8/24/2011

1

OORSIG VAN KLIMAATMODELLE

LWR324

Opsomming

• GCMs– Beskrywing & geskiedenis– Komponente & vergelykings– Tipes & voorbeelde– Streeksmodele

• PRECIS• WNNR• Afskaling – dinamies vs. statisties

– Bronne van waarnemings

8/24/2011

2

• rekenaar-gedrewe modelle vir weervoorspelling, om klimaat beter te verstaan & klimaatveranderinge te projekteer

• ook genoem Globale Klimaatmodelle (GKMe)• numeries intensiewe berekeningsmodelle gebaseer op

integrasie van verskydenheid van hidrodimiese, chemiese & ook biologiese vergelykings

.

.

.Algemene Sirkulasie Modelle(ASMe)

General Circulation Models

(GCMs)

Algemene Sirkulasie Modelle

• Stelsels differensiaalvergelykings gebaseer op basiese wette van fisika, vloeistofdinamika & chemie

• Wetenskaplikes veerdeel die planeet in ʼn 3-dimensionele ruitnetwerk, pas die primêre vergelykings toe & evalueer die resulte

• Atmosferiese modelle bereken druk, wind, hitteoordrag, straling, relatiewe humiditiet & oppervlakhidrologie by elke ruitpunt

• Evalueer interaksies met aangrensende punte

8/24/2011

3

Geskiedenis

• 1950s – NOAA eerste numeriese modelle• 1960s – straling-konveksie modelle• 1969 – Energiebalans modelle• 1980 – Algemene Sirsulasiemodelle• Nou GKM = Globale Klimaatmodelle

beskryf klimaat deur integrasie van verskillende vloeistofdinamika, chemiese of selfs biologiese vergelykings

Kombinasies van modelle

• atmosferiese GKMe (GCMs) = AGKMe (AGCMs)• oseaan GKMe (GCMs) = OGKMe (OGCMs)• AGKM & OGKM kan ook saam gekoppel word om

atmosfeer-oseaan gekoppelde algemene sirkulasiemodel of AOGKM (AOGCM) te vorm

8/24/2011

4

Altyd nuwe ontwikkelings

• Atmosfeer – toename in aantal komponente• Oseaan – toenemende resolusie• Uiterste toets = is voorspelling korrek?Verskillende tydskale• Lank = geologies, geofisies, glasiologies• Kort = lugkwaliteit, besoedeling & chemieVerskillende ruimtelike skale • Globaal – streek – plaaslike afskaling

8/24/2011

5

Klimaatstelsel komponente

• Interaksies tussen komponente• Interaksies tussen prosesse• Afhanklik van temperatuur-lugdruk & samestelling van

komponente• Met verskillende tyd & ruimtelike skale

Klimaatstelsel komponente

8/24/2011

6

Globale Klimaatmodelle

• Voorspelling beskryf van streek tot globale skaal atmosferiese & oseaanverskynsels

• Beoog om klimaat te beskryf • Deur integrasie van verskillende vloeistof-dinamiese,

chemies en/of biologiese vergelykings wat• of afgelei van fisiese wette (bv. Newton se wet) • of gebou deur meer empiriese metodes

8/24/2011

7

Gebruik van GKMe

Navorsingstudies & operasionele toepassing: • weervoorspelling• seisoenale vooruitskouing• klimaatsverandering projeksiesMaar • hoogs kompleks• baie skakels & terugkoppelings• Nie-lineêr � moeilik om te modelleer

Model = vereenvoudiging van die ware wêreld

a) prosesse – party gedetailleerd / party eenvoudig• Maak gebruik van - waarnemings• - empiriese afleidings• - fisiese wette• - teoretiese voorstellingsb) tyd & ruimte resolusie• tyd – tydstap• bereken vir nuwe tydstap dan herhaal vir volgende• want nie vaste-toestand

algemeen verkort tydstap ⇒ potensieel meer akuraat• ruimte – algemeen kleiner ⇒ meer betroubaar• bv. lengtegraad gemiddelde waardes

