40 minuuttia ilmastojärjestelmän toiminnasta

Transkriptio

1 40 minuuttia ilmastojärjestelmän toiminnasta Jouni Räisänen Helsingin yliopiston fysiikan laitos

2 Esityksen sisältö Ilmastojärjestelmän energiatasapainosta ENSO ja NAO Havaitut ilmaston muutokset / vaihtelut: asioita, joita ei vielä ymmärretä erityisen hyvin

3 Ilmastojärjestelmän energiatasapainosta 3

4 Koko maapallon (pinta + ilmakehä) energiatasapaino Auringonsäteily Maa Lämpösäteily Maapallo saa energiaa imemällä (=absorboimalla) auringonsäteilyä Maapallo menettää energiaa säteilemällä (=emittoimalla) lämpösäteilyä avaruuteen Tasapainon vallitessa absorboitunut auringonsäteily = emittoitunut lämpösäteily

5 Säteilyvuot ilmakehän ulkorajalla (vuosikeskiarvo, yksikkö W / m 2 ) Imeytyvä auringonsäteily Kartat ERA-Interimuusanalyysin perusteella Avaruuteen karkaava lämpösäteily

6 Nettosäteily ilmakehän ulkorajalla (vuosikeskiarvo, yksikkö W / m 2 ) Ilmakehän ja valtamerten kuljetettava energiaa ylijäämäalueelta alijäämäalueelle!

7 Energian kuljetus havaintojen mukaan 6 PW Yht. Meret Ilmakehä -6 PW Vertailun vuoksi: Maa-planeetan kaikkiaan absorboima auringonsäteily 239 W/m 2 * 5.1 * m PW

8 Energiankuljetuksen mekanismit Ilmakehä Tropiikissa Hadley-solut Keskileveysasteilla säähäiriöt Valtaosa kuivana lämpönä, loput vesihöyryyn sidottuna piilevänä energiana Valtameret Pintavirtaukset ( tuulet + tiheyserot) Syvä termohalininen kiertoliike ( tiheyserot)

9 Ilmavirtausten vaikutus lämpötalouteen W/m 2 Sinertävät värit: Näiltä alueilta ilmavirtaukset vievät pois enemmän energiaa kuin tuovat Punertavat värit: Näille alueille ilmavirtaukset tuovat enemmän energiaa kuin vievät pois

10 Merivirtojen vaikutus lämpötalouteen W/m 2 Sinertävät värit: kylmien merivirtojen alueella lämpöä varastoituu ilmakehästä meriin Punertavat värit: lämpimien merivirtojen alueella lämpöä vapautuu meristä ilmakehään

11 Merenpinnan lämpötilan poikkeama leveyspiirikeskiarvosta ( C)

12 Merivirrat (merenpinnalla)

13 Valtamerten termohalininen kiertoliike Neelin (2011) Lämpimät pintavirtaukset Kylmät syvänmeren virtaukset Tiheää syvää vettä muodostuu Eteläisellä valtamerellä ja Pohjois-Atlantilla, muttei Pohjoisella Tyynellämerellä. Siksi pintavirtaukset kuljettavat lämmintä vettä pohjoiseen enemmän Pohjois-Atlantilla kuin Pohjoisella Tyynellämerellä. Syy Pohjois-Atlantin ja Pohjoisen Tyynenmeren väliseen eroon: Pohjois-Atlantin pintavesi suolaisempaa (ρ kun S ).

14 Tekokuumittausten mukaan Auringonsäteilyä tulee ilmakehän ulkolaidalle keskimäärin (mukana myös maapallon yöpuoli) 341 W/m 2. Noin 30% (102 W/m 2 ) auringonsäteilystä heijastuu avaruuteen. Maapallolle imeytyy auringonsäteilyä siis noin = 239 W/m Maa Tasapainon vallitessa avaruuteen pitää siis karata maapallolta lämpösäteilyä samaiset 239 W/m 2. Miten tämä luku liittyy maapallon ilmasto-oloihin?

