I MODELLI DEL CLIMA

IL MUTAMENTO CLIMATICOPROCESSI NATURALI E INTERVENTO UMANO

17-18 maggio 2012, Accademia delle Scienze di Torino

Silvio Gualdi Centro Euro-Mediterraneo per I Cambiamenti Climatici,Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia

IL SISTEMA CLIMATICO

Definizione di Sistema Climatico:

GARP (Global Atmosphere Research Programme of the W MO) 1975:

“as being composed of the atmosphere, hydrosphere, c ryosphere, land surface and biosphere”

FCCC (Framework Convention on Climate Change, UN) 1 992:

“the totality of the atmosphere, hydrosphere, biosph ere and geosphere and their interactions”

The two definitions are very similar, but the empha sis on the interactions has increased since 1975, both in the definition an d in the scientific literature

3

The pictorial form

IL SISTEMA CLIMATICO

Possiamo cercare di comprendere (e possibilmente prevedere)l’evoluzione del sistema climatico per mezzo delle equazioni chene descrivono il comportamento.

Che cos’è un modello del clima?

Modelli del clima

Un set di equazioni matematiche che rappresentano le leggi della fisica che governano l’evoluzione del sistema climatico.

A seconda di quanto vogliamo essere inclusivi, i modelli del climapossono essere molto semplici (Energy Balance Model) o moltocomplessi, includendo tutte le componenti del sistema (Atmosfera,Oceano, Suolo, Criosfera e Biosfera) con I relativi processi fisici edinamici e le interazioni tra essi.

IL SISTEMA CLIMATICO

MODELLI DEL CLIMA

From McGuffie Henderson-Sellers

Simple climate models

Energy Balance Models (EMB):(e.g. Budyko 1969, Sellers 1969)

Modelling the Earth climate (predict the surface temperature) in terms of its global energy balance.

They are zero- or one-dimensional models mostly used for sensitivity studies of the climate system to investigate the possibility of alternative stable climatic states for the Earth (geological time-scales climatic changes)

Fi(T)= transfer of energy through latitude zones

Radiative-convective(RC) climate models(e.g. Manabe and Strickler 1964)

1-D models (vertical).Resolve many layers in the atmosphere and seek to compute atmospheric and surface temperature.

Can be used for sensitivity tests and offer the opportunity to incorporate a complex radiation treatment

From McGuffie Henderson-Sellers

MODELLI DEL CLIMA

Simple climate models

7

The pictorial form

IL SISTEMA CLIMATICO

From L. Bengtsson, 2005

Global coupled General Circulation Models (GCMs)

MODELLI DEL CLIMA

Conservation of momentum

Du

Dt− fv = −∂φ

∂x− Fx

Dv

Dt+ fu = −∂φ

∂y− Fy

0 = −

∂φ∂p

−RT

p

x

y

z Hydrostatic balance(neglect vertical accelerations)

Conservation of mass

dρdt

+ ∇ ⋅ ρr u = 0

∂u

∂x+

∂v

∂y+

∂ω∂p

= 0ω = dp/dt

= pressure velocity

∂T

dt+ u

∂T

dx+ v

∂T

dy+ ω(

∂T

∂p+

RT

pcp

) =J

c p

Conservation of energy

Equation of state p = ρRT

ATMOSFERA

Le componenti del sistema climatico sono sistemi fisici e quindi descritti dalle leggi della fisica

MODELLI DEL CLIMA

10McGuffie and Henderson-Sellers, 2005

Le equazioni del clima sono molto complesse e non ci sono soluzioni analitiche (conosciute)

treat very complex mathematical equations, paying the price of a enormous number of elementary operations

Metodo delle Differenze Finite

∂u

∂t= k

∂ 2u

∂ 2x

2

2

U - Un+1 n

j j

∆t ∆x2

U - 2U + Unnn

jj+1 j-1=

MODELLI DEL CLIMA

Metodi numerici basati sulla “discretizzazione” delle equazioni nei quali i gradienti sono sostituiti da differenze

11

SUB-GRID COMPONENTS

Model’s do not have enough resolution to resolve a number of physical processes.

Many of these processes act at scales of 1-10 km or even smaller.

So they are represented in terms of the large-scale flow (what gets simulated).

Modified from http://www.gfdl.noaa.gov/ocean-models-at-gfdl.PARAMETRIZATION

MODELLI DEL CLIMA

Mathematical equations that represent the physicalcharacteristics and processes are entered for each box

MODELLI DEL CLIMA

Equations are converted to computer code and climate variables are set

MODELLI DEL CLIMA

A supercomputer solves all the equations, passing results to neighboring boxes and calculating the next set of initial conditions

MODELLI DEL CLIMA

Simulazioni Climatiche : esplorare i meccanismi che governano lavariabilità del clima e dei suoi possibili cambiamenti. Esperimenti miratiprincipalmente a investigare i processi su una grande varietà di scalespaziali e temporali

Proiezioni di Cambiamento Climatico : investigare e possibilmentequantificare il segnale di cambiamento climatico associato a prescrittiscenari di forzante radiativo. Generalmente lunghe simulazioni mirate adidentificare trend di lungo termine e cambiamenti nella statistica deiparametri climatici.