MAAR …. tyd & ruimte is gekoppel

8/24/2011

8

Belangrike komponente in Modela) Straling – insette, absorpsie van sonstraling;

- uitstraling van infrarooistralingb) Dinamika – beweging van energie om wêreld

Wind, seestrome (hoog tot lae breedtegrade), vertikale bewegings (kleinskaalse turbulensie, konveksie, diepwater)

c) Oppervlakprosesse – invloed van see- & land -ys, sneeu, plantegroei

veranderings in albedo, emissiwiteit, oppervlak-atmosferiese energie & voguitruiling

d) Chemie – atmosferiese bestandele, interaksies (CO2 tussen oseane / land / lug)vervanging tussen oseaan, land, atmosfeer

e) Resolusie in ruimte & tyd –Tydstap van modelhorisontale & vertikale skale

8/24/2011

9

Fundamentele vergelykings in GKMea. Behoud van energie � 1ste wet van termodinamika

� insette van energie = toename in interne energie + arbeid b. Behoud van momentum � massa × snelheid

� binne ʼn sisteem kan momentum slegs verander deur die aksie van kragte soos bepaal deur Newton se bewegingswette

� Newton se 2de wet van beweging � krag = massa ×versnelling

c. Behoud van massa � kontinuïteitsvergelyking� som gradiënte van digtheid × 3-D vloeispoed = 0� toegepas op lug & vog vir atmosfeer� toegepas op water & soute vir oseaan� ook om oseaanmerkers & wolke te volg

d. Ideale gaswet � pV = nRT� benaderde vergelyking van atmosferiese toestand� lugdruk × volume = gaskonstante × absolute temperatuur

e. Behoud van entropie � 2de wet van termodinamika� maatstaf van onbeskikbaarheid van stelsel se termiese energie

vir omskakeling na meganiese energie

8/24/2011

10

Tipe Klimaatmodelle 1. Energie balans (EBM)

– een dimensioneel- voorspel variasie van oppervlakte T (by seevlak) met breedtegraad- EB in elke breedtesone – eenvoudige vergelykings

2. 1-D straling-konveksie (RK)- wêreld gemiddelde vertikale temperatuurprofiel- gebruik stralingsprosesse- gebruik ‘konveksie aanpasing’ – om vervaltempo te bereken

3. 2-D statisties-dinamies (SD)- oppervlakprosesse,- dinamies in sonaal-gemiddelde raamwerk - vertikale resolusie in atmosfeer- inkorporeer chemiese reaksies

4. Globale sirkulasie (GKM)- 3-D atmosfeer en/of oseaan- klimaatsprosesse – gee belangrike prosesse weer

Voorbeelde

• gekoppelde atmosfeer-oseaan GKMe (AOGKMe, bv. HadCM3, EdGCM, GFDL CM2.X, ARPEGE-Climat) sit 2 bymekaar

• Meeste van simulasies wys moontlike ooreenstemming met waargenome temperatuurafwykings oor afgelope 150 jaar, as geforseer deur waargenome verskille in kweekhuisgasse & aërosols, maar beter ooreenstemming kan behaal word as natuurlike forserings ingesluit is

8/24/2011

11

8/24/2011

12

Globale Modelprojeksies

8/24/2011

13

Tipe afskaling

1. Dinamiese afskaling

2. Statistiese afskaling

1. Dinamiese Afskaling

• GKM resolusie nie klein genoeg vir kleinskaalse atmosferiese sirkulasie

• Kan gedetailleerde simulasies maak vir geselekteerde streke deur streeksklimaatmodel (SKM) (Regional Climate Model = RCM of Limited Area Model = LAM) in GKM te nestel

• GKM se grootskaal-velde word gebruik as begin dryfkrag & tydafhanklike grenstoestande (6-uurliks) vir SKM

