IPCC ja ilmastonmuutoksen skenaariot Heikki Tuomenvirta Ilmatieteen laitos
INTERGOVERNMENTAL PANEL ON CLIMATE CHANGE IPCC HALLITUSTEN VÄLINEN ILMASTONMUUTOSPANEELI IPCC on YK:n alainen tieteellinen paneeli, jonka tehtävänä on koota luotettavaa, päätöksentekijöille ymmärrettävässä muodossa olevaa tietoa ilmastonmuutoksesta Ei tee ilmastopolitiikka, vaan käsittelee tieteellistä, teknistä ja taloudellis-yhteiskunnallista ilmastonmuutokseen liittyvää tietoa Ei tee tutkimusta tai ilmaston seurantaa Perustettu 1988 (WMO ja UNEP) 16.3.2015 2
IPCC:N TOIMINNAN PERIAATTEITA IPCC toiminta keskittyy päätöksenteon kannalta tärkeisiin aiheisiin, mutta on poliittisesti neutraalia COMPREHENSIVE KATTAVA, PERUSTEELLINEN all the latest relevant scientific, technical and socio-economic literature published woldwide is assessed BALANCED TASAPAINOINEN differing views are reflected in the reports OPEN AVOIN selection of authors from all countries and relevant discipline, wide review process by experts and governments TRANSPARENT LÄPINÄKYVÄ strict clear procedures RIGOUR TARKKA, TÄSMÄLLINEN scientific accuracy in analysis and interpretation 3
IPCC:N ARVIOINTIRAPORTTIEN RAKENNE AR5 WG 1 ilmastonmuutoksen luonnontieteellinen tausta WG 2 ilmastonmuutoksen vaikutukset, sopeutuminen ja haavoittuvuus WG 3 ilmastonmuutoksen hillintä Synthesis report Yhteenvetoraportti Ohjeistukset khk-inventaarioiden laatimiseksi www.climatechange2013.org www.ipcc.ch www.ilmasto-opas.fi/ipcc 16.3.2015 4
ILMASTOJÄRJESTELMÄN ENERGIASISÄLLÖN MUUTOS Ilmaston lämmetessä maapallon ilmastojärjestelmän sisältämän lämpöenergian määrä kasvaa. Tästä lisäenergiasta valtaosa, yli 90% vuosina 1971-2010, on varastoitunut meriin. Yann Arthus-Bertrand / Altitude
Ilmasto on lämpiämässä siitä ei enää ole epäilystä. 1900-luvun puolivälin jälkeisenä aikana on voitu havaita muutoksia maapallon ilmastojärjestelmän kaikissa osissa. Ilmakehä ja meret ovat lämmenneet, lunta ja jäätä on entistä vähemmän, meren pinta on kohonnut, ja kasvi-huonekaasujen pitoisuudet ilmakehässä ovat kasvaneet. Jotkut muutoksista ovat olleet niin suuria, että vastaavaa ei ole koettu tuhansiin vuosiin. Detection - Attribution
Yann Arthus-Bertrand / Altitude
Yann Arthus-Bertrand / Altitude
IMPACTS EMISSIONS and Land-use Change
Tipping point Epälineaariset ilmastonmuutokset Epälineaarisessa ilmaston muutoksessa ilmastosysteemi ajautuu jonkin kynnysarvon, käännepisteen (engl. tipping point) yli, ja tämän käännepisteen ylittäminen käynnistää ulkoista pakotetta suuremman, epälineaarisen muutoksen (kuvassa musta käyrä) (esim. Alley et al., 2002).
Tipping point Epälineaariset ilmastonmuutokset Lenton T. M., H. Held, E. Kriegler, J. W. Hall, W. Lucht, S. Rahmstorf and H. J. Schellnhuber, 2008. Tipping Elements in the Earth System, Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 105, 6, 1786 1793.
