Кліматична система. Кліматичне моделювання

системи.
2.1.Система “атмосфера-океан”.
2.2. Система “атмосфера-суша”
2.3. Система “атмосфера-льодовик”
2.4. Система “атмосфера- рослинність”.
3. Основи

кліматичного моделювання.
3.1. Порівняльний аналіз.
3.2. Моделювання “озонового ефекту”.
3.3. Моделювання парникового ефекту.
3.4. Моделювання ефекту “Ель-Ніньо”.
3.5. Моделювання інших кліматичних наслідків.
4. Довгостроковий прогноз.

океані

вплив на міжширотний обмін теплом в океані

поступлення тепла

в атмосферу

тепло і волога на материки

- з суші в океан поступає поверхневий стік.

- теплове випромінювання з поверхні води і за рахунок теплообміну

з атмосферою.

Атмосферна циркуляція впливає на розподіл льоду - визначає температурні меридіональні контрасти, впливає на загальну циркуляцію атмосфери.

Хмарність розподіляється через циркуляцію атмосфери, утворюються хмарні поля - затримується тепло, відбувається вплив на поглинання, розсіювання, відбиття сонячної радіації, що відбивається в неоднорідностях температури, які позначаються в свою чергу на циркуляції атмосфери.

Кліматична система регулюється зовнішніми факторами і її зміни здійснюються під впливом процесів всередині системи.

є озон вбивчо впливає на деревні рослини.

Індикатором цих змін

може бути зміна процесів водообміну в гідрологічному циклі. (Kickert, 1990).

і середньостроковому прогнозуванні погоди.

наукові досягнення в розумінні глобальних атмосферних процесів

і динаміки атмосфери, у математичному описі радіації, що надходить від Сонця, переносу, відображення, поглинання короткохвильового і довгохвильового випромінювання, процесів конденсації і випаровування, танення/замерзання опадів, механізмів перемішування повітряних мас, включаючи конвекцію і турбулентність, процесів взаємодії із сушею й океаном;
• розробку в ряді країн глобальних, регіональних і мезомасштабних гідродинамічних чисельних моделей загальної циркуляції атмосфери, що дозволяють прогнозувати поля метеорологічних елементів на 5-7 діб із прийнятної для багатьох споживачів точністю; • створення у великих метеорологічних центрах, оснащених могутньою обчислювальною технікою унікальних технологій, що дозволяють упровадити ці моделі в оперативну практику; • створення й організація безперервного функціонування глобальних міжнародних систем спостережень, телезв'язку й обробки даних, що дозволяють здійснювати спостереження за погодою, передачу даних спостережень у метеорологічні центри і поширення продукції в прогностичні центри Національних метеорологічних служб.

гідродинамічних моделях загальної циркуляції вимагає постійної підтримки дорогих систем спостережень

і автоматизованих технологій збору й обробки глобальної метеорологічної інформації, а також наявність могутнього наукового потенціалу для розвитку й удосконалювання самих моделей.
в сфері моніторингу і прогнозування погоди більш 130 років існує тісне міжнародне співробітництво по лінії Всесвітньої Метеорологічної Організації (ВМО).
Члени ВМО беруть на себе відповідно своїм можливостям зобов'язання за погодженою схемою для того, щоб усі країни могли одержувати вигоди від об'єднаних зусиль.
ВМО створена міжнародна прогностична індустрія, що складається зі світових (ММЦ) і регіональних (РМЦ) метеорологічних центрів обладнаних сучасними засобами і технологіями за рахунок країн, що добровільно підтримують функціонування таких центрів.
Продукція світових і регіональних метеорологічних центрів у виді чисельних аналізів і прогнозів метеорологічних полів представляється для використання всім членам ВМО через їх національні метеорологічні центри (НМЦ).

в розвитку чисельного моделювання атмосфери привели до централізації і навіть

глобалізації основного етапу прогнозу - прогноз полів метеорологічних величин, спираючись на який оперативний метеоролог складає прогноз елементів і явищ погоди для конкретного пункту, району або території.

зберігається найважливіша роль прогнозиста в інтерпретації вихідної продукції чисельних моделей і використанні при складанні прогнозу об'єктивних методів прогнозу метеорологічних величин і явищ погоди, а також оперативних даних різних спостережливих систем.
Ця роль особливо важлива при складанні прогнозу небезпечних явищ погоди.

межу передбачуваності в 5-7 діб і відрізняються одна від одної

за своїми характеристиками, застосовуваним чисельним процедурам, технології обробки даних і потужності обчислювальних засобів.
Великий прогрес у чисельному моделюванні атмосфери стосується, головним чином, великомасштабних погодних систем.
Дрібномасштабні утворення довжиною кілька десятків і навіть сотень кілометрів, з якими зв'язані небезпечні гідрометеорологічні явища, поки не можуть бути прогнозовані чисельними моделями.
Прогноз таких утворень складається фахівцем – синоптиком на основі інтерпретації результатів чисельних моделей і використання додаткової інформації, що відбиває розвиток мезомасштабних процесів (даних радіолокаційних спостережень, супутникових даних).
Прогнози локальної погоди завжди будуть позв'язані з деякою невизначеністю у відношенні конкретного місця розташування, часу й інтенсивності метеорологічних явищ. Особливо екстремальних явищ, що виникають рідко і раптово, існують нетривалий час і, які, можливо, найчастіше спрогнозувати тільки з невеликою (1–3 години) завчасністю.