15 Mustan kappaleen säteily pinta-alayksikköä kohti F T Wm K (0 K = -273ºC; 0ºC = 273K) Jos maapallo olisi ilmakehätön musta kappale sen pinnan keskilämpötilaksi saataisiin siis 4-2 T 239 Wm 4 s T s 239 Wm Wm 2 2 K 4 255K 18 C Maapallon pinnan havaittu keskilämpötila +14ºC. Syy eroon: lämpösäteily ei pääse suoraan avaruuteen Syylliset: H 2 O (60 %), CO 2 (25%), O 3, CH 4, N 2 O ym. kasvihuonekaasut

16 Kasvihuoneilmiö (2a) 10% (2b) 50% 90% Ilmakehä (kylmä) (1) 100% Maapallon pinta (lämmin) Avaruuteen pääsee lämpösäteilyä (2a + 2b) paljon vähemmän kuin sitä pinnalta lähtee (1). Edellytykset kasvihuoneilmiön olemassaololle - Lämpösäteilyn tehokas absorboituminen ilmakehässä - Lämpötilan lasku ylöspäin (troposfäärissä keskimäärin ~6.5 C / km)

17 Pinnalta lähtevä (k-a: ~395 W/m 2 ) Keskimääräiset lämpösäteilyvuot (W / m 2 ) Avaruuteen karkaava (k-a: ~240 W/m 2 ) Erotus (k-a: ~155 W/m 2 )

18 Pintalämpötila vs. energiatasapaino A) Maapallo kokonaisuudessaan S g S OLR = I - G Ilmakehän ulkoraja G I Pinta I 4 T OLR G (1 ) S s g G Keskilämpötilan maapallon pinnalla määräävät siis (i) Tulevan auringonsäteilyn määrä S, (ii) Planetaarinen albedo g, ja (iii) Kasvihuoneilmiön voimakkuus G

19 Pintalämpötila vs. energiatasapaino B) Paikallisesti, vuositasolla S g S OLR = I - G Ilmakehän ulkoraja G F I Pinta I 4 T (1 ) S s g G F Mukaan tulee siis myös ilmavirtausten ja (merillä) merivirtojen tuoma / viemä energia

20 Pintalämpötila vs. energiatasapaino C) Paikallisesti, vuodenaikaistasolla S g S OLR = I - G Ilmakehän ulkoraja G F I Pinta E I T 4 s (1 g ) S G F E Nyt mukaan tulee siis myös alustaan varastoituva / sieltä vapautuva energia

21 Esimerkkejä energiatasapainon toteutumisesta (yksikkö W/m 2 ) Pinnan lämpösäteily Imeytyvä auringonsäteily Kasvihuoneilmiö Kuljetus ilmakehässä Merivirrat - varastoituminen Maapallo vuosi 396 T eq = 289 K 239 (60 %) 157 (40 %) N, vuosi 284 T eq = 266 K 108 (38 %) 79 (28 %) 88 (31 %) (2 %) Trenberth et al. (2009) N, joulu-helmi 231 T eq = 253 K 10 (4 %) 51 (22 %) 123 (53 %) 48 (21 %) ERA-Interim-uusanalyysiin perustuvia arvioita

22 ENSO ja NAO 22

23 ENSO = El Niño + Southern Oscillation Puolisäännöllinen vaihtelu trooppisen Tyynenmeren pintalämpötiloissa (El Niño La Niña) + ilmakehän paine- ja virtauskentissä (Southern Oscillation) Sekä ilmakehä että meri välttämättömiä vaihtelun synnylle Merivirtadynamiikka määrää vaihtelun tyypillisen aikaskaalan (~2-7 v.) Itäinen Tyynimeri lämmin Itäinen Tyynimeri kylmä

24 NAO = North Atlantic Oscillation Vaihtelu Pohjois-Atlantin länsituulten (ja pohjois-eteläsuuntaisten paine-erojen) voimakkuudessa [useita erilaisia NAO-indeksejä] Vaikutus suurin talvella (~joulu maaliskuu): Ensisijaisesti ilmakehän oman sisäisen dynamiikan synnyttämä vaihtelu; vuorovaikutus merten (+ lumi- ja jääpeitteen) kanssa lisää vaihtelua pitkillä aikaskaaloilla

25 NAO-indeksin talvikeskiarvon (joulu-maalis) havaittu vaihtelu naoi.htm

26 Pitkäjaksoisen NAO-vaihtelun syitä? Ulkoinen pakote: kasvihuonekaasut, pienhiukkaset, tulivuoret, aurinko? Merenpinnan lämpötilat: Pohjois-Atlantti, trooppiset meret? Jää- ja lumipeite? Malleilla vaikeuksia vuosikymmentenvälisen vaihtelun simuloimisessa! Stratosfäärillä on väliä!