RISKS OF CLIMATE CHANGE INCREASE WITH CONTINUED HIGH EMISSIONS Adaptation and mitigation are complementary strategies for reducing and managing risks of climate change.
Päätöksentekoa tukevassa tutkimuksessa käytetään usein skenaariota. 15
2) ILMASTOSKENAARIOIDEN LAATIMINEN Millaiseksi ilmasto muodustuu kuluvalla vuosisadalla? "A scenario is a coherent, internally consistent and plausible description of a possible future state of the world" (IPCC, 1994) Ilmastoskenaarion laatimiseksi tarvitaan: - malleja kuvaamaan ilmastojärjestelmää - ilmastopakotteiden skenaarioita: kasvihuonekaasut, aerosolit, jne. Nämä riippuvat useista tekijöistä: tekniikan, talouden ja yhteiskunnan kehityksestä. Huom. myös vulkaaninen toiminta, auringon säteilytehon muutokset aiheuttavat pakotteita ilmastojärjestelmälle
LUE TÄMÄ ARTIKKELI!
Veikko Huovinen (1952) Havukka-ahon ajattelija Viisausopin lajit ovat: kaukoviisaus, jota on minulla hyvin paljon. Mitä se on? Se on sitä, että asiat harkitaan etukäteen ja kuvitellaan tapaus sikseenkin elävästi, että kun se kerran tapahtuu, on reitit selvät. Mutta tässä lajissa on kaksi pahaa vikaa; asia jää huvikseen tapahtumatta tai se sattuukin eri tavalla. Joka arvaa ottaa nämäkin huomioon, sille on maailmanranta kevyt kiertää. Sitten on teoreettinen viisaus, jota on sanomalehdissä ja vaikka missä. Siinä asia kuvitellaan yksipiippuiseksi haulikoksi, jossa on lukko epäkunnossa ja panos voi tulla ampujan silmille Teoreettinen viisaus on kaukoviisauden veljenpoika, mutta linssi on vaivaisempi
SRES RCP Miksi uudet skenaariot? Lisää tietoa teknologiasta, taloudesta, maan käytöstä, jne. Lisää tiedontarpeita esim. sopeutumiseen liittyen Ilmastopolitiikka: hillintä, haavoittuvuus, sopeutuminen
16.3.2015 20
RCP skenaariot sisältävät laajan kirjon muuttujia: Esimerkiksi maankäytön muutokset
RCP-SKENAARIOT Representative Concentration Pathways Fossiilisten polttoaineiden päästöt RCP8.5 Uudet pitoisuuksien kehityskulut Säteilypakote (W/m 2 ) RCP8.5 RCP2.6 RCP6.0 RCP4.5 RCP2.6 1850 1900 1950 2000 2050 2100 2200 2300
Tavoite lämpötilan nousun rajoittamisesta kahteen asteeseen* edellyttäisi kasvihuonekaasupäästöjen rajua vähentämistä Maapallon keskilämpötilan muutos ( C) Hiilidioksidin pitoisuus (ppm) Ref: Kimmo Ruosteenoja *vrt. esiteollinen aika
Tavoite lämpötilan nousun rajoittamisesta kahteen asteeseen* edellyttäisi kasvihuonekaasupäästöjen rajua vähentämistä Hiilidioksidin päästöt (PgC/vuosi) Hiilidioksidin pitoisuus (ppm) *vrt. esiteollinen aika
Suomen keskilämpötilan muutos ( C) Suomen lämpötila kohoaa enemmän kuin maapallon Maapallon keskilämpötilan muutos ( C) Ref: Kimmo Ruosteenoja (IL)
Suomessa lämpötilan ja sademäärän muutokset suurempia talvella kuin kesällä ( C) (%) Suomi CO 2 -pitoisuus Ref: Kimmo Ruosteenoja (IL)
Yann Arthus-Bertrand / Altitude Merenpinnan nousu jatkuu tällä vuosisadalla.
