Az eddigiek során láttuk, hogy az elmúlt két évszázadban az üvegházgázok légköri koncentrációja jelentős mértékben növekedett. Ez értelemszerűen együtt jár a légköri sugárzási viszonyok megváltozásával és az üvegházhatás fokozódásával. E folyamatok sokrétű visszacsatolási mechanizmusokat indítanak el, melyek nehezen modellezhető, nehezen prognosztizálható folyamatláncolatokat vonnak maguk után.
Az éghajlat vizsgálatának egyik fontos eszköze a légkör dinamikus modellezése.
A nagy éghajlatkutató központok a teljes Földre vonatkozó numerikus előrejelző modellek fejlesztésére vállalkoznak, mégpedig úgy, hogy az éghajlati rendszer összetevőire (légkör, óceánok, szárazföld, bioszféra, krioszféra) felírják a megmaradási egyenleteket, ezeket kiegészítik egyéb diagnosztikai összefüggésekkel – létrehozva az egyes alrendszerek modelljét –, és numerikusan (nagyteljesítményű) számítógépek segítségével megoldják azokat. A légköri alrendszer modellezése az operatív gyakorlatban is használt időjárás előrejelző modellek adaptálását jelenti, oly módon,
51
hogy az eredeti modellhez képest bizonyos folyamatokat, például a sugárzásátvitelt és a felhőképződést más módon, a tér- és időskálának megfelelően írnak le. Az óceánok modellezésére külön óceán modellt használnak, melyet összekapcsolnak a légköri modellel, és ily módon a két rendszer egymásra való hatását is le tudják írni. A szárazföldi folyamatokat a talaj–légkör rendszer közötti kölcsönhatás miatt fontos pontosan leírni, míg a bioszféra modellezése az üvegházgázok elnyelése és kibocsátása miatt elengedhetetlen. A modellek lehetőséget adnak a természetes és antropogén okok hatására bekövetkező globális hőmérsékletváltozások külön-külön és együttes szimulálására. [3.4-3.8]
3.2.1 A klíma modellek típusai
A klíma modellek szimulálják a klimatikus rendszer viselkedését. A modellek célja megérteni a klímát irányító alapvető fizikai, kémiai és biológiai folyamatokat. A klíma viselkedésének megértésével világosabb képet kaphatunk a múltbeli klímáról, össze tudjuk hasonlítani a megfigyelésekkel és becsülni tudjuk a jövőbeli klímaváltozásokat. A modellek térbeli és időbeli szimulációkat tesznek lehetővé.
Három folyamat sorozat létezik, amelyeket egy klíma modell megalkotásakor figyelembe kell venni:
1. A sugárzási folyamatokat az egész klímán keresztül;
2. A dinamikus folyamatokat, a vízszintes és függőleges energia transzfert (advekció, diffúzió);
3. A felületi folyamatokat, figyelembe véve a szárazföld, az óceán és a jégtakaró felületén végbemenő légkör–felület energiacserét.
A modellt alkotó egyenletek vagy elméletileg levezetett összefüggések vagy empirikus függvények. Az egyenletrendszer megoldása térbeli és idő koordinátákra történik.
A modell egyszerűsítése:
Az egyszerűsítések lehetnek a térbeli és időbeli felbontásra vonatkozóak illetve bizonyos parametrizáció. A legegyszerűbb modellek zéró rendűek a térbeli felbontást tekintve. A klíma rendszer állapotát egy globális átlaggal jellemzik.
Más modellek egy-, két- vagy háromdimenziósak. A dimenzión kívül további térbeli egyszerűsítés lehetséges pl. az egydimenziós modellben bizonyos számú
52
szélességi sávot, a kétdimenziós modellben korlátozott számú rácspontot vesznek figyelembe. Az időskála perctől éves nagyságig terjed.
Ahhoz, hogy a megoldás stabilitását megőrizzük, a térbeli és időbeli felbontást össze kell kapcsolni, ami bizonyos problémákkal járhat, amikor a térbeli és időbeli felbontás erősen különbözik. Parametrizációként empirikus függvények alkalmazására kerül sor. Bizonyos folyamatok elhanyagolhatók egyes időskálák esetén. Így például a mély óceáni áramlásokat nem kell figyelembe venni, ha a modell változásait éves vagy dekádos időskálán vizsgáljuk.