27 Simuloidut vs. havaitut NAO-trendit (i) NAO:n trendi Hav. Mallisimulaatiot: Pakotteena mm. merenpinnan lämpötilojen havaittu vaihtelu, osassa malleissa myös ilmakehän koostumuksen muutokset Scaife et al. (2009), Climate Dynamics

28 Simuloidut vs. havaitut NAO-trendit (ii) Havaittu NAO-aikasarja (vahvasti tasoitettuna) HadAM3-malli, 6 ajon keskiarvo, pakotteena kasvihuonekaasut, aurinko, merenpinnan lämpötilat ym pakotettu keinotekoisesti stratosfäärin länsituulet voimistumaan havaittua vastaavalla tavalla Scaife et al. (2005), Geophysical Research Letters Tämä ei vielä kerro, millä mekanismilla stratosfääri vaikuttaa troposfääriin, eikä myöskään täydellä varmuudella sitä, liittyvätkö mallien ongelmat juuri stratosfäärin prosessien kuvaamiseen.

29 ENSO-vaihtelun vaikutus NAO:hon Joulu-helmikuun keskimääräisen pintapaineen ero, El Niño La Niña (1 = 0.1 hpa) Fraedrich (1994) Keskimäärin länsivirtaus heikompi (ja NAO-indeksi negativiisempi) El Niño - kuin La Niña -talvina.

30 Tammi-maaliskuun lämpötila-anomalia Uppsalassa El Niño - ja La Niña -tilanteissa, v Lämpötila-anomalia eräinä talvina Brönnimann (2007; Rev. Geophys.)

31 Ymmärrämmekö havaittuja ilmaston vaihteluita? 31

32 1900-luvun lämpötilanmuutosten simulointi (ihmiskunnan vaikutus huomioiden ja ilman sitä) IPCC (2007)

33 1900-luvun lämpötilanmuutosten simulointi (ihmiskunnan vaikutus huomioiden ja ilman sitä) Miksi ilmasto lämpeni 1900-luvun alkupuolella nopeammin kuin mallien mukaan olisi pitänyt (varsinkin merillä)? - Vikaa malleissa / puutteita pakotteissa? - Vikaa havainnoissa? - Sattuman leikkiä (= pakottamattoman ilmastonvaihtelun harvinaisen voimakas ilmentymä)?

34 Lämpeneminen Suomessa v Havaittu muutos 24 CMIP3-simulaation keskiarvo Yksittäiset simulaatiot Lämpötila noussut eniten keväällä (punaiset pylväät). Ilmastomalleissa lämpötila nousee keskimäärin selvästi eniten talvella (siniset pallot). Mallitulosten vaihtelun perusteella ero ei välttämättä kerro todellisesta ristiriidasta, mutta asia on silti lisätutkimuksen arvoinen?

35 Muita enemmän tai vähemmän huonosti ymmärrettyjä asioita Merijään nopea väheneminen pohjoisella ja lisääntyminen eteläisellä pallonpuoliskolla (Comiso & Nishio 2008, J. Geophys Res.) NAO:n pitkäaikaisvaihtelu (Scaife et al. 2009, Climate Dyn.) Sahelin alueen kuivuminen 1900-luvun loppupuolella (Scaife et al. 2009, Climate Dyn.) Hadley-solujen leveneminen (Seidel et al. 2008, N. Geoscience) Tuulien yleinen voimistuminen merialueilla (Young et al. 2011, Science) Tuulien yleinen heikentyminen maa-alueilla (Vautard et al. 2010, N. Geoscience; McVicar et al. 2012, J. Hydrology) Global dimming + global brightening (Wild 2009, J. Geophys Res.) ym. (Jotkin näistä ehkä vääriä hälytyksiä myös havainnoissa ongelmia!)

36 Kiitoksia mielenkiinnosta! (Z500 + T klo 12 UTC, ECMWF:n 168 tunnin ennuste) Ilmastojärjestelmä toimii, ymmärrämmepä sitä tai emme! 36