Entiset ja tulevat päästöt tulevat muuttamaan ilmastoa useita vuosisatoja CO 2 -päästöt Lämpötilan muutos Fig. 12.44 CO 2 -pitoisuudet Meriveden lämpölaajeneminen 2000 2500 3000 Aika (v)
Miksi tulevaisuuden ilmastoa ei voi ennustaa tarkasti? Havaittu ilmasto Tuleva ilmasto Ilmasto vaihtelee luonnostaan Mallittamiseen liittyy epävarmuutta Päästöt riippuvat ihmiskunnan tulevista toimista 2000 2100 EPÄVARMUUKSIEN SUURUUS: Lähitulevaisuus Luonnollinen vaihtelu + + Mallit (+) ++ Päästöskenaariot ++ Vuosisadan loppu Lähde: Jouni Räisänen (HY)
SRES RCP
Representative Concentration Pathways (RCPs) describe the trajectories of greenhouse gas emissions and land use between the present day and 2100 globally and in different regions. They can thus be used as input to climate models (Arnell et al., 2011). The RCP set includes four pathways (RCP2.6, RCP4.5, RCP6 and RCP8.5) named according to the radiative forcing they reach in 2100 (between 2.6 W/m^2 and 8.5 W/m^2). The RCPs were selected from existing literature, and although they are constructed around certain socio-economic and technological assumptions, these assumptions are not necessarily consistent between the RCPs. The idea is to use the RCPs only to describe the climate forcing, and this is also the only RCP data that is made completely open for public distribution (Van Vuuren et al., 2011a). Shared Socioeconomic Pathways (SSPs), or Shared Socioeconomic reference Pathways describe the state and trajectories of societal and economic conditions globally and in different parts of the world. They are reference pathways and do not describe climate policies; the climatic impacts of these pathways depend on indirect consequences of the development. Five separate SSPs have been constructed. (O Neill et al., 2012) Shared Policy Assumptions (SPAs), or Shared climate Policy Assumptions, describe then the additional information on mitigation and adaptation policies and the pace and distribution of their implementation. (Arnell et al., 2011) There exists no fixed set of SPAs, the idea is that SPA information can be used to compare different policy options and costs (Arnell et al., 2011). A specified combination of these pathways and assumptions then describes a distinct scenario. 31
16.3.2015 32
SSP1 Sustainability: This pathway presents a world making relatively good progress towards sustainability. Lot of effort is made to achieve global development goals as well as reducing energy and resource intensity and dependency on fossil fuels and the Millennium Development Goals are achieved within the next decade or two. Inequality both between countries and within economies is decreased as low-income areas develop rapidly. Technologic development is also rapid. Economies are globalized and open but strict environmental protection policies are implemented. SSP2 Middle of the Road / Current Trends Continue: In this world, current socioeconomic trajectories are assumed to continue. Some progress towards global development is achieved. Some low-income countries manage to make relatively good progress but many are also stuck with low level of development. The power of global institutions remains very limited and global economy is only partially open. Still most of the economies are politically stable, and the gap between high and low income countries slowly closes. SSP3 Fragmentation / Fragmented World: This pathway represents the greatest challenges to both adaptation and mitigation. The world is fragmented into a few pockets of moderate wealth, areas of extreme wealth and many countries struggling to maintain standards of living for their strongly growing populations. World trade and international co-operation are severely restricted. Policies are oriented towards security instead of sustainable development, and the world is failing to achieve global development goals. SSP4 Inequality / Unequal World / Divided World: In this pathway wealth is distributed very unequally both across and within countries. Small global elite produces most of the GHG emissions while the poorer population remains vulnerable to the climate change impacts. Global institutions work well for the rich elite but provide little support for the development of the poor masses. Mitigation challenges are however low, due to limited overall economic activity and the capabilities of the wealthy players to invest in low-carbon development. SSP5 Conventional Development / Conventional Development First: In this pathway, the world has chosen conventional fossil-fuel dominated development as the solution to social and economic problems. This enables rapid economic growth across the world and helps in adapting to the impacts of climate 33 change, but is hard to fit in with any ambitious mitigationtargets. (IIASA, 2012)
Population by age, sex and education Urbanization Economic development (GDP PPP) 34
Vain osa RCP-SSP yhdistelmistä on mielekkäitä 35
Ilmastomallin tulisi kattaa koko ilmastojärjestelmä, joka käsittää ilmakehän, meret, järvet ja muun hydrosfäärin, maa-alueet, biosfäärin sekä lumen ja jään muodostaman kryosfäärin. Pyrittäessä ymmärtämään ja ennustamaan ilmaston muutoksia on syytä tarkastella koko ilmastojärjestelmää ja siihen vaikuttavia tekijöitä.