A klímamodellek:
1. Energia megmaradási modellek (EBMs)
2. Egydimenziós sugárzási–konvekciós modellek (RCMs) 3. Kétdimenziós statisztikai–dinamikus modellek (SDMs) 4. Háromdimenziós általános körzési modellek (GSMs) Energia megmaradási modellek:
Ezen modellek a klímát meghatározó két alapvető folyamatot szimulálják:
a globális sugárzási egyensúlyt (a beérkező és kisugárzott energiát);
a szélességi fokokon végbemenő energia átadási folyamatokat.
Az ebbe a csoportba tartozó modellek vagy 0, vagy egydimenziósak. A zéródimenziós modell a Földet pontszerűnek tekinti és csak az első folyamatot vizsgálja. Az egydimenziós modellben a szélesség a dimenzió. Az egyes szélességi sávokra a hőmérsékletet a klimatikus jellemzők szélességi sávra jellemző értékeivel (albedó, energia fluxus, stb.) számítják. A szélességen végbemenő energia átadást lineáris, empirikus összefüggéssel határozzák meg a szélességi és globális átlaghőmérséklet különbsége alapján. A modellben figyelembe lehet venni az időfüggő energia tárolást, az óceán mélyén végbemenő energia áramot.
Sugárzási–konvektív modellek.
Ezek a modellek egy vagy kétdimenziósak lehetnek. Az egydimenziós modell a magasságot használja koordinátaként. Figyelembe veszi:
a sugárzással beérkező, szóródó illetve visszasugárzott energiát;
a függőleges konvekcióval végbemenő energia cserét.
A kétdimenziós modellek ezenkívül figyelembe veszik a vízszintes konvekciót is. Az energetikai folyamatok alapján számítják a függőleges hőmérsékletprofilt az
53
egydimenziós illetve a kétdimenziós profilt a kétdimenziós modellekkel.A modellek alkalmasak a légköri perturációk hatásainak vizsgálatára, pl. vulkáni porok hatásainak elemzésére.
Statisztikai–dinamikus modellek
Ezen modellek kétdimenziósak, a vízszintes és függőleges koordinátákat veszik figyelembe. A modellek kombinálják a vízszintes energia áramlást a sugárzási–
konvektív folyamatokkal. Az egyenlítőtől a sarkok felé irányuló energia átadást az egyes szélességi elemek közötti áramlással veszik figyelembe. Olyan paramétereket mint a szélsebesség, szélirány statisztikus adatokból határozzák meg. Különösen alkalmasak a vízszintes energia áram hatásainak figyelembe vételére.
Általános körzési modellek
E háromdimenziós modellek a következő fizikai alapelveken nyugodnak:
Energia megmaradás;
Impulzusmomentum megmaradás;
Tömegmegmaradás;
Az ideális gáztörvény.
Ezen törvények alapján megfogalmazott egyszerű összefüggésekkel meghatározzák az szélsebesség eloszlást a hőmérséklet függvényében és szimulálják a felhőképződési folyamatot. A modellnek minden egyes rácspontban 105 adatot kell tárolnia, újraszámítania, újratárolnia az egyes idő lépésekben. Általában a modell 1000 rácspontot tartalmaz, így a számítások költség- és időigényesek. Az ilyen modellek, mivel háromdimenziósak, megfelelően pontos becslést adnak a klímára. A modellek segítségével készíthetők éghajlati forgatókönyvek is.
Ahhoz, hogy a modellek bemenő paramétereiként megadhassuk 50-100 évre előre az üvegházgázok emissziójának, illetve koncentrációjának értékeit, ismernünk kellene a gazdasági és társadalmi folyamatok jövőbeni alakulását (mint például a népesség változása, a globalizációs folyamat térhódítása és sebessége, a megújuló energiahordozók, illetve a környezetkímélő technológiák elterjedése, a globális és regionális gazdaságpolitika iránya, a nemzetgazdaságok regionális fejlődési tendenciái, területi és elemenkénti emisszió-értékek, stb.). Ám ilyen nagy időtávra előre ezeket a folyamatokat nem ismerhetjük. Ezért csak éghajlati forgatókönyvekben, ún.
klímaszcenáriókban gondolkodhatunk, azaz „ha…, akkor…” jellegű folyamatokban.