• See-oppervlaktemperature gegee

8/24/2011

14

SKM vir area van toepassing:

Steeksklimaatmodel : Die SKM word gekoppel aan die globale model wat gereeld grenstoestande aan die SKM verskaf tydens integrasie (bv. elke 6 ure)

8/24/2011

15

Koppelingsone wat die

samesmelting tussen die

globale model en SKM

bewerkstellig

Streeksklimaatmodelle (SKMe)Regional Climate Models (RCM)

• Plaaslik klimaatveranderinge word baie beïnvloed deur plaaslike topografie soos berge

• Maar hulle is nie goed verteenwoordig in globale modelle a.g.v. lae resolusie

• Maar hoë resolusie kan prakties nie gebruik word vir simulasie oor lang tydperke nie

• Daarom gebruik ons Streeksklimaatmodelle (SKMe)• hoë resolusie (tipies 50 km of laer) vir beperkte areas (300

km)• Loop vir korter periodes (±20 jaar). • Kan dan topografie soos komplekse berge, kusgebiede, klein

eilande & skiereilande sien • SKMe kry insette by grens • See-opervlak toestande van AOGKMe

8/24/2011

16

Model topografie

Voorbeeld van topografie in model

Ware topografie

Topografie in model na gebruik van 2X

horisontale & vertikale resolusieTopografie in model

8/24/2011

17

Vergelyking met GKMe

• Grootskaal gemiddelde sirkulasie van SKM soortgelyk met dryfkrag van GKM

• SKM gee beter streeksbesonderhede van temperatuur & reënvalverspreiding

• SKM kan streekstrukture simuleer: – Maksimum reënval by kus & berge– Skerp temperatuurgradiënt by kus

• In SKM kan beter orografiese neerslag voorspel

RCM – “PRECIS”

• Ontwikkel om te help om hoë resolusie klimaatveranderinge inligting te produseer vir verskillende dele van die wêreld

• PRECIS is gratis beskikbaar vir groepe in ontwikkellende lande om te help om klimaatveranderingscenarios te ontwikkel by nasionale sentrums van uitnemendheid

• Terselfdertyd kan kapasiteit gebou word & plaaslike klimatologiese personeel gebruik word

• scenarios kan gebruik word om impak, kwesbaarheid (vulnerability) & aanpasbaarheid te bestudeer

• Om te help met Nasionale verslae vir “United NationsFramework Convention on Climate Change” (UNFCCC) & IPCC verslae

8/24/2011

18

PRECIS - HadAM3P

• Globale net-atmosferiese model• Met resolusie in die orde van 150 km• Geforseer by oppervlak grenstoestande (see-

oppervlaktemperature & see-ys gedeelte) van HadCM3 & waarnemings

• Geloop vir 2 tydperke "time slices": 1960-1990 & 2070-2100

PRECIS - HadAM3P

• ʼn Omvattend stel van veranderlikes is gekies vir PRECIS uitsette

• Gebruiker kan bolugvlakke spesifiseer• Veranderlikes is outomaties uitgegee as “klimaat"

gemiddeldes (maandeliks, seisoenaal, jaarliks, 10-jaarliks ens.)

• Daaglikse & uurlikse gemiddeldes kan ook gekies word

8/24/2011

19

Atmosferiese modellering & voorspelling by WNNR

Atmosferiese modelontwikkeling:• Nie-hidrostatiese vergelykings• Numeriese oplossingmetode• Cumulus parameteriseringskemas ens.

