KÜRESEL İKLİM MODELLERİ

... konulu sunumlar: "KÜRESEL İKLİM MODELLERİ"— Sunum transkripti:

1 KÜRESEL İKLİM MODELLERİ
Hakkı ATAY, Hüseyin ARABACI Hüdaverdi GÜRKAN Meteoroloji Genel Müdürlüğü Araştırma Daire Başkanlığı Klimatoloji Şube Müdürlüğü

2 İÇERİK Model ve temel kavramlar Bilimsel geçmiş Küresel modeller ve IPCC Sonuç

3 MODEL VE TEMEL KAVRAMLAR
Model: Fiziksel hayata ait gerçekliklerin bir takım anlamlı sembollerle ifade edilmesidir. Diğer taraftan model gerçek hayatta olması gerektiği düşünülenin ifadesidir. Yani gerçeğin idealleştirilmiş halidir. Çoğu kez karmaşık olanın basite indirgenmesidir. Aslında gerçeklik hiç bir zaman bir model ile yüzde yüz ifade edilemez (uncertainity=belirsizliğin temeli). Bu anlamda model gerçeğin daha basitleştirilmiş halidir. Modeller yeni bilgilerle değişebilen dinamik yapılardır. 

4 İklim Modeli: Atmosfer, okyanus, yeryüzü ve buz kütlesi (iklim bileşenleri: Atmosfer, litosfer, biyosfer, hidrosfer ve criyosfer) gibi iklim sistemi bileşenleri arasındaki ilişkiyi “kantitatif (ölçülebilir ve gözlemlenebilir) methodlarla göstermeye çalışan modellerdir. Bütün iklim modelleri, kısa dalga radyasyon vasıtasıyla güneşten gelen enerji ve uzun dalga radyasyonla dünyadan giden enerjiyi hesaba katarak kurgulanırlar. Bu dengedeki herhangi bir değişiklik sıcaklıklarda değişime yol açar.

5

6

7

8 Modellere basitten karmaşığa doğru bir göz atılırsa:
Basit bir ısı transfer modelinde, dünya homojen bir nokta gibi düşünülür ve gelen ve giden enerji balansını hesaplar. Bir üst aşamada, yatay ve dikeyde ısı transferi modelleri hesaplanır. (radiatif - convective models) Atmosfer-okyanus-deniz buzu global iklim modelleri , kütle ve enerji taşınımı ile radiant (ışınımsal yayılımı) değişimi hesaplar. Kutu (box) modelleri, okyanus içindeki akıntıları hesaba katarlar. Diğer bazı modeler; arazi kullanımını hesaba katarak, iklim ile ekosistem arasındaki ilişkiyi de açıklamaya çalışırlar.

9 İklim modelleri şu şekilde sınıflandırılabilir
1 Kutu modelleri 2 Sıfır boyutlu modeller 3 Radyatif-konvektif modeller 4 Daha yüksek boyutlu modeller 5 Orta karmaşıklıkta yer sistem modelleri (EMICs) 6 Genel sirkülasyon yada global iklim modelleri (GCMs)

10 1-Kutu modelleri Bu modeller çoğunlukla çevresel sistemler yada ekosistemleri veya karbon döngüsü , okyanus akıntıları gibi fenomenleri modellemek için kullanılır. Bir kutu modeli, okyanusu büyük kutulara böler ve her kutucukta suyun ve içindekilerin özelliklerinin homojen olduğu varsayılır ve zamanla değişmediği düşünülür. Böylece büyük hesaplama yükünden kaçınılmış olur. Bu yapı, suyun davranışını yöneten düşük boyutlu diferansiyel denklemlerin yazılabilmesine ve dinamik sistem teknikleriyle çalışmalar yapılabilmesine imkan tanır.

11 2 Sıfır boyutlu modeller
Çık basit bir enerji denge modelidir. Solar konstant ve ortalama dünya sıcaklığı kullanılır. Bunlar dünyanın uzaya yaydığı uzun dalga radyasyonu yayılım düzeyini etkiler. GELEN ENERJİ=GİDEN ENERJİ

12 3- Bir boyutlu Radyatif-konvektif modeller
Bu modellerde atmosferin dikey kesitinde enerjinin yukarı yada aşağı taşınması prosesinde hem emilim hem de yayılım dikkate alınır (konvektif taşınma). Bu özellikle aşağı troposferde çok önemlidir. Bu modellerin basit modellerden avantajı; sera-gazı konsantrasyonlarındaki değişimin efektif yayılım ve dolayısı ile yüzey