések a klíma- modellezésben III. Következtetések Arviz hhhhhhhhhhhhhhhhhhhh mnbhg mnjhbvg

Analízis térképek – modellezés tengerszinti légnyomás – 1910. május 20 Analízis térképek – modellezés tengerszinti légnyomás – 1910. május 20. 7 óra

Analízis térképek – modellezés/Met Office tengerszinti légnyomás – 2008. február 20. 06 UTC

L. F. Richardson L.F. Richardson, numerikus előrejelzés alapjai Lewis Fry Richardson (October 11, 1881 - September 30, 1953) angol tudós, Newcastle Légköri előrejelzést lehetővé tevő formulát alkotott. Az első kísérletek nem hoztak sikert, nem adtak valós eredményeket a számítások… Mindezen dolgok mellett a háború mibenlétét is tudományos alapokra helyezve vizsgálta. Béke párti volt. Közben lefektette egy új tudományág a konfliktusok tudományos vizsgálatának alapjait. A háborút a közös határok hosszának függvényében határozta meg. Figyelembe vette továbbá a helyi nyelvet, vallást és a gazdasági helyzetet is. L.F. Richardson, numerikus előrejelzés alapjai (1921 első numerikus kísérlet) „A formula bonyolult, mivel a légkör maga is bonyolult.”

“Előrejelző gyár” Egy előrejelző központ egy korai elképzelés (L.F. Richardson) szerint… “Előrejelző gyár” 6 heti papír munka után arra a kérdésre jutott, hogy valaha a jövőben képesek lesznek-e gyorsabban elvégezni a számításokat, mint ahogyan a légköri folyamatok fejlődnek… Előrejelző központokat képzelt el

A klímamodellezés története „Ha meg akarsz ismerni valamit, figyeld meg annak kezdetét és fejlődését.” (Arisztotelész) „A történelem többé-kevésbé üres beszéd.” (Henry Ford) Jelentős események időrendi sorrendje…

Hogyan jutottunk idáig? vegetáció szárazság tavak, gleccserek dinamika termodin. vízgőz/felhők kémia sugárzás hőmérséklet sótartalom cirkuláció Légkör Tenger jég Óceánok Szárazföld Energia, momentum és tömeg fluxusok kapcsolata A klímamodellek Ma már számos csatolt globális modellel rendelkezünk, melyekben megjelenik az éghajlati rendszer számos folyamata. Hogyan jutottunk idáig?

A klímamodellek piramisa • Az egyszerűbb modellek lenn, a komplexek feljebb helyezkednek el. • A feljebb lévő modellek nem törvényszerűen „jobbak”, mint a lejebb lévők.

A klímamodellek piramisa

A klímamodellek piramisa • Manabe-Wetherald (1967): Egy dimenziós sugárzási-konvektív modell Budyko (1969): Energia-egyensúlyi modell stb. Johns et al. (1997): Csatolt éghajlati rendszert leíró modell, finom felbontású.

Klímamodellek - 1940-es, 1950-es évek

A klímamodellek fejlődése – tárigény adta lehetőségek

A 6 KULCSFONTOSSÁGÚ MÁRFÖLDKŐ • 1947: A tranzisztor feltalálása. Ez teszi lehetővé a megbízhatóbb számítógépek megjelenését. • 1956: Első kézikönyv a FORTRAN programnyelvről. Ezáltal megszűnik a computer programozók társaságának titkossága. • 1976: A szuper-computerek megjelenése (első Cray 1 üzembehelyezése) • 1980: Az interaktív rendszerek megjelenése. Gyors fejlődés a kutatási eredmények feldolgozásában. • 1990: html és a WWW alapú dokumentumok elterjedése, a klímamodellek és azok dokumentációinak Internet alapú forgalma • 2000: GMR (giant magneto-resistance, óriás mágneses ellenállás) (Fizikai Nobel Díj, 2007). E nano-technikai eljárás által a lemezek adatsűrűsége jelentősen tovább növekedhetett. • A klímamodellezés fejlődését a fenti okok mindegyike együttesen segítette.

Az információk tárolási költségeinek csökkenése 1950-2010 között

Az előrejelzőknek fontos szerep jutott, hogy a megfelelő időpontot válasszák a szövetséges csapatok a partara szállásra. Pont azon a terülten, ahol teljességgel képtelennek tartották a németek… 1944. június 6.

