1 Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki, Uniwersytet WarszawskiFizyczne mechanizmy zmian klimatu w kontekście ostatniego raportu IPCC. Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki, Uniwersytet Warszawski
2 Krzysztof Markowicz [email protected]Plan wykładu Kilka słów o IPCC Pojecie klimatu Stan obecny – zmiany podstawowych parametrów meteorologicznych w ostatnich dziesięcioleciach Fizyczne mechanizmy zmian klimatu Badania zmian klimatu Prognozowanie zmian klimatu – modele klimatu. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
3 Krzysztof Markowicz [email protected]IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change Międzyrządowy Panel do spraw zmian klimatu Założony w 1988 roku przez World Meteorological Organization (WMO) oraz United Nations Environment Programme (UNEP) w celu oszacowania ryzyka zmian klimatu związanych z rozwojem cywilizacyjnym. Głównym zadaniem IPCC jest wydawanie raportów dotyczących zmian klimatu w oparciu o publikacje w czasopismach naukowych. Raporty te są wnikliwie i szczegółowo recenzowane. IPCC nie jest komórka badającą i prowadząca monitoring zmian klimatycznych. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
4 Krzysztof Markowicz [email protected]Raporty IPCC IPCC wydał jak do tej pory 4 raporty w latach 1990, (suplement w 1992), 1995, 2001, 2007. Ostatni raport Working Group I Report (WGI): Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Working Group II Report (WGII): Climate Change 2007: Impacts, Adaptation and Vulnerability Working Group III Report (WGIII): Climate Change 2007: Mitigation of Climate Change The Synthesis Report (SYR) Summary for Policymakers (SPM) Luty 2007 WGI report opublikowany w marcu 2007 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
5 Główne wioski raportu IPCC, 2007Warming of the climate system is unequivocal. Most of (>50% of) the observed increase in globally averaged temperatures since the mid-20th century is very likely (confidence level >90%) due to the observed increase in anthropogenic (human) greenhouse gas concentrations. Hotter temperatures and rises in sea level "would continue for centuries" even if greenhouse gas levels are stabilized, although the likely amount of temperature and sea level rise varies greatly depending on the fossil intensity of human activity during the next century . The probability that this is caused by natural climatic processes alone is less than 5%. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
6 Główne wioski raportu IPCC, 2007 cd.World temperatures could rise by between 1.1 and 6.4 °C during the 21st century and that: Sea levels will probably rise by 18 to 59 cm There is a confidence level >90% that there will be more frequent warm spells, heat waves and heavy rainfall. There is a confidence level >66% that there will be an increase in droughts, tropical cyclones and extreme high tides. Both past and future anthropogenic carbon dioxide emissions will continue to contribute to warming and sea level rise for more than a millennium. Global atmospheric concentrations of carbon dioxide, methane, and nitrous oxide have increased markedly as a result of human activities since 1750 and now far exceed pre-industrial values over the past 650,000 years 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
7 Krzysztof Markowicz [email protected]Klimat definicje Średnia pogoda panująca w danym miejscu. Średni stan atmosfery charakterystyczny dla danego obszaru i określony na podstawie 30 letnich serii pomiarowych. Climate is commonly defined as the weather averaged over a long period of time Przykład 1 Stacja A: średnia temperatura roczna 8 oC (średnia stycznia 5 oC, średnia lipca 11 oC) Stacja B: średnia temperatura roczna 8 oC (średnia stycznia -3 oC, średnia lipca 19 oC) 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
