Mid-holocene - Experiment stredného holocénu

Každý distribuovaný model stredného holocénu je jedinečný a líši sa od všetkých ostatných v troch spôsoboch:  

• počiatočné podmienky  z ktorých začína
• atribúty ktoré ho nútia, aby bol v jednom konkrétnom stave klímy
• parametre, ktoré skladajú aktuálny model

Parametre

Každý model klímy musí robiť niekoľko aproximácií, nazývaných parameterizácie. Viac sa o nich dočítate tu. Z toho vyplýva, že v modeli sú čísla, ktoré sú dané istou  hodnotou. Táto hodnota nie je presná, ale nepatrný interval týchto hodnôt by mohol byť rovnako realistický. Tento experiment bude skúmať vplyv na modelovanú klímu premennej hodnoty 20 najmenej pochopených parametrov v modeli - takých ako vzťah medzi počtom dažďových kvapiek v mraku a koľko ich skutočne spadne (prehľad excitovaných parametrov nájdete tu). Je možné, že niektoré kombinácie parametrov môžu replikovať minulú klímu rovnako dobre, ale produkovať značne rozdielne predpovede toho, čo by sa mohlo stať v budúcnosti. Niektoré kombinácie parametrov nebudú fungovať vôbec, budú produkovať úplne nereálnu klímu (napríklad Zem ktorá vrie alebo mrzne, alebo každých pár rokov osciluje medzi veľmi horúcou a veľmi chladnou) a model pravdepodobne havaruje. Nie je možné dopredu povedať, aké tieto kombinácie môžu byť.

Vnucovanie

Niektoré faktory, ktoré neuvažujete ako časť z klímy, majú napriek tomu na ňu obrovský vplyv - ako napr. sopky (potom, čo vybuchla Pinatubo v r. 1991, vychŕlený popol ovplyvňoval klímu niekoľko rokov), slnečná aktivita, a pochopiteľne skladba atmosféry. Orbitálna konfigurácia Zeme tiež pôsobí ako vnútenie na klímu, keďže ovplyvňuje hodnotu prichádzajúceho žiarenia na povrch atmosféry a tiež sezónnosť klímy. Keď sa tieto mechanizmy vnucovania zmenia, donútia k zmene i klímu.

Počiatočné podmienky

Zamávanie motýlích krídel v Brazílii môže vyvolať tornádo v Texase. Tento slávny výrok zhŕňa skutočnosť, že veľmi drobné diferencie prebiehajúce na svete teraz môžu mať obrovský vplyv na to, čo sa stane v budúcnosti. Pretože nemôžeme mať perfektné vedomosti o tom, čo prebieha teraz (až do mierky jednotlivého motýľa), znamená to, že na vytvorenie kompletnej predpovede všetkého, čo by sa mohlo stať v budúcnosti, potrebujeme vziať do úvahy všetko, čo sa môže udiať teraz. Za týmto účelom treba použiť rozsah štartovacích, alebo počiatočných, podmienok pre modely pri ich rozbiehaní pre vytváranie klimatickej predpovede.

Experimenty

Zámysel

Zámysel experimentu 1 v tejto konkrétnej štúdii je vložiť paleontologické nútenie na citlivosť klímy. Citlivosť je tu definovaná ako rovnováha reakcie teploty na zdvojnásobenie pred-priemyselnej koncentrácie kysličníka uhličitého. Niektoré z climateprediction.net modelov ukázali veľkú citlivosť. Použitím paleontologických vnucovaní v modeloch sa testuje, či modely a ich príslušná citlivosť sú realistické. Výsledky modelov všeobecnej cirkulácie sú porovnávané s paleontologickými pozorovaniami. Všetky modely bežia s rozpätím počiatočných podmienok, parametrov a vnucovaní. Stanovením štruktúry pre hodnotenie klimatických modelov testujeme, či sú schopné simulovať klímy, ktoré boli odlišné od dneška. Toto zlepší dôveru k odzrkadľovaniu budúcnosti klímy modelmi.

Záujmová doba je stredný holocén, t.j . ~6000 rokov pred naším letopočtom (6kyBP). Prečo použiť klímu stredného holocénu na skúšku climateprediction.net modelov? Súčasná klíma nie je v rovnováhe. Je v zmene. Predchádzajúca perióda s relatívne stabilnou klímou bol stredný holocén, kedy klíma bola stabilná po dobu okolo 2000 rokov a vnucovanie klímy je dobre známe. 6kyBP klíma je primerane dobre známa prostredníctvom paleontologických pozorovaní.

Použitý model je HadSM3, najmodernejší klimatický model od Hadley Centre pre Prediction Climate and Research Atmospheric General Circulation Model spojený s plošným oceánom. Hraničné podmienky stredného holocénu sú aplikované na model, t.j. orbitálna konfigurácia je zmenená k reprezentovaniu stavu o 6000 rokov skôr. Toto prerozdeľuje šírkové a sezónne distribúcie slnečného žiarenia prichádzajúceho na hornú hranicu atmosféry v modeli. Koncentrácie metánu sú tiež znížené. Experimenty 1 a 2 majú tak trochu rozdielne hraničné podmienky vo fáze stredného holocénu, ako je popísané nižšie. Model ktorý načítate, pozostáva zo 4 rozdielnych fáz, každej po 15 modelových rokoch a s jedinečným súborom počiatočných podmienok.