Previsioni Climatiche (stagionali-multiannuali) : mirate ad investigare ecercare di prevedere le variazioni dovute sia ai forzanti esterni che allavariabilità interna del sistema climatico

L’USO DEI GLOBAL COUPLED GCMs

APPLICAZIONI DEI MODELLI DEL CLIMA

I modelli sono strumenti che possono essere utilizzati per una varietà di scopi

Sea-Surface Temperature (SST) 1951-2000 mean

MODEL

OBS (HadISST)

OBS (HadISST)

MODEL

MODEL - OBS

MODEL - OBS

JFM

JAS

-5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 °°°°C19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 °°°°C

SIMULAZIONI CLIMATICHE: CLIMA PRESENTE

APPLICAZIONI DEI MODELLI DEL CLIMA

PRECIPITATION (annual mean) 1951-2000 mean

OBS

MODELS

From IPCC AR4 WG1, 2007

APPLICAZIONI DEI MODELLI DEL CLIMA

SIMULAZIONI CLIMATICHE: CLIMA PRESENTE

From IPCC AR4 WG1, 2007

Near surface temperature anomaly (wrt. 1901-1950)

Assess the capability of the model

(simulation) to reproduce the

observed trend once the observed forcing

is prescribed

APPLICAZIONI DEI MODELLI DEL CLIMA

SIMULAZIONI CLIMATICHE: CLIMA PRESENTE

SST anomaly

Equatorial cold tongue is weaker than average or absent during El Niño, resulting in positive SST anomalies

Equatorial cold tongue is stronger than

average during La

Niña, resulting in negative

SST anomalies

From A. Capotondi

APPLICAZIONI DEI MODELLI DEL CLIMA

SIMULAZIONI CLIMATICHE: CLIMA PRESENTE

Evolution of the Niño3.4 index

Observations

CCSM3 (NCAR)

GFDL

NASA GISS

From A. Capotondi

MO

DE

LS

APPLICAZIONI DEI MODELLI DEL CLIMA

SIMULAZIONI CLIMATICHE: CLIMA PRESENTE

Climate projections : assess the climate change signal according to prescribed scenarios of radiative forcing.

Generally long simulations starting from spin-up initial conditions.

Identify long-term trends and changes in the statistics of parameters of interest.

Global Atmosphere

Global Ocean

Heat FluxWater Flux Momentum

SSTSea-ice

PROIEZIONI DI CAMBIAMENTO CLIMATICO

Courtesy of S. Somot

APPLICAZIONI DEI MODELLI DEL CLIMA

Deviation of the global mean surface temperature(wrt 1840-70 mean)

T2m and Precipitation

projected trends

10*(°C/decade)T2m trend 2001-2050 DJF

T2m trend 2001-2050 JJA

(mm/day)/decade

Prec trend 2001-2050 DJF

Prec trend 2001-2050 JJA

APPLICAZIONI DEI MODELLI DEL CLIMA

PROIEZIONI DI CAMBIAMENTO CLIMATICO

Seasonal predictions : assess the climate variations mostly due to the internal variability of the climate system.

6-to-12 month simulations initialized with observed conditions (specific start date).

Prediction of possible anomalous conditions (e.g. ENSO).

Global Atmosphere

Global Ocean

Heat FluxWater Flux Momentum

SSTSea-ice

PREVISIONI CLIMATICHE: PREVISIONI STAGIONALI

Both ocean (sea-ice) and atmosphere (soil) initialized with observed conditions

Courtesy of S. Somot

APPLICAZIONI DEI MODELLI DEL CLIMA

• Starting date 1 st May 2010• Ref. Climatology 1980-2005

JJA anomalies significantly different from climatologyassessed through a bootstrapprocedure.

mm/mm/seasonseason

Anomalies of near-surface temp. and precipitation - JJA mean

°C

NINO-3 SSTA

TEMP anomalies

PREC anomalies

APPLICAZIONI DEI MODELLI DEL CLIMA

PREVISIONI CLIMATICHE: PREVISIONI STAGIONALI

Anomaly correlations betweenpredicted and observed T2m

Assessment of the skill of the forecasts (decadal or seasonal)

FORECASTS OF PAST EVENTS (Forecasts in the past = HINDCASTS)

APPLICAZIONI DEI MODELLI DEL CLIMA

PREVISIONI CLIMATICHE: PREVISIONI STAGIONALI

mid-1960s 1970s-1980s 1990s present day2000s

modified from Washington et al. 2009

SUMMARY

Dai primi passi degli anni ‘60 enormi progressi sono stati fatti nella modellistica del clima (grazie anche allo sviluppo delle risorse computazionali e dei metodi numerici).

I modelli climatici “stato-dell’arte” sono in grado di riprodurre molte delle principali caratteristiche del clima osservato e possono essere utilizzati per cercare di capirne i meccanismi e prevederne l’evoluzione.

I problemi principali rimangono quelli legati al trattamento dei fenomeni a piccola scala, non esplicitamente risolti e rappresentati per mezzo di parametrizzazioni (es. nubi, convezione, ecc.) la cui trattazione è in larga misura legata ad assunzioni ad hoc (importanti implicazioni per gli studi di cambiamento climatico).

Five Dimensions of Climate Prediction(T. Palmer, ECMWF)

All require much greater computer resource and more efficient modeling infrastructures

Resolution

Ensemble size

Timescale

Simulation complexity

Data assimilation/Initial value forecasts

28

GRAZIE