8 Definicja klimatu wg IPCCClimate in a narrow sense is usually defined as the “average weather”, or more rigorously, as the statistical description in terms of the mean and variability of relevant quantities over a period of time ranging from months to thousands or millions of years. The classical period is 30 years, as defined by the World Meteorological Organization. These quantities are most often surface variables such as temperature, precipitation, and wind. Climate in a wider sense is the state, including a statistical description, of the climate system. The main difference between climate and everyday weather is best summarized by the popular phrase "Climate is what you expect, weather is what you get 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
9 Krzysztof Markowicz [email protected]Przykład 2 Stacja A: średnia temp stycznia dla kilku kolejnych lat: 7.1, 8.3, 8.7,7.9, 8.0 Stacja B: średnia temp stycznia dla kilku kolejnych lat: -7.5, 0.3, -2.0 , 0.7, -3.5 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
10 Klimat, definicja fizycznaKlimat to pojecie statystyczne i bardziej złożone. Zdefiniowany jest przez pojęcia statystyczne a nie tylko przez wartości średnie. Wielkościami tymi są: wariancja (miara odchylenia od wartości średniej) odchylenie sztandarowe kwantyle (np. prawdopodobieństwo, że średnia temperatura stycznia 2008 roku będzie niższa niż -4C) prawdopodobieństwo Ostatnia wielkość określa np. jakie jest prawdopodobieństwo że średnia temperatura stycznia 2008 roku będzie w przedziale od -3 do -4 oC 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
11 Krzysztof Markowicz [email protected]Anomalia Czyli odchylenie od wartości średniej (przeciętej) Pojecie stosowane często w klimatologii do analizy zmienności warunków pogodowych. Czy anomalie pogodowe świadczą o zmianach klimatu Nie, gdyż anomalie są naturalnie związanie z klimatem. Dopiero gdy anomalia utrzymuje się przez odpowiedni długi okres czasu (30 lat) może to świadczyć o zmianach klimatycznych. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
12 Krzysztof Markowicz [email protected]Anomalie cd. Czy w dobie globalnego ocieplenia możemy spodziewać się chłodnych zim? Czy chłodne lato jakiegoś roku może dowodzić, że nie mamy do czynienia z globalnym ociepleniem? 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
13 Zmiany klimatu – rys historycznyBadania paleoklimatyczne 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
14 Zmiany koncentracji gazów cieplarnianych3/26/2017 Krzysztof Markowicz
15 Zmiany temperatury w ostatnim tysiącleciu – mała epoka lodowa3/26/2017 Krzysztof Markowicz
16 Zmiany Globalne w XX wieku3/26/2017 Krzysztof Markowicz
17 Krzysztof Markowicz [email protected]3/26/2017 Krzysztof Markowicz
18 Anomalie temperatury powierzchni Atlantyku w obszarze tropikalnym3/26/2017 Krzysztof Markowicz
19 Zmiany bilansu hydrologicznegoPalmer Classifications 4.0 or more extremely wet 3.0 to 3.99 very wet 2.0 to 2.99 moderately wet 1.0 to 1.99 slightly wet 0.5 to 0.99 incipient wet spell 0.49 to -0.49 near normal -0.5 to -0.99 incipient dry spell -1.0 to -1.99 mild drought -2.0 to -2.99 moderate drought -3.0 to -3.99 severe drought -4.0 or less extreme drought 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
20 Zmiany pary wodnej w atmosferze3/26/2017 Krzysztof Markowicz
21 Krzysztof Markowicz [email protected]Trend zachmurzenia +1.4% (obserwacje naziemne) +2 % ISCCP (klimatologia satelitarna) 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
22 Zmiany bilansu promieniowania na górnej granicy atmosfery3/26/2017 Krzysztof Markowicz
23 Krzysztof Markowicz [email protected]Zmiany w oceanach 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
24 Krzysztof Markowicz [email protected]3/26/2017 Krzysztof Markowicz