ILMAKEHÄ Ilman liikeyhtälö (perimmältään koulufysiikasta tuttu Newtonin II laki "F=ma'') säätelee ilmakehän virtauksia. Virtausten käyttövoimana toimivat ilmakehässä esiintyvät vaakasuuntaiset lämpötila- ja niistä johtuvat paine-erot. Tärkeää on myös ottaa huomioon maapallon pyörimisestä johtuva ns. Coriolis-ilmiö. Alimmissa ilmakerroksissa virtauksiin vaikuttaa myös alustan aiheuttama kitka. Hydrostatiikan yhtälön avulla voidaan laskea, kuinka nopeasti ilmanpaine laskee siirryttäessä ilmakehässä ylöspäin. Lämpöopin eli termodynamiikan yhtälö kuvaa ilman lämpötilan muutoksia. Lämpötilaa voi muuttaa ilman laajenemisesta aiheutuva jäähtyminen (sama ilmiö pitää kompressorijääkaapin kylmänä) tai kokoonpuristumiseen liittyvä lämpeneminen. Toinen vaikuttava tekijä on ulkoisten lämmönlähteitten (esim. auringon säteily, lämpösäteily ja vesihöyryn tiivistyessä vapautuva lämpö) tuoma tai viemä energia. Jatkuvuusyhtälö perustuu massan säilymiseen. Mihin virtaukset kasaavat ilmaa, siellä ilman tiheys kasvaa, päinvastaisessa tapauksessa alenee. Kaasun tilanyhtälö kertoo, miten ilman tiheys riippuu vallitsevasta paineesta ja lämpötilasta. Vesihöyryn määrän vaihteluitten kuvaamiseksi malleissa on myös oma yhtälönsä, joka kuvaava veden haihtumista, tiivistymistä, olomuodon muutoksia ja kulkeutumista paikasta toiseen Tärkeä yhtälöihin sisältyvä ilmiö on advektio, joka kuvaa lämpöenergian, liikemäärän, vesihöyryn yms. siirtymistä paikasta toiseen ilmavirtausten mukana. Matemaattisessa mielessä yhtälöt ovat epälineaarisia kytkettyjä osittaisdifferentiaaliyhtälöitä, joita ei ole mahdollista ratkaista suoraan analyyttisesti kynän ja paperin avulla, vaan ainoastaan numeerisesti tietokoneen avulla.
