Ilmastonmuutos ja ilmastomallit

Transkriptio

1 Ilmastonmuutos ja ilmastomallit Jouni Räisänen, Helsingin yliopiston Fysikaalisten tieteiden laitos FORS-iltapäiväseminaari

2 Esityksen sisältö Peruskäsitteitä: luonnollinen kasvihuoneilmiö kasvihuoneilmiön voimistuminen Ilmastonmuutosten ennustaminen : mitä ovat ilmastomallit ja miten niitä käytetään miten mallien luotettavuutta voidaan arvioida Millaisia ilmastonmuutoksia mallit ennustavat tapahtuvan kuluvan vuosisadan aikana?

3 Luonnollinen kasvihuoneilmiö Ilmakehä läpäisee auringonsäteilyä hyvin mutta maanpinnan ja (ilmakehän itsensä) säteilemää lämpösäteilyä huonosti Tämän ansiosta maapallon keskimääräinen pintalämpötila on n. 33 C korkeampi (+14 C) kuin se muuten olisi (-19 C) Pääsyyllisiä kasvihuonekaasut : vesihöyry (H 2 O), hiilidioksidi (CO 2 ), metaani (CH 4 ), ilokaasu (N 2 O) ym.

4 Kasvihuoneilmiön voimistuminen CH 4 CO 2 N 2 O CO 2 -pitoisuus: v. 1750: 280 x 10-6 ; 2003: 376 x 10-6 (+34%) 2100: x 10-6 (nykyiset arviot) Myös CH 4 ja N 2 O lisääntyneet (vaikutus pienempi) Vesihöyrykin ilmeisesti lisääntynyt (seuraus lämpenemisestä) Hiukkasten (aerosolit) lisääntyminen ilmeisesti kumonnut toistaiseksi melkoisen osan kasvihuonekaasujen lisääntymisen lämmitysvaikutuksesta

5 Säteilypakote (W / m 2 ), IPCC (2001) -0-1 (1) (3) -2 (2) 1) Kasvihuonekaasut (CO 2, CH 4, N 2 O ) - hyvin hallussa 2) Hiukkasten lisääntyminen - erittäin suuri epävarmuus 3) Aurinko

6 Tulevien ilmastonmuutosten ennustaminen Kasvihuonekaasu- ja hiukkaspäästöt Oletukset väestönkasvusta, teknologisesta kehityksestä ym. Kasvihuonekaasuja hiukkaspitoisuudet Hiilenkiertomalli ym. Ilmastonmuutos Ilmastomalli

7 Tulevat CO 2 -päästöt ja -pitoisuudet? Päästöt (10 9 t / vuosi) Pitoisuus (miljoonasosia) Useita eri skenaarioita! Väestön ja talouden kasvu kasvattavat päästöjä ainakin lyhyellä tähtäimellä; myöhemmin suuri epävarmuus CO 2 -pitoisuus reagoi päästöjen muutoksiin viiveellä kasvu jatkuu joka tapauksessa Toisin kuin CO 2, hiukkaset lyhytikäisiä: parempi tekniikka pienemmät päästöt pienemmät pitoisuudet jäähdytysvaikutus heikkenee?

8 Ilmastonmuutosten ennustaminen, II Kasvihuonekaasujen ja hiukkasten pitoisuudet ajan funktiona IlmaK Maa Meri Jää Ilmastomalli = luonnonlait + virheitä Pitkä sääennuste Ilmasto = sään tilastolliset ominaisuudet

9 Ilmastomallin komponentit Ilmakehä Maa Meri Merijää Lämmön ( ), veden ( ) ja liikemäärän ( ) vaihto mallin osien välillä Kullakin mallikomponentilla oma (rikas) sisäinen elämänsä!

10 Ilmakehämallin rakenne Globaali 3-ulotteinen hilapisteikkö ( λ ~ ϕ ~ 3 ~ 300 km; ~20 tasoa) Primitiiviyhtälöt lämpötilan, tuulen, kosteuden, paineen ym. hetkelliset muutosnopeudet kussakin pisteessä Aikaintegrointi (Esim. 30 min aika-askel, esim. 100 vuotta. Uudet muutosnopeudet joka askeleella.) 30 min 100 vuotta

11 Ilmakehämallin primitiiviyhtälöt x F fv x p u y u v x u u t u + + Φ = ω F y fu y p v y v v x v u t v + Φ = ω p c p Q p c RT p T y T v x T u t T + + = ω ω p RT = Φ p = p y v x u ω S q p q y q v x q u t q + = ω S X p X y X v x X u t X + = ω Sama yhtälöryhmä kuin säänennustusmalleissa Periaatteessa hyvin tarkka kuvaus ilmakehän fysiikasta Ennustettavia suureita: tuuli (u, v, ω), lämpötila (T), ilman vesihöyrypitoisuus (q), ilmanpaine (p) jne, kaikkialla ilmakehässä esim. 30 minuutin aika-askeleella

12 Parametrisointiongelma Mallissa erottumattomien ilmiöiden vaikutus mallissa mukana oleviin ilmiöihin on arvioitava mukana olevien ilmiöiden perusteella Mallin erottamat ilmiöt Erottumattomien ilmiöiden tilastolliset ominaisuudet Esimerkkejä: pilvisyys säteilyenergian kulku alustan ja ilmakehän välinen energian, veden ja liikemäärän vaihto Mallien erotuskyvyn paraneminen lievittää parametrisointiongelmaa mutta ei poista sitä

13 Ilmastojärjestelmän kaoottisuudesta Sään ennustettavuus enintään 2 viikkoa ilmastosimulaatioidenkin päivittäiset yksityiskohdat (millainen sää ?) taatusti pielessä Sään tilastollisten ominaisuuksien ennustettavuus (esim. kasvihuonekaasujen lisääntymisen vaikutus keskilämpötilaan Suomessa 2050-luvulla?) parempi. Toki tässäkin jonkinmoinen satunnaisvirhe. Analogia: auringonsäteilyn määrän vaikutus vuodenaikojen vaihteluun.