Operasionele produkte:• Kort-termyn numeriese weervoorspelling• Seisoenale voorspelling• Klimaatveranderingscenarios

Quasi-uniform C48 grid with resolution about 210 km

Conformal-Cubic Atmospheric Model

• Ontwikkel deur CSIRO Marine and AtmosphericResearch, Australië (Dr JL McGregor)

• CCAM is geformuleer op konformiese-kubiekeroosternetwerk

8/24/2011

20

Operasionele WNNR voorspellingsprodukte

• Veranderlike resolusievoorspelling

• Resolusie neem gelydelik af van area van belang

9-dae globale voorspelling met 60 km resolusie oor tropiese en suidelike Afrika

Operasionele UP Voorspelling Produkte

4-dae voorspelling met 15 km resolusie oor Suid-Afrika

• Veranderlike resolusie voorspelling • Hoog resolusie oor area van belang• Vêr-veld “nudging” oor lae resolusie panele van 9-dae globale oorspelling• kry dinamiese afskaling van 60 kmvoorspelling

8/24/2011

21

Operasionele UP Voorspelling Produkte

•Veranderlike resolusie voorspeling • Hoog resolusie oor area van belang• Vêr-veld “nudging” oor lae resolusie panele van15 km voorspelling• Dinamiese afskaling” van 15 kmvoorspelling

4-dae voorspelling met 8 km resolusie oor hoëveld

Voorspelling: 3 uur opgehoopte reënval (mm/dag) 2006-05-08 03:00 GMT

60 km voorspelling

Voorspelling afgeskaal na 15 km

8/24/2011

22

3 uur opgehoopte reënval (mm/dag) 2006-05-08 03:00 GMT

Vergrooting van 60 km voorspelling

Afgeskaal na 8 km

15 km Voorspelling

2. Statistiese Afskaling• Lei fyner resolusie klimaatinligting van growwe GKM uitvoere• Plaaslike klimaat is gekondisioneer deur beide die plaaslike fisiografiese

kenmerke asook grootskaalse atmosferiese toestand• Op basis hiervan word ʼn verwantskap opgestel tussen grootskaalse

atmosferiese velde en plaaslike veranderlikes d.m.v. ʼn statistiese model• GKM simulasies word gebruik as invoer van grootskaalse atmosferiese

veranderlikes (bv. 850 hPa geopotensiële hoogtes) om dan die plaaslike klimaatsveranderlike (bv. oppervlak temperatuur) af te skaal m.b.v. waargenome klimaatdata

• Fundamentele aanname:� Dit is mootlik om betekenisvolle verhoudings tussen plaaslike &

grootskaalse klimaat te kry� Verhoudings moet geldig wees onder toekomstige klimaatstoestande

• Mag moontlik wees om sekere streeksklimaatkontroles te inkorporeer en sodoende waarde toe te voeg tot grootskaalse GKM uitvoere oor sommige areas

• Omdat modelle nie perfek is nie, mag daar sistematiese foute voorkom, maar statistiese voorspellings gebaseer op dinamiese modelinligting kan kompenseer vir sodanige vooroordele

8/24/2011

23

Globale Klimaatmodel

(GKM)

Grootskaalse voorspeller veranderlikebv. 850, 700, 500 & 200 hPa

geopotensiële hoogtes, 700 hPa relatiewe humiditeit, 850-500 hPa dikte &

500-200 hPa dikte

Oordragfunksiesbv. Veelvoudige Lineêre Regressie

Prinsipale Komponent AnaliseKanoniese Korrelasie Analise

Kunsmatige Neurale Netwerke

Waargenome data vir voorspelde

veranderlike , bv. reënval & temperatuur

Kleinskaalse voorspelde veranderlike bv. reënval &

temperatuur

Kalibrasie & Verifikasie van

model

Bronne van Waargenome Data

• Konvensionele waarnemingsnetwerk

• Satelliet afgeleide reënval

• Radar afgeleide reënval

• SIMAR (kombinasie van boonstes)

• Kry daaglikse, maandelikse & seisoenale reënvalkaarte

8/24/2011

24

Konvensionele Netwerk Reënvalstasies Reënval vanaf Satelliet

Reënval vanaf Radar SIMAR (kombinasie)