A klímamodellek fejlesztésének története Modellek formulákba foglalása II. Világháború Számítógépek kapacitása Pezsdítőleg hat a kényszer a tudosókra a világháború alatt. Időjárás előrejelzésnek fontos szerep jut a harcok alatt. Pl.: partara szállás (D—day). Kézzel számították még az egyenleteket…

A klímamodellek fejlesztésének története Neumann János „Számítógépek szószólója” ENIAC, EDVAC János már korán kortársait jóval meghaladó képességekről tett tanúbizonyságot. Magyar anyanyelve, a francia, és a német nyelvek mellé megtanulta a latint és az ógörögöt, emlékezőtehetsége szinte fotografikus volt, és fejszámolásban is rendkívüli eredményeket mutatott fel. Ez utóbbi képessége felnőttkorában szinte védjegyévé vált. Legenda járt arról, hogy a korai elektronikus számológépek számításait ő maga ellenőrizte fejben a gépekével azonos sebességgel. (legbonyolultabb feladatok egyike> számítógép) Hasonlóságokat vél felfedezni robbantásos szimulációk és az előrejelzések között. Ő irányította az EDVAC – az első olyan számítógép, amely a memóriában tárolja a programot is – megépítését 1944-ben, amelyet 1952-ben helyeztek üzembe. ENIAC, short for Electronic Numerical Integrator And Computer Eredetileg katonai, tüzérségi számításokra használták. 1946-ban készült el az ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), ami hivatalosan az első programozható, elektronikus, digitális számítógép volt. 18 000 elektroncsövet és 1500 jelfogót építettek bele. 2,5 m magas volt, 40 m hosszú és 30 tonna. Az összeadást és a kivonás 1/5000 sec alatt végezte el, ami 500-szor gyorsabb volt, mint az akkoriban megjelent MARK II. A sok elektroncső miatt csak 2-3 órát működött, és utána 2-3 napig szerelték.

A klímamodellek fejlesztésének története Programozók megjelenése Számítógéptől való függés Modellek elterjedése Programozók megjelenésével a tudósok fel lettek mentve a programozás alól, így teljesen a tudományukra tudtak összpontosítani. A programozás erősen szgéptől függött. Primitív (a maival összevetve) programnyelvek jelennek meg. A számítógépek tárkapacitása nevetségesen kicsi a maival összehasonlítva. A különböző modellek a számítógépek egyre gyakoribbá válásával kezdenek elterjedni az egész világon. Ugyanakkor ezek „mutációi” is megjelennek. A képenlátható: Electronic Delay Storage Automatic Calculator (EDSAC), Cambridge

A klímamodellek fejlesztésének története 1950 - Jules Charney 24 órás előrejelzés (700km, USA) 1958 - Smagorinsky alkalmazza Manabe-t 1964 - Arakawa (UCLA): 2 szintes globális modell domborzattal, óceánokkal és jéggel 1965 - Manabe: 9 szintes globális légköri modell Meteorológiai csoport fejének hívják meg és 1950-re képesek 700km-es felbontás mellett 24 órás előrejelzéseket készteni az USA-ra. Igaz ezek előállításához szintén 24 órára van szükség… Joseph Smagorinsky (29 January 1924 - 21 September 2005) A NOAA első elnöke A fiatal japán fizikus által megalkotott globális modell sokáig marad érvényben. A légköri modell azonban nem tartalmazza a szárazföldet. Az UCLA (University of California, Los Angeles) által kifejlesztett azonban igen! 1969, Manabe-Bryan: a nehezen kezelhető területeket (poláris területek) egyszerűen levágták.

A klímamodellek fejlesztésének története (’60-as évek) Megfelelő szimulációk (Smagorinsky, 1963) 1D RC szimulációk (Manabe & Wetherald, 1969) Energia egyensúlyi modellek (Budyko 1969, Sellers 1969) Szárazföldi vízháztartás szerepe (Manabe, 1969) Az 1960-as évekre a primitív egyenleteken alapuló dinamikai előrejelzéseket követték az első dinamikai alapú klíma modellek. A klímamodellek alapjait ezekben az években rakják le. Bár a számítógépek egyre fejlettebbek lesznek, de továbbra is nagyon ritka és igen drága munkaeszköznek számítanak. 1968-ban Hill ötlete: finomítani kell a rácshálózatot, hogy a szubszinoptikus folyamatokat is le tudjuk írni. (n-res finomítás n3-ra emeli a számítási igényt) Rács-teleszkopizáció módszere: 300km-es felbontás mellett előrejelzést készítünk a teljes tartományra, majd a kisebb ám finomabb felbontású tartományra oldjuk meg az előrejelzési feladatot, eközben időben változó határfeltételekként a kisebb tartomány oldalsó határterületein a nagy tartományra vonatkozó prognózis eredményeit adjuk meg.