14 Miten mallien luotettavuutta voi arvioida? Nykyisen ilmaston simulointi tärkeää mallien kehittämisen kannalta kompensoivien virheiden vaara ( säätäminen ) Havaittujen ilmastonmuutosten simulointi periaatteessa parempi Keskinäinen vertailu eri ilmastomallien välillä ei täysin vedenpitävä testi, mutta monissa asioissa hyödyllinen Täydellistä testausmenetelmää ei ole, mutta eri menetelmät tukevat toisiaan

15 Tähänastisten lämpötilanmuutosten simulointi Aurinko + tulivuoret Kasvihuonekaasut, hiukkaset ja otsonikato Luonnolliset tekijät ja ihmiskunnan vaikutus yhdessä (Huomattava kuitenkin: monet pakotteet tunnetaan epätarkasti)

16 Tulevat muutokset mallien mukaan 1) Maapallon keskilämpötilan muutos v C ~ ero nykyajan ja jääkauden välillä 1.4 C ~ 2-kertaisesti luvun lämpeneminen Laskelmassa otettu huomioon - eri arviot kasvihuonekaasu- ja hiukkaspäästöjen suuruudesta - erot eri ilmastomallien välillä Molemmat epävarmuudet suunnilleen yhtä tärkeitä

17 Lämpötilanmuutosten jakauma Seuraavat 70 vuotta, keskimääräinen päästöskenaario, keskiarvo 20 eri ilmastomallin tuloksista Voimakas lämpeneminen * Pohjoinen Jäämeri (etenkin syksy ja talvi) jää vähenee * Euraasian ja Pohjois-Amerikan pohjoisosat (etenkin talvi) lumi ym. * Mannerten sisäosat 40 N tienoilla (kesä) maan kuivuminen Heikompi lämpeneminen * meret yleensä haihtuminen kuluttaa lämpöä * Eteläinen valtameri, pohjoisin Atlantti suuri lämpökapasiteetti, merivirrat?

18 Sademäärän muutokset Seuraavat 70 vuotta, keskimääräinen päästöskenaario, keskiarvo 20 eri ilmastomallin tuloksista Koko maapallon keskisademäärä kasvaa hiukan Suurin kasvu korkeilla leveysasteilla Myös alueita, joilla sateet vähenevät (Etelä-Eurooppa!?) Suurempi epävarmuus kuin lämpötilan muutoksissa

19 Vuosikeskilämpötilan muutos eri malleissa

20 Heikkeneekö Golf-virta? Useimpien mallien mukaan heikkenee, muttei pysähdy ainakaan seuraavan 100 vuoden aikana Useimmissa malleissa Pohjois-Eurooppa lämpenee Golf-virran heikkenemisestä huolimatta Joitakin yksittäisiä mallikokeita, joissa Golf-virran heikkeneminen suunnilleen kumoaa kasvihuonekaasujen lisääntymisen suoran lämmitysvaikutuksen Tärkeä epävarmuustekijä, muttei ehkä kuitenkaan niin tärkeä kuin monesti ajatellaan

21 Ilmastonmuutos Etelä-Suomessa seuraavien 70 vuoden aikana: vertailua 20 eri ilmastomallin välillä Sademäärän muutos (%) Lämpötila nousee kaikissa malleissa Sademäärä kasvaa melkein kaikissa malleissa joskin vaihtelu mallista toiseen on varsin suuri Lämpötilan muutos ( C)

22 Helsingin säät alkaneella vuosisadalla? Lämpötila ( C) Sademäärä (mm) Ennuste laadittu olettamalla, että (1) Keskimääräinen lämpötila nousisi 4 C ja sademäärä 15% sadassa vuodessa (tämä on vain yksi vaihtoehto) (2) Vuosienvälinen vaihtelu toistuisi samanlaisena kuin 1900-luvulla (tosiasiassa yksittäisten vuosien säitä ei voi ennustaa!)

23 Yhteenveto Ilmastomallit Fysikaalisia simulointimalleja Lähisukua säänennustusmalleille, mutta ajot paljon pidempiä Tuloksissa kiinnostavaa sään tilastolliset ominaisuudet (keskiarvot, vaihtelevuus ym.), eivät päivittäiset yksityiskohdat Kasvihuoneilmiön voimistumisen vaikutus ilmastoon mallitulosten valossa Maapallon lämpeneminen jatkuu Muutoksia monissa muissakin ilmastosuureissa Yksityiskohdissa vielä melko paljon epävarmuutta Muutosten suuruus riippuu (pitkällä tähtäimellä) päästöjen suuruudesta