навіть ступеню оцінки поточного стану атмосфери.
Рішення цієї проблеми складається

у використанні групи прогнозів по ряду початкових умов, що відрізняються, для однієї моделі або групи моделей чисельного прогнозу з різними, але рівноможливими наближеннями.
Група прогнозів охоплює ряд можливих результатів, що забезпечують діапазон даних, де можуть зростати невизначеності.
У результаті по групі прогнозів можна автоматично одержати інформацію про ймовірності, стосовно до вимог споживачів.

атмосфера зв'язана в єдину термодинамічну систему.

Світовий океан, суша, елементи

кріосфери і деякі компоненти біоти.

Складна структура - необхідна щоб у повному обсязі врахувати всі процеси, що визначають термічний режим глобальної кліматичної системи, енерго- і вологообмін між її елементами, планетарну циркуляцію атмосфери й океану.

водяних ресурсів, вічної мерзлоти, гірського заледеніння, біопродуктивності природних геосистем і

агроценозів, стану ландшафту в цілому.

Оперативної характеристики поля, вологості повітря, опадів, вологості грунту, снігового покриву тощо.

Вихідні дані у відповідні алгоритми моніторингу.

Враховувати масштаб вираження в моделі кліматичних змінних біля земної поверхні, у просторі, під час експерименту на компютері.

моделей відтворити сучасний клімат (з 1989 р.).

Виконане порівняння між собою

і з даними спостережень результатів моделювання, здійснених 30 моделями (МЗЦА + діяльний шар суші).
Моделі розрізняються конструктивно і мають різне просторове розрішення, але зовнішні кліматоутворюючі фактори (сонячна постійна, вміст СО2) узяті однаковими для всіх моделей.

температура поверхні океану і границя морських льодів щомісяця задавались за

даними спостережень.

Дані експерименту співставляються з дослідженнями водного балансу Каспійського моря і його сучасних коливань (Мелешко, Голицын, Володин, Мохов, 1998), модель опадів мусону південної Азії - Atmospheric…1998) ;

модельними і реальними флуктуаціями загальної циркуляції атмосфери, що відбиваються в поведінці глобального кутового моменту тощо - (Hide …, 1997) .

і довготи і 21 рівнем по вертикалі ) - відтворює

якість кліматичних полів біля земної поверхні.

Модель інтегрувалася на 17 років (з 1979 по 1995 р.).
На зовнішній границі атмосфери обчислювався сезонний і добовий хід інсоляції (при сонячній постійній -1365 Вт/м2).

на основі реальних даних спостережень.

Моделювання ЗЦА - враховує сезонний

хід, а також різні нерегулярні флуктуації, що знаходять відображення в температурі поверхні океану.

повітря в поверхні суші, місячні суми опадів і величину водяного

еквівалента снігового покриву.

Процеси в середніх і високих широтах, що включає різні природно-кліматичні зони і це дозволяло оцінити працездатність моделі в контрастних умовах.

Виявилося, що всюди в районах зі складною підстилаючою поверхнею (гори, берегова лінія, архіпелаги островів) модельні результати сильніше відрізняються від кліматичних, ніж на рівнинах.

великомасштабні погодні системи, що є основними компонентами клімату, включають параметризацію

основних дрібномасштабних динамічних і фізичних процесів. (волога конвекція, турбулентне переміщення).

Враховують довгоперіодичні кліматичні зміни на суші і океані на основі рівнянь, об'єднують моделі атмосферної і океанічної циркуляції.

Проводять дослідження основних кліматотвірних процесів, що дає можливість більш детально вивчити глобальні моделі циркуляцій.

балансу на земній поверхні;

моделі еволюції в часі зонально осереднених станів

атмосфери;
моделі, які описують рухи атмосферних хвиль великих масштабів.

експерименти Чарні (1950) на основі баротропних моделей. За ними розвинулись

бароклінні моделі, що описували ріст і диссипацію основних погодних систем помірних широт.
Філліпс (1956) - перша експериментальна модель ЗЦА. Основа - квазігеостаціонарні рівняння і мінімальне (двохрівневе) розрішення атмосфери, розподіл джерел і стікання тепла, що залежали від широти, але були незмінні в часі.
Інтеграція моделей на основі більш складних і повних рівнянь, які враховували більш реалістично розподіл джерел і стоку тепла по земній кулі з врахуванням орографічних ефектів, зростання вертикального розрішення з тим, щоб отримати можливість грубого представлення планетарного приграничного шару і стратосфери, врахування вологості.
1974 р. - складений каталог основних моделей ЗЦА.
Моделі для певних проміжків часу від місяця до десятиріч. Перевірка на основі експериментальних спостережень. Встановлена роль температури поверхні океану, альбедо і вологості грунту.