25 Zmiany rocznych sum opadów3/26/2017 Krzysztof Markowicz
26 Globalne ocieplenie a ochłodzenie stratosferycznedane aerologiczne dane satelitarne 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
27 Krzysztof Markowicz [email protected]Globalne zmiany temperatury w atmosferze i na powierzchni ziemi 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
28 Krzysztof Markowicz [email protected]Zmiany w kriosferze 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
29 Zmiany poziomu oceanów3/26/2017 Krzysztof Markowicz
30 Zmiany klimatu w PolsceZmiany temperatury w Polsce za ostatnie 50 lat pokazują , że klimat się ociepla! 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
31 Krzysztof Markowicz [email protected]Obserwuje się rosnący trend prędkości wiatru i silniejszą cyrkulację strefowa. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
32 Krzysztof Markowicz [email protected]Zmiany albeda planetarnego nad Polską pokazują, że w ostatnich 20-latach atmosfera pochłania 1-2% więcej promieniowania słonecznego 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
33 Tendencja spadkowa całkowitej zawartości pary wodnej w atmosferze.3/26/2017 Krzysztof Markowicz
34 Krzysztof Markowicz [email protected]Procesy klimatyczne To procesy fizyczne zachodzące w atmosferze i oceanach prowadzące do zmian klimatu. Najczęściej zalicza się do nich obieg ociepla, cykl hydrologiczny oraz cyrkulację powietrza. Determinują one zmiany naturalne i antropogeniczne systemu klimatycznego oraz jego odpowiedz na zaburzenia (np. wzrost koncentracji gazów cieplarnianych) . Ważnym pojęciem w systemie klimatycznym są sprzężenia zwrotne, które związane są z procesami klimatycznymi. Zwiększają (sprzężenie dodatnie) lub zmniejszają (sprzężenie ujemne) zmiany w układzie wywołane pierwotnym zaburzeniem. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
35 Przykład sprzężenia zwrotnego w systemie klimatycznym Ziemi-AtmosferaPromieniowanie słoneczne Podwojenie koncentracji CO2 Albedo+ Strumień ciepła utajonego i odczuwalnego ujemne sprzężenie zwrotne Ocean T+ T- 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
36 Najważniejsze elementy systemu klimatycznego:Para wodna Chmury Oceany Stratosfera Obieg CO2 Powierzchnia ziemi Lodowce 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
37 Przyczyny zmian klimatuEfekt cieplarniany Efekt aerozolowy (bezpośredni i pośredni) Zmiany cyrkulacji oceanicznej Wybuchy wulkanów Zmienność aktywności słońca Zmiany w ozonosferze Przyczyny długookresowe Zmienność orbity ziemskiej Dryf kontynentów Zmiany składu atmosfery 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
38 Ziemia i atmosfera jest w stanie równowagi klimatycznej określonej przez energie dostarczaną przez Słońce oraz emitowaną przez Ziemie w kosmos. Zmiany klimatu związane są z zaburzeniami bilansu energii w układzie Ziemia-Atmosfera Zasadniczą kwestią w badaniach zmian klimatu są obserwacje składowych bilansu energii oraz studia procesów prowadzących do zmiany stanu równowagi termodynamicznej w tym wymuszania radiacyjnego. 3/26/2017 3/26/2017 Krzysztof Markowicz Krzysztof Markowicz
39 Bilans Energii w AtmosferzeBilans radiacyjny w atmosferze –100 Wm-2 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
40 Wymuszenie radiacyjneFTOA(Ro, Teff, T) Fo stałą słoneczna Fo/4 TeffσT4 Ro /4 W stanie równowagi: Fo (1-Ro)/4=Teff T4 R- planetarne albedo 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
41 Efekt cieplarniany Zmiany koncentracji CO23/26/2017 Krzysztof Markowicz
42 Termiczny wymiar efektu cieplarnianegogazy cieplarniane procentowy wkład koncentracja para wodna 20.6 62.1% 30 ppvt CO2 7.2 21.7% 350 ppmv 03 2.4 7.2% 50 ppbv N20 1.4 4.2% 320 ppbv CH4 0.8 2.4% 17 ppbv freony <0.8 1 ppbv efekt cieplarniany 33.2 T 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