A klímamodellekről (’70-es évek) Review of Climate Modelling (Schneider & Dickinson, 1974) A CO2 megduplázódásának hatásai (Manabe & Wetherald, 1975) Cray-1, 1976 Modellezés spektrál módszerekkel (Bourke és társai, 1979) Folyamatosan nő a gépek számítási és tárolási kapacitásával párhuzamosan az ismeretek tárháza is. A modellezők elkezdik katalogizálni a rendelkezésre álló eszközeiket. A modellezés kitermeli különböző gondolkodású iskoláit. Ez a folyamat azóta is tart. Az évtized elejétől 300 km-es felbontás mellett, míg 1975-től (Ausztrália) a déli félgömbre is készülnek naponta előrejelzések. A Cray-1-et Los Alamosban használták. A történelem egyik legismertebb és legsikeresebb szuperszámítógépe. 2007-es év leggyorsabb processzora 130x gyorsabb. (40GFLOP-foating pint operation)

A klímamodellek története (’80-es évek) Szuperszámítógépek Finomabb felbontás Hosszabb szimulációk Több folyamat figyelembevétele (talajrétegek, fák, folyók, tengeri jég…) Internet A gyorsabb gépek több lehetőséget nyújtanak a felhasználóknak. A rendelkezésre álló adatok soha sem elég részletesek, azok mennyisége soha nem megfelelő. Ez a további fejlesztéseket szorgalmazza. 1971 Ray Tomlinson : e-mail cím megalkotója

A klímamodellekről (’80-es évek) Szuperszámítógépek Finomabb felbontás Hosszabb szimulációk Több folyamat figyelembevétele (talajrétegek, fák, folyók, tengeri jég…) Internet A gyorsabb gépek több lehetőséget nyújtanak a felhasználóknak. A rendelkezésre álló adatok soha sem elég részletesek, azok mennyisége soha nem megfelelő. Ez a további fejlesztéseket szorgalmazza. 1971 Ray Tomlinson : e-mail cím megalkotója

A klímamodellekről Klíma modellek piramisa Alul egyszerűek, felül komplexebbek A piramis csúcsához közeledve egyre komplexebb modelleket találunk, de ezek nem feltétlenül jelentenek jobb modelleket! AOGCM-ről még említést tenni Legegyszerűbbek: - 0 dimenziós modell: (1 − a)Sπr2 = 4πr2εσT4 (A Föld sugárzási egyensúlya.) - RCM: - Fel-és le irányuló radiatív transzfer a légrétegek között - konvekció általi felfelé irányuló hőtranszport AGCM AOGCM: A légköri és óceáni folyamatok csatolva vannak + egyre több folyamatot figyelembe vevő modellek: természetes hatás, növényzet…

Regionális klímamodellek Globális légköri modell Fizikai folyamatok Az 1990-es évekre jutottak arra az ötletre, hogy a korlátos tartományú modelleket fel lehetne használni regionális klíma modellezésre. (Dickinson, Giorgi) A klímamodellek a fizikai alaptörvényeken alapuló differenciálegyenletek, a mozgó folyadék és kémiai egyenletek együttes rendszerei. A légköri modellek eredményei: szél, hőtranszfer, sugárzás, relatív nedvesség és felszíni vízháztartás. 3D-ban minden rácspontban. Empirikus statisztikus leskálázás Regionális modellek Finomabb felbontású globális modellek

Regionális klímamodellek RCM hatékony eszközei a finom felbontású klímaváltozási hatástanulmányok elkészítéséhez, illetve az alkalmazkodási lehetőségek feltérképezéséhez. A csatolt légkör-óceán GCM-ek eszközeivel szcenáriók kaphatók. Ezen modellek felbontása 1 nagyságrenddel nagyobb az RCM-nél. Ebből adódóan (300 km-es felbontásuk mellett) ezen modellek képtelenek a kisebb skálájú folyamatokat, mozgásrendszereket megfogni. Mezo léptékű modellek: MM4, National Center for Atmospheric Research (NCAR) community climate model (CCM1) és a Pennsylvania State University (PSU)/NCAR Mesoscale Model version 4 (MM4), Ny-USA-ra végeztek először kísérleteket mind a kettő modellel. A sugárzás kezelése mindkét modellenél azonos volt. Mind a két modellt 1987-ben alkották: CCM1 (Williamson és tsai), MM4(Anthes és tsai) MM4 nem tudja saját magának az ICBC-ket ekőállítani, így a CCM1 szolgáltatta azokat. Ekkor a modell felbontása 60 km volt. Kb. 100 MM4 rácspont jutott 1 CCM1-re. A CCM1-el 3 évet szimuláltak, az MM4-el 20 napot, és ennek eredményeit (csapadék) sokkal jobbnak találták. RCM-ek finom felbontású szcenárióin alapuló hatástanulmányokat hozzávetőlegesen csupán 2000 óta végeznek.

Regionális klímamodellek ClimatePrediction.net Regionalizáció Jövő: RCM ensemble? ClimatePredicition.net: A világ minden tájáról (magyarok is vannak benne) futtatnak a saját otthoni gépükön és így több 1000 futási eredményt vesznek alapul (ensemble) a klíma kutatásához. A bizonytalanságokra segítve rávilágítani ezáltal. Ezen eredmények regionális felhasználásának kísérlete megtörtént: Regional probabilistic climate forecasts from a multithousand, multimodel ensemble of simulations (J. Geophys. Res., 112, D24108, doi:10.1029/2007JD008712.

Hőmérsékletés csapadék AOGCM-RegCM