вихолоджування за рахунок довгохвилевого випромінення в космос.
Нагрівання - в

тропічних широтах, тоді як вихолоджування переважає в полярних районах в зимовій півкулі. Широтний градієнт нагрівання визначають течії в атмосфері і океані, які забезпечують переніс тепла, необхідного для забезпечення балансу системи.
Оцінки для північної півкулі показують, що переніс тепла в океані і в атмосфері порівнювані за величиною.
Основна частина сонячної радіації, яка надходить на земну поверхню поглинається не атмосферою, а підстилаючою поверхнею. Проте в результаті випаровування водяної пари і нагріваня поверхні велика частина цієї енергії попадає в атмосферу у вигляді теплоти фазових переходів в процесі тропічної конвекції.

переміщенням синоптичних систем - часові масштаби порядку доби - бароклінною

нестійкістю зонального потоку, який виникає завдяки відмінностям в радіаційному нагріванні.
Зональний потік зазнає додаткових збуджень, особливо в північній півкулі, під впливом орографії і контрастів суша-океан. Це здійснює суттєвий вплив на локальний клімат, а для процесів більшого масштабу приводить до концентрації перенесення бароклінності вздовж траекторій циклонів на півночі Тихого і Атлантичного океанів.
Низькочастотна мінливість – проявів квазістаціонарні "блокуючі" антициклони позатропічних і тропічних циркуляційних систем.
Ці явища можуть виникати як в результаті повільної зміни граничних умов (температура поверхні океану), так і за рахунок мінливості динамічного відгуку на фіксовані зовнішні впливи.
Прогноз таких явищ - мета прогнозу короткоперемінних змін клімату, а їх статистичний опис характеризує довгоперіодичний клімат.

змінних в точках трьохвимірної сітки, що покриває глобус).
З допомогою моделі

ці перемінні прогнозуються через регулярні інтервали часу. Об'єм обрахунків, який необхідний для просування в моделі на один крок в часі, має порядок, рівний числу дискретних значень, вибраних для представлення прогнозованих змінних.
Визначальним фактором вибору кроку є горизонтальне розрішення, так що при зміні в 2 рази найменшого з розглядуваних масштабів по горизонталі приводить до 8 - кратного зростання обрахунків при інтегруванні на фіксований проміжок часу.
Точність прогнозу залежить від потужності обчислювальної техніки.

повні рівняння. Вони записуються в сферичній системі координат і спрощуються

з врахуванням припущення, що масштаб вертикальних рухів (до 10 км) значно менше масштабу горизонтальних рухів.

Основними прогнозними змінними є дискретизовані горизонтальні складові швидкості вітру, температури, вмісту водяної пари та приземного тиску. Вертикальний розподіл перемінних в моделі описується значеннями, що визначаються на ряді рівнів по вертикалі. Для сигма-координат тиск на стандартному рівні пропорціональний тиску на підстилаючій поверхні і координатні поверхні, піднімаються над горами, а не пересікають їх.

Для апроксимації похідних по горизонталі - спектральні методи. Спектральний метод прогнозованих змінних - вибирають вихор і дивергенцію, а не горизонтальні складові швидкості вітру, які представляються у вигляді скороченого ряду сферичних гармонік. В основі лежить метод спектрально-сіткового перетворення, в якому нелінійні члени розглядались на майже регулярній широтно-довготній сітці і спектральні тенденції вираховуються з допомогою квадратур.

Землі, але в недостатній ступені описують його локальні особливості.

Дуже важливим

є підтвердження теоретичних моделей результатами експерименту.

з неоднорідною поверхнею землі.
Моделювання ефекту “Ель-Ніньо”
Моделювання озонового шару
Моделювання стихійних явищ

(торнадо, тайфуни, посухи, повені тощо)

поверхні на основі даних про клімати минулого.
Довгостроковий прогноз – його

перевірка в реальному часі.
Короткочасний прогноз і його оцінка в реальному часі.
Конструювання клімату сучасності і відшукання змін в майбутньому по принципу «сигнал-відгук»

періоду 1971 до 1990 (поверху; Frei et al. 2003) і

REMO-модель з горизонтальним розрішенням – 10 км (unten)

(внизу).
Внизу видиме захищене місце в районі розташування бази лижного туризму.

Фото 10.8.2003 і архівне фото
M. Weber

потоком авто в альпіському селі в Швейцарії.

місць будівництва вітроенергетичних станцій (ВЕУ).

Визначення передумов для формування пожарної небезпеки,

особливо літом.

або послідовності метеорологічних систем на місяць, на сезон і далі

є ненадійними.
Хаотичний характер рухів в атмосфері визначає основна межа передбачуваності порядку 10 днів для таких детерміністичних прогнозів.
Передбачуваність середніх аномалій температури й опадів існує протягом більш тривалого періоду завдяки, в основному, взаємодії між атмосферою й океаном, а також поверхнею суші і льоду.
Разом з тим, у порівнянні з атмосферою океан вивчений мало, і тому подальший прогрес у довгостроковому прогнозуванні погоди неможливий без активізації досліджень регіональних і глобальних процесів в океані.

of Bonn