Klimat- Modellering och Beräkningar. Marco Kupiainen. KTH, 3 oktober Rossby Centre, SMHI. Matematiska institutionen, Linköpings Universitet

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Klimat- Modellering och Beräkningar. Marco Kupiainen. KTH, 3 oktober 2013. Rossby Centre, SMHI. Matematiska institutionen, Linköpings Universitet"

Rickard Engström
för 8 år sedan
Visningar:

1 Klimat- Modellering och Beräkningar Marco Kupiainen Rossby Centre, SMHI Matematiska institutionen, Linköpings Universitet KTH, 3 oktober 2013

2 Introduktion/bakgrund IPCCs slutsatser Skillnad på väder och klimat Beskrivning av jordens energibalans Växthuseekten Vad är observerat? Beskrivning av en klimatmodell Allmän beskrivning Skillnaden mellan regional och global klimatmodellering Subgridmodellering Osäkerheter i modellbeskrivningen Initialtillstånd Kopplat system Begränsningar i datorresurser Framtida utmaningar inom klimatmodellering/beräkningar Modellering av framtida klimat

Beskrivning av en klimatmodell Allmän beskrivning Skillnaden mellan regional och global klimatmodellering

3 IPCCs slutsatser Slutsatserna från IPCC 2007 är robust vetenskap Tecken på klimatförändring är uppenbara Den globala havsnivån höjs Delar av den grönländska isen har visat snabb avsmältning på senare år Havsförsurning studeras, den totala inverkan på marina system är inte väl förstådd Inga klara tecken på att storskaliga tropiska cyklonmönstet ska ha ändrats. Gradvis intensiering av de starkaste cyklonerna är möjlig med uppvärming av klimatet. Delar av det antarktiska istäcket visar tecken på uppvärmning. Den observerade uppvärmningen av Arktis tillskrivs antropogen (mänsklig) påverkan av klimatet.

tecken på att storskaliga tropiska cyklonmönstet ska ha ändrats. Gradvis intensiering av de starkaste cyklonerna är möjlig med uppvärming av klimatet.

4 Skillnad på väder och klimat Väder karakteriseras av det momentana meteorologiska tillståndet: temperatur luftfuktighet vind hastighet/riktning (vektor) lufttryck Numerical Weather Prediction (NWP) Klimat är: det karakteristiskt rådande meteorologiska tillståndet.

vind hastighet/riktning (vektor) lufttryck Numerical Weather

5 Hur kan vi beskriva klimatet om 100 år, när vi inte kan förutsäga vädret om 3 veckor? Illustreras med följande exempel: Den kaotiska 1 ekvationen t n+1 = 4t n t n 1, n = 0, 1, 2,... har olika lösningar givet initialt t Klimat är väderstatistik, (medelvärde")!! t 0 =1.5 mean t 0 = mean Clay Millenium Award 10 6 USD

.. har olika lösningar givet initialt t 0 4 3.5 3 2.

6 Beskrivning av jordens energibalans Obalanser i temperaturdistributionen ger tryckgradienter som genererar den allmänna cirkulationen för atmosfären (och haven)

7 Växthuseekten Notera: =0 och =0 (balans).

8 ? Detta innebär en förändrad växthusbalans! En omedelbar fördubbling av CO 2 -halten (motsvarar 4Wm 2 ) minskar den utgående långvågsstrålningen (värmen) från 235Wm 2 till 231Wm 2. För att motverka (balansera!) detta höjs temperaturen i troposfären (80% av jordens atmosfär) med 1.2 o. I verkligheten är responsen, tack vare komplicerade återkopplingsmekanismer, förstärkt till cirka 1.5 o -4.5 o, mest tack vare moln/strålningsinteraktionen.

från 235Wm 2 till 231Wm 2. För att motverka (balansera!

9 Vad är observerat?

10 Slutade uppvärmningen 1998? Trenden kan ändras på kort sikt:

11 Förändring av ytvattnets temperatur

12 Mänsklig påverkan och naturlig variabilitet för temperatur

13 KLIMATMODELLERING

14 Allmän beskrivning Modellen är i princip tredimensionella Navier-Stokes ekvationer (med en del förenklingar och modelltermer) t u + 3 f n F d (u) = d=1 n } {{ } source/sink (1) Partiella dierentialekvationer (PDE) som beskriver massa kan inte förstöras total energi och rörelsemängd konserveras Ingen sluten formel för lösning NUMERISKA METODER!

source/sink (1) Partiella dierentialekvationer (PDE) som beskriver massa kan inte

15 PDEn diskretiseras: (P 1 ξ Numerisk metod Q ξ I ξ I η I ζ )u + ( I t P 1 ξ Q ξ I η I ζ )F 1 (u) +... =... } {{ } } {{ } approximation tidsderivata approximation rumsderivata Ett kontinuerligt system av PDEer är översatt till ett algebraiskt system u är en approximation av lösningens värde i varje gridpunkt" löses med hjälp av ett datorprogram och (super)dator