Ilmastojärjestelmää mallitetaan osissa (meri-, biosfääri-, ilmakemia-, jne. mallit), jotka kytkeytyvät toisiinsa aineen (vesi, hiili, jne.), lämpöenergian ja liikemäärän vaihdon kautta. TIETOKONEIDEN LASKENTATEHO RAJOITTAA MALLIEN EROTUSKYKYÄ JA KOMPLEKSISUUTTA
Palautekytkennät (Feedbacks) esim. lämpeneminen-albedo Esimerkkejä ilmastojärjestelmän takaisinkytkennöistä
Esimerkiksi kun tunnetaan ilman kosteuden, lämpötilan ja tuulen pystysuuntainen jakauma hilapisteen yläpuolisessa ilmapylväässä, voidaan arvioida, voiko kyseisellä alueella esiintyä kuuroluontoista sadetta. Mikäli vastaus on myönteinen, malli pyrkii ottamaan huomioon kuurottaisen sateen vaikutuksen ilmakehän tilaan. Satanutta osuutta vastaava määrä vesihöyryä poistetaan ilmakehäosiosta ja lisätään maaperä- tai meriosioon. Vesihöyryn tiivistymiseen liittyvän lämpöenergian annetaan nostaa lämpötilaa sopivilla korkeuksilla ilmakehäosiossa jne. Mallien hilaväliä pienempien ilmiöiden vaikutukset kuvataan hilalaatikostossa esitetyillä suuremman mittakaavan arvoilla. Tätä kutsutaan parametrisoinniksi. Parametrisoitavia ilmiöitä on useita. Parametrisointimenetelmät vaihtelevat malleittain. PARAMETRISOINTI ON MERKITTÄVÄ EPÄTARKKUUDEN LÄHDE ILMASTOMALLEISSA.
Ilmastomallin erotuskyky Maapallonlaajuiset ilmastomallit ovat kehittyneet, mutta usein tarvitaan alueellisia tarkennuksia (downscaling dynamical or statistical) Useimpien globaalien ilmastomallien erotuskyky on noin 100-200 km luokkaa Alueellisissa ilmastomalleissa laskentaväli on 10-50 km KORKEUS MERENPINNASTA
Miksi yksinkertaisia malleja? Eivät tarvitse paljoa laskentakapasiteettiä Yksikertainen kytkeä muihin malleihin Energy Earth System Models of Balance Intermediate Complexity Models Mitä ne mahdollistavat? Lukuisat simulaatiot -> todennäköisyysjakaumat Pitkät (100-1000-10000- vuosia) simulaatiot Kytkennät -> esim. taloudellisiin malleihin (IAM)
MITEN ILMASTOMALLIA VOIDAAN KÄYTTÄÄ? Mikä on ero säänennustemallin ja ilmastomallin simulaatiolla? Säänennustus: lähdetään havainnoista määritetystä ilmakehän tilasta ja lasketaan ilmakehän tilan kehitystä niin kauan kuin ennustettavuutta riittää Ilmastonmuutos ajo: ratkaisevaa ovat ajan mukana muuttuvat pakotteet, jotka muuttavat mallin ilmastoa (muuttujien tilastollista jakaumaa)
MITEN ILMASTOMALLEJA TESTATAAN? (Pohjois-Atlantille runsaasti makeaa vettä) RAJOITUKSIA Ei kata suuria Pakotteet ja ilmaston Sopivat mallien vaihteluita tila tunnetaan väliseen vertailuun puutteellisesti -> MALLIT KUVAAVAT KESKEISIMMÄT ILMASTOJÄRJESTELMÄN PIIRTEET MUTTA NIISSÄ ON PUUTTEITA
VERTAILU NYKYISEEN HAVAITTUUN ILMASTOON - esimerkki Figure 9.22 Mean (1980 1999) seasonal cycle of sea ice extent (the ocean area with a sea ice concentration of at least 15%) in the Northern Hemisphere (upper) and the Southern Hemisphere (lower) as simulated by 42 CMIP5 and 17 CMIP3 models. Each model is represented with a single simulation. The observed seasonal cycles (1980 1999) are based on the Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature (HadISST; Rayner et al., 2003), National Aeronautics and Space Administration (NASA; Comiso and Nishio, 2008) and the National Snow and Ice Data Center (NSIDC; Fetterer et al., 2002) data sets. The shaded areas show the inter-model standard deviation for each ensemble. (Adapted from Pavlova et al., 2011.) Lähde: IPCC 5AR WG1
GHG emissions growth between 2000 and 2010 has been larger than in the previous three decades. Based on Figure 1.3 46
There is far more carbon in the ground than emitted in any baseline scenario. Based on SRREN Figure 1.7 47
The end