Štyri fázy sú nasledujúce:

Krok kalibrácie (fáza 1)

Fáza 1 je fáza kalibrácie experimentu. V tejto fáze je teplota povrchu oceánu umelo držaná konštantná. Presun, alebo tok, tepla do alebo z oceánu, ktorý je požadovaný aby udržiaval oceán na konštantnej teplote, je vypočítaný. Toto je jednoduché riešenie, aby bol veľmi jednoduchý oceán v modeli, ktorý nemôže skutočne uchovávať teplo spôsobom ako reálny (hlboký, komplexný) oceán môže. V tejto fáze sú použité dáta z rokov 1810-1825.

Krok pred-priemyselného CO2 (fáza 2)

Toto je regulačná fáza. Zahrňuje výpočet modelu pre 15 rokov s úrovňami CO₂ v modeli atmosféry udržiavanými konštantne na pred-priemyselných úrovniach 282 ppm (µg/g). Na rozdiel od fázy 1, tu je teplote povrchu oceána dovolené variovať podľa toho, koľko energie oceán prijíma a emituje. Avšak je zaručený predpoklad, že množstvo tepla vtekajúceho do oceánov je rovnaké ako vo fáze 1, teda tepelné toky vypočítané vo fáze 1 sú aplikované. Iba ak atmosféra začne robiť niečo veľmi odlišné a energetická rovnováha na hornej hranici atmosféry je zmenená, teplota celej atmosféry by mala preto zostať rovnaká. V tomto prípade musí globálna priemerná teplota povrchu tiež byť približne konštantná a bez podstatnej zmeny rok od roku, alebo bez driftu k veľmi rozdielnej teplote. Vtedy hovoríme, že model je stabilný. Dátumy dané pre túto fázu sú 1825-1840.

Krok stredného holocénu (fáza 3)

V tejto fáze sú modelu vnucované predhistorické podmienky. Orbitálna konfigurácia je zmenená, aby zodpovedala stavu pred 6000 rokmi. T.j. sklon Zeme je zväčšený o 0,5 stupňa a precesia rovnodenností (pozícia Zeme na jej orbite okolo Slnka pri rovnodennostiach) a excentricita (tvar orbity Zeme okolo Slnka) Zeme sú zmenené v súlade s takzvanými Milancovitchovými cyklami. Ďalej, koncentrácie metánu sú znížené o približne 15% oproti pred-priemyselným. Model opäť beží 15 rokov a modelu sú dané tie isté dátumy 1825-1840 ako v regulačnej fáze.

Krok dvojnásobného CO₂ (fáza 4)

V tejto fáze sú hodnoty skleníkových plynov (o skleníkovom efekte môžete viac čítať tu) zdvojnásobené a model beží ďalších 15 rokov. V dobrom modeli by sa mala atmosféra prispôsobiť tejto zmene vo vnucovaní a napokon sa usadiť v novom stabilnom, rovnovážnom stave (ktorý môže byť ten istý, teplejší alebo chladnejší). Dátumy dané pre túto fázu sú 2050-2065.

Pri porovnaní krokov jednoduchého a dvojnásobného CO₂ môžeme vypočítať citlivosť klímy modelov - čo je rozdiel medzi globálnou priemernou teplotou povrchu v modeli s pred-priemyselným CO₂ a v modeli s dvojnásobným CO₂. To je užitočný indikátor o tom, ako sa klimatický model chová, hoci je trocha umelý, keďže priebeh hodnôt kysličníka uhličitého v atmosfére nezostáva konštantný po dobu 15 rokov, ale sa spojito mení.

Rozdiel vo výsledkoch modelu medzi stredným holocénom a kontrolnými modelmi je porovnávaný s dostupnými paleontologickými pozorovaniami. Rozsah paleontologických pozorovaní používaný pre testovanie modelov:

• peľové informácie
• informácie o úrovni mora z jadier morských usadenín
• informácie o makro fosíliách a informácie o teplote dedukovanej z dierkovcov, mäkkýšov, rozsievok, naplaveného dreva
• fosílie veľrýb a veľrybích kostí

Pozorovania ukázali, že globálne systémy monzúnov boli silnejšie v priebehu stredného holocénu. Najpozoruhodnejšia črta klímy stredného holocénu je vzrast vlhkostnej bilancie ponad severnou Afrikou. Tam, kde sa v súčasnosti rozprestiera hyper suchá Sahara, boli rozsiahle mokriny a jazerá. Navyše, hľadaním týchto územných rysov vo výsledkoch modelu môže byť nájdená zmena, rezultujúca do sezónnosti podľa zmenenej orbitálnej konfigurácie, v globálnom priemere časových sérií teploty a intenzity zrážok.

Sú dve časti pre tento špeciálny paleontologický experiment:

Po prvé - modely budú distribuované so štyrmi fázami ako je popísané výššie.

Druhá časť týchto modelov experimentu bude distribuovaná znova, ale len tie, kde je zmena pre fázu stredného holocénu.

Fáza 3 má zmenenú orbitálnu konfiguráciu a znížené koncentrácie metánu ako predtým, teraz s ďalšou zmenou zahrnutia pevninského ľadovcového príkrovu na východe Severnej Ameriky a rozšíreného Hudsonovho zálivu. Tieto lokálne zmeny sú sľubné pre zdokonalenie simulovanej klímy pre východ Severnej Ameriky, keďže klimatické modely podľa dátumu mali ťažkosti zachytiť lokálny chladič klímy stredného holocénu. V tomto druhom experimente je motiváciou, ako správne je možné simulovať predchádzajúce klímy. Modely sú skúškou voči súboru drsných rysov klímy stredného holocénu, ako ukazujú geologické dôkazy.

 ----

Zdroj: stránka CPDN projektu