54
3.2.2 Az általános körzési modellekkel végzett szimulációk
Az éghajlatkutató közösség éghajlati helyzetértékelését tartalmazó, öt-hat évenként megjelenő ún. IPCC jelentés négy alapszcenárióját szemlélteti a 3.1. táblázat.
Láthatjuk, hogy a négy forgatókönyv eltér egymástól. Az A1, B1 és A2, B2 szcenáriópárok a globalizációs folyamatok felgyorsulása, illetve a régiónkénti fejlődés alapján prognosztizálják a jövőt. Az A1, A2 szcenáriók esetén a gyors gazdasági fejlődésé, míg a B1, B2 esetben a környezettudatos technológiai fejlesztéseké a prioritás. Ezek tükrében az emissziók (s egyben a klímaváltozás mértéke) szempontjából az A1 a legoptimistább és a B2 a legpesszimistább forgatókönyv. A fenti négy alapszcenárión belül 19 kiinduló forgatókönyv áll rendelkezésre, melyek a gazdaság leendő állapotát, a szennyezőanyag-kibocsátás globális mértékét és összetételét írják le. A nyolc éghajlati világközpontban közel húsz, hatalmas számítógépes kapacitást igénylő globális modell képes becsülni a jövőbeni klíma alakulását. Ezek a globális éghajlati modellek általában 2050-ig, illetve 2100-ig becsülik meg az éghajlati paraméterek globálisan várható alakulását. Tesztfuttatások igazolják, hogy ha a szcenáriók alapadatait kellő pontossággal meg tudnánk adni, akkor a modellek képesek lennének a jövő klímáját többé-kevésbé jól leírni.
A1
- az egyes régiók közötti kiegyenlítődés;
- fokozott kulturális és társadalmi impulzusok;
- a regionális jövedelemkülönbségek csökkenése.
- divergens regionális gazdasági fejlődés;
- környezetbarát és energiahatékony technológiák bevezetése; környezeti problémák lokális szintű kezelése;
- folyamatosan növekvő globális népességváltozás;
- közepes mértékű gazdasági fejlődés;
- az A1-hez és a B1-hez képest lassabb és sokoldalúbb fejlődés.
3.1. táblázat: Társadalmi fejlődés típusok a klímamodellekben
55
A teszt eredménye mutatja a mérési adatok alapján számított globális átlaghőmérsékletek megváltozását az elmúlt több mint két évszázadra (1770-1991), valamint bemutatja a 21. századra vonatkozó modellbecsléseket. A különböző szcenáriók és modellek eredményeit más-más szín jelöli. A becslések bizonytalanságát a jobb oldalon jelzett intervallumok mutatják. A modellek szerint a földi átlaghőmérséklet 2100-ra előreláthatóan 1,4-5,8 °C-kal növekedne. Az éghajlati rendszer bonyolultsága miatt ugyanakkor a bizonytalanság elég nagy.
3.5. ábra: Az átlaghőmérsékleti előrejelzések a különböző fejlődési szcenáriókra
56
3.6. ábra: A várható globális melegedés mértéke különböző szcenáriók felhasználásával a 2020-29 és a 2090-99 időszakra. Forrás: IPCC, 2007.
A továbbiakban bemutatjuk néhány szimuláció eredményét, mindig ügyelve arra, hogy vagy nagyszámú modell kiátlagolt (simított) eredményeit, vagy egy nem szélsőséges szcenárió becslését adjuk közre. Látszik, hogy a melegedés mértéke a Föld felszínén nem egyenletes, különösen nagy a magas földrajzi szélességeken, s szinte nincs változás az Észak-Atlantikum térségében.
3.7. ábra: A globális, éves csapadékeloszlás relatív változása 2090 és 2099 között
57
A hőmérséklet megváltozásához hasonló egyenetlen területi eloszlást kapunk, ha a globális éves csapadékmennyiségek 2100-ra modellezett értékeit elemezzük (3.7.
ábra). Az éves csapadékösszeg általánosan nő a Földön a 21. században.
A növekedés a magasabb földrajzi szélességeken és az Egyenlítő körzetében a legintenzívebb. A mérsékeltövi zónában régiónként kisebb csökkenést találunk. Az egész Földön a legnagyobb mértékű csapadékcsökkenés a Földközi-tenger körzetében várható, mely területhez a térkép szerint még a Kárpát-medence is hozzátartozik.