AZ ÉGHAJLATI MODELLEKRŐL, TÖRTÉNET

Az előadások a következő témára: "AZ ÉGHAJLATI MODELLEKRŐL, TÖRTÉNET"— Előadás másolata:

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

2 ? 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

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

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

5 L. F. Richardson L.F. Richardson, numerikus előrejelzés alapjai
Lewis Fry Richardson (October 11, 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.”

6 “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

7 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…

8 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?

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

10 A klímamodellek piramisa

11 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.

12 Klímamodellek - 1940-es, 1950-es évek

13 A klímamodellek fejlődése – tárigény adta lehetőségek

14 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.

15 Az információk tárolási költségeinek csökkenése 1950-2010 között

16 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… június 6.

17 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…

18 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.

19 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

20 A klímamodellek fejlesztésének története
Jules Charney 24 órás előrejelzés (700km, USA) Smagorinsky alkalmazza Manabe-t Arakawa (UCLA): 2 szintes globális modell domborzattal, óceánokkal és jéggel 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 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.

21 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.

22 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)

23 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 : cím megalkotója

24 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 : cím megalkotója

25 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…

26 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

27 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.

28 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: /2007JD

29 Hőmérsékletés csapadék
AOGCM-RegCM