Først drivhuseffekten demonstrert:

(1)

Helge Drange Geofysisk institutt Universitetet i Bergen

(4)

Klimamodell(ering)

(2)

Først drivhuseffekten demonstrert:

http://topdocumentaryfilms.com/earth-the-climate-wars/

(3)

En klimamodell må beskrive

bevegelsen til vann og luft på en roterende kule med oppvarming i tropene og nedkjøling ved polene.

Løsningen ble først fremsatt i 1904 av en norskfødt forsker i Stockholm, som senere

ble første leder av det det nyopprettede

Geofysisk institutt ved UiB i 1917…

(4)

Vilhelm Bjerknes

1. Man må med tilstrekkelig nøyaktighet kjenne atmosfærens tilstand ved et bestemt tidspunkt.

2. Man må med tilstrekkelig nøyaktighet kjenne

lovene som styrer utviklingen av atmosfæren fra en tilstand til den neste.

http://www.history.noaa.gov/stories_tales/bjerknes.html

Dersom det er slik, som alle naturvitenskapelig tenkende mennesker tror, at framtidige

tilstander i atmosfæren utvikles fra den

foregående i følge fysikkens lover, da er det innlysende at den nødvendige og tilstrekkelige betingelse for en rasjonell løsning av

problemet værvarsling er som følger:

(Meteorologische Zeitschrift 1904)

(5)

Department of Geophysics University of Bergen

ENIAC Electronic Numerical Integrator And Computer, 1946-55

Første numeriske væranalyse av von Neumanns gruppe i Princeton i 1950,

basert på Bjerknes (1904) og Richardson (1922) [Eliassen og Fjørtoft, Princeton til Norge]

(6)

Atmosfære

Hav & havis Sulfat aerosol

Ikke-sulfat aerosol Karbonsyklus

Atmosfære- kjemi Landoverflate Atmosfære

Landoverflate Hav & havis Sulfat aerosol

Ikke-sulfat aerosol Karbonsyklus

Atmosfære- kjemi Atmosfære

Landoverflate Hav & havis Sulfat aerosol

Ikke sulfat aerosol

Karbonsyklus- modell Atmosfære

Landoverflate Hav & havis

Sulfat aerosol modell Karbonsyklus-

modell, land Karbonsyklus-

modell, hav Atmosfære-

kjemi

Operasjonell modell

Sterkere farge betyr fordedret modell-

komponenter

Modell- utvikling

Sterkere farge betyr fordedret modell-

komponenter

Atmosfære Atmosfære

Landoverflate

Hav & havis modell

Fra værvarsling- til jordsystemmodell

Modifisert, Hadley Centre, UK

1975 1985 1992 2000 2007 2013

Forbedret

modellkomponenter og økt kompleksivitet

Issokkel / iskappe

Øvre atmosfære

(7)

Bevaring av bevegelses-

mengde

Bevaring av vanndamp

Bevaring av varme

Strålingsføring

A tm o sf æ re

Vannbudsjett Snø- og is-

budsjett

Varme- budsjett

La n d

Overflate drag Varme-

utveksling/s tråling Fordamp-

ning og nedbør

Etter Manabe & Stouffer (2000)

Bevaring av salt

Momentumlign.

+ termodynamikk for havis

Bevaring av

varme Bevaring av

bevegelses- mengde

H av

Avrenning

+ virkning fra klimagasser og aerosoler

(8)

Bevaring av bevegelses-

mengde

Bevaring av vanndamp

Bevaring av varme

Strålingsføring

A tm o sf æ re

Vannbudsjett Snø- og is-

budsjett

Varme- budsjett

La n d

Overflate drag Varme-

utveksling/s tråling Fordamp-

ning og nedbør

Etter Manabe & Stouffer (2000)

Bevaring av

varme Bevaring av

bevegelses- mengde

H av

Avrenning

Bevaring av salt

Momentumlign.

+ termodynamikk for havis

En væskes bevegelse på en roterende kule

- Bjerknes (1904) - Richardson (1922) - Charney, Fjørtoft, von Neumann (1950)

- Testes i værvarsling 4 ggr

om dagen, året rundt

(9)

Q: Netto varmetilførsel

• Massebevegelse ØV-retning

• Massebevegelse NS-retning

• Bevaring av masse

• Bevaring av vann

• Bevaring av energi

• Hydrostatisk ligning

• Tilstandsligning

Ligninger for atmosfæren

(tilsvarende for havet)

F: Friksjon og alle andre bidrag

M: Kondensering E: Fordamping

dt Q p d dt

c

_v

dT ÷÷ = ø çç ö è + æ

r 1

f

r

f p F

u a a

f u dt

dv +

¶ - ¶

÷ ø ç ö

è æ + -

= tan 1

l

r f

f p F

v a a

f u dt

du +

¶ - ¶

÷ ø ç ö

è æ +

= 1

cos 1 tan

RT p = r

E dt M

dq = + r

1 z g p

¶ - ¶

= r 1

× v Ñ -

= r r

dt

d

(10)

Ligninger for atmosfæren

(tilsvarende for havet)

Et koplet sett av internt konsistente, dynamiske og termodynamiske

ligninger.

Påvirker hverandre på et stort spenn av lengde- og tidsskalaer.

Observasjoner blir ikke brukt når en modell kjøres; modellen genererer sitt

eget vær og sitt eget klima.

Eksisterer ingen enkel fiks om f.eks.

simulert havis avviker fra observert havis; da må problemet forstås og bedre

fysikk/termodynamikk legges inn.

Viktige prosesser som ikke kan oppløses må beskrives vha.

parameteriseringer.

dt Q p d dt

c

_v

dT ÷÷ = ø çç ö è + æ

r 1

f

r

f p F

u a a

f u dt

dv +

¶ - ¶

÷ ø ç ö

è æ + -

= tan 1

l

r f

f p F

v a a

f u dt

du +

¶ - ¶

÷ ø ç ö

è æ +

= 1

cos 1 tan

RT p = r

E dt M

dq = + r

1 z g p

¶ - ¶

= r 1

× v Ñ -

= r r

dt

d

(11)

 Ligningen(e) som beskriver en væskes bevegelse kan ikke løses analytisk, så regnemaskiner må benyttes

 Regnemaskiner forstår ikke kalkulus (derivasjoner, integraler, etc), bare de grunnleggende aritmetiske operasjonene:

 Løsningen er numeriske metoder

+

d f ( )

dx

( ) f ^dx

ò

-

¸

´

(12)

Økt oppløslighet (også vertikalt)

1990

2007

IPCC AR4, WG1 (2007)

(13)

IPCC AR5, WG1 (2013)

“Høyoppløslig”

global modell

Typisk

oppløsning for

(dynamisk)

nedskalering

(14)

Noen NorESM-tall for CMIP5-kjøringene

Oppløsning på 1,9°×2,5°

(vertikale lag: 26 i atm, 53 i hav) 360 000 gitterpunkt i atmosfæren, 6,5 millioner gitterpunkt i havet

2,500 simuleringsår for CMIP5 kjøringene

250 dager for å gjennomføre modell-eksperimentene

Kjørt på CRAY XT4 ved Univ. i Bergen, på 312 prosessorer

Temperature, humidity, wind…

ç

‹ ç

‹ w i n d , ç

‹ ç

‹ w i n d , ç

‹ ç

‹ w

i n

d , ç

‹ ç

‹ w

i n

d ,

Snow

Sea ice

Ruddiman, 2001

(15)

Klimamodell som et

laboratorium

(16)

Virkning av ulike klimapådriv, NorESM

Bare variasjon av drivhusgasser

Iversen mfl. (2013), Bentsen mfl. (2013)

(17)

Virkning av ulike klimapådriv, NorESM

Bare variasjon av drivhusgasser

aerosoler

Iversen mfl. (2013), Bentsen mfl. (2013)

(18)

Virkning av ulike klimapådriv, NorESM

Bare variasjon av drivhusgasser

aerosoler

sol og vulkaner

(19)

Virkning av ulike klimapådriv, NorESM

Alle bidrag (3 simuleringer) Bare drivhusgasser

Iversen mfl. (2013), Bentsen mfl. (2013)

(20)

Virkning av ulike klimapådriv, NorESM

Alle bidrag (flere simuleringer) Observert global temperatur

Iversen mfl. (2013), Bentsen mfl. (2013)

Observert, global temperatøkning skydes i hovedsak økt drivhuseffekt () og virkningen av

aerosoler ().

Dagens klimamodeller kan gjenskape mange sider av observert klima.

Ingen modell vil noen gang kunne beskrive

naturen i ett og alt, bare tilnærminger er mulig.

(21)

Mulig, framtidig klima

usikkerhet ≠ ingen sikkerhet

(22)

G lo b al p o p u la ti o n ( b ill io n ) T o ta l g lo b al C O 2 -e m is si o n s ( G t- C /y r)

20 06

(23)

G lo b al p o p u la ti o n ( b ill io n ) G lo b al C O 2 -e m is si o n s ( G t- C /y r)

20 06

(24)

G lo b al p o p u la ti o n ( b ill io n ) G lo b al C O 2 -e m is si o n s ( G t- C /y r)

20 06

(25)

RCP8.5

RCP6.0

RCP4.5 RCP2.6

G lo b al p o p u la ti o n ( b ill io n ) G lo b al C O 2 -e m is si o n s ( G t- C /y r)

20 06

(26)

RCP8.5

RCP6.0

RCP4.5 RCP2.6

G lo b al p o p u la ti o n ( b ill io n ) G lo b al C O 2 -e m is si o n s ( G t- C /y r)

20 06

20 15

(27)

20 06

RCP8.5

RCP6.0

RCP4.5 RCP2.6

G lo b al p o p u la ti o n ( b ill io n ) G lo b al C O 2 -e m is si o n s ( G t- C /y r)

20 15

(28)

Mulig (modellert) endring av global temperatur

(2081-2100 relativt til 1986-2005)

RCP8.5 +3.7 °C

Med en global oppvarming på 2-3 grader, må vi ~3.2 millioner år tilbake i tid

for å finne et tilsvarende klima

Fra 1850: +1.0 til +2.4 °C

RCP2.6 +1.0 °C

Fra 1850: +3.3 til +5.5 °C