43 Wpływ zmian aktywności SłońcaZmiany stałej słonecznej (pomiary satelitarne) Zmiany liczby plam słonecznych (pomiary naziemne) Zmiany są zbyt małe aby wytłumaczyć nimi globalne ocieplenie obserwowane w drugiej części XX wieku. Dodatkowo , okres tych zmian zbyt mały w porównaniu ze stałą czasowa systemu klimatycznego 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
44 Wpływ wybuchów wulkanówAerosol emitowany przez wulkany redukuje przeźroczystość atmosfery 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
45 Krzysztof Markowicz [email protected]Zanieczyszczenia atmosfery zwane inaczej aerozolami to małe cząstki stałe lub ciekłe powstające w sposób naturalny oraz w wyniku działalności gospodarczej człowieka. Rodzaje aerozoli: sól morska drobiny piasku pyły (wulkaniczny) fragmenty roślin sadza (elemental carbon), organic carbon siarczany, azotany związki organiczne i nieorganiczne Aerozole naturalne. Aerozole antropogeniczne 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
46 Wielkość i kształt cząstek aerozolu3/26/2017 Krzysztof Markowicz
47 Zmętnienie atmosfery powstałe w wyniku obecności aerozoli3/26/2017 Krzysztof Markowicz
48 Krzysztof Markowicz [email protected]3/26/2017 Krzysztof Markowicz
49 Krzysztof Markowicz [email protected]Produkcja aerozoli produkcja mechaniczna (powstawanie soli morskiej podczas załamywania fal morskich czy wynoszenie pyłu pustynnego w czasie burz pyłowych) spalanie biomasy spalanie antropogeniczne (pyły, gazy) konwersja gazu do kwasu siarkowego, azotowego 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
50 Średnia grubość optyczna aerozolu3/26/2017 Krzysztof Markowicz
51 Wpływ aerozoli na klimat ZiemiEfekt bezpośredni (poprzez rozpraszanie i absorpcję promieniowania) Efekt pośredni (poprzez oddziaływanie na własności mikrofizyczne chmur) 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
52 Bezpośredni wpływ aerozoli na klimatwzrost albeda planetarnego wzrost absorpcji w atmosferze warstwa aerozolu redukcja promieniowana słonecznego dochodzącego do powierzchni ziemi 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
53 Pośredni wpływ aerozoli – ślady statków. . . :: . :: :::: Stratocumulus większe albedo Większa koncentracja kropel, Mniejszy promień re 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
54 Globalne zaciemnienie w XX wieku.3/26/2017 Krzysztof Markowicz
55 Globalne zaciemnienieJest związane z emisja do atmosfery aerozoli które skutecznie redukują promieniowanie Słoneczne dochodzące do powierzchni Zimie. W ostatnich 10-latach, szczególnie w Europie znacząco ograniczono emisje tych zanieczyszczeń, tym samym prowadząc do odwrócenia trendu. Ma to niestety z punktu widzenia klimatycznego negatywny skutek bo redukcja aerozoli wzmaga efekt gazów cieplarniany. Wymuszanie radiacyjne staje się coraz większe… 3/26/2017 Krzysztof Markowicz
56 Które czynniki odgrywają decydująca rolę wa zmianach klimatu?3/26/2017 Krzysztof Markowicz
57 Modelowe zmiany klimatu w obecnym stuleciu3/26/2017 Krzysztof Markowicz
58 Podsumowanie Nie ma wątpliwości, że mamy do czynienia z globalnym ociepleniem. Analiza globalna budżetu energetyczne z dużym prawdopodobieństwem pokazuje, że jest to związane z nasilającym się efektem cieplarnianym. W skali globu efekt cieplarniany przewyższa znacząco ochładzający wpływ aerozolu na klimat ale... W skali lokalnej chłodzenie aerozolowe może kilka-krotne przewyższać efekt cieplarniany. Niepewności oszacowanego wymuszania radiacyjnego (IPCC 2007) jest bardzo duża co wpływa na duże błędy prognoz zmian klimatu. Ograniczanie emisji aerozoli (jest to stosunkowo proste) przy jednoczesnych braku redukcji emisji CO2 zwiększy w przyszłości wpływ efektu cieplarnianego na klimat. Prognozowany wzrost temperatury w XXI wieku: +1.5 do+4 oC 3/26/2017 3/26/2017 Krzysztof Markowicz Krzysztof Markowicz