.. } {{ } } {{ } approximation tidsderivata approximation rumsderivata Ett kontinuerligt

16 För att simulera klimat/väder behövs: initialtillståndet för systemet beskrivning av topogran och markens beskaenhet (åker, skog, sjö,...) modell för solstrålningen gas- och aerosoldistributionen i atmosfären ev. randvillkorsdata

17 Skillnaden mellan regional och global klimatmodellering

18 Skillnaden mellan regional och global klimatmodellering GLOBAL Grovt beräkningsnät, tack vare stort (globalt) beräkningsområde, och därmed lägre noggrannhet Naturligt med sluten vatten- och kolcykel Randvillkor på marken och högst upp i atmosfären REGIONAL Fint (nare än global) beräkningsnät, bättre upplösning och högre noggrannhet Vatten och kol konserveras (förändring endast via in- och ut via ränderna) jfr. kontrollvolym Randvillkor runt hela beräkningsdomänet

högst upp i atmosfären REGIONAL Fint (nare än global) beräkningsnät, bättre upplösning och högre noggrannhet Vatten

19 Subgridmodellering strålning moln konvektion turbulens mikrofysik havsis sjöar land och mark vegetation...

20 Osäkerheter i modellbeskrivningen Subgridmodellering baseras sig inte på "1:st principles" Rekonstruktionsproblematik: "verklig" simulerad (a) (b) (c) (d) Figur: Reconstructed cloud cover.

21 Initialtillstånd Metoden att generera ett bra initialtillstånd skiljer sig mellan väderprediktion och klimatsimulering: KLIMAT: initialdata kan vara: NWP: minimering av målfunktion tar hänsyn till observationer och tidigare beräkningar kallas data assimilering gammalt assimilerat initialtillstånd data från en annan/tidigare simulering klimatologi (medelvärdesbildade observationer) simuleringen körs genom sk. spin-up för att nå balans balansen berör särskilt långsamt varierande kvantiteter

22 Kopplat system I en väderprediktion kan man anta att havstemperaturen inte förändras under simuleringens gång, men i en klimatsimulering måste hela havssystemet simuleras (koppling till 3 dimensionell inkompressibel NS med subgridmodeller) NWP: KLIMAT: markekvationer ekvationer för vegetationsutbredning atmosfärskemi hydrologi (vattentransport)

23 Begränsningar i datorresurser Gimle (NSC) 180 x 8 = 1440 cores, 100 % SMHI Krypton (NSC) 240 x 16 = 3840 cores, 100% SMHI Lenngren (PDC) 1268 x 8 = cores, SMHI, SU och KTH lagring 1060TB bandrobot, 180 TB disk (2011)

24 Ett typiskt scenario (100 år) tar ca 2 veckor att beräkna. ca 100TB data (tidsserier+återstartsdata) "Check-pointing"(återstartsdata) för att kunna köra om koden för att extrahera ut sådant som efterfrågas i efterhand.

25 Framtida utmaningar inom klimatmodellering/beräkningar eektstudier av förändrat klimat (ekonomi, anpassning,...) okända processer som är viktiga för klimatet olika klimatmodeller ger olika resultat parameteroberoende subgridmodellering, physical rst principles? eektivisering av datorkoder tidsnogranna prediktioner för en längre tid, kanske omöjligt...

26 Min egna forskning på SMHI: Ny förbättrad numerisk approximation av PDEn via SBP-SAT 2 teknologin Hög noggrannhetsordning (2,3,4 eller 5) Stabila rand- och interfacevillkor baserat på rigorös matematik Eektivisering av den bentliga datorkoden (kodoptimering) 2 Summation-by-parts, Simultaneous Approximation Term

27 Modellering framtida klimat Vår kunskap om framtiden är utan tvekan ofullkomlig. De framtida koncentrationerna av växthusgaser beror både på tidigare utsläpp av dessa gaser (välkända) och om framtida utsläpp (okända). Framtida utsläpp av växthusgaser beror på mycket politik och är ofta debaterat. Ungefär hälften av den framtida osäkerhet i temperatur kommer från vår osäkerhet om framtida utsläpp av CO 2.

Relevanta dokument

Klimatsimuleringar. Torben Königk, Rossby Centre/ SMHI

Klimatsimuleringar. Torben Königk, Rossby Centre/ SMHI Klimatsimuleringar Torben Königk, Rossby Centre/ SMHI Översikt Vad är klimat? Hur skiljer sig klimatmodeller från vädermodeller? Hav- och havsis processer Vad är klimatscenarier? Vad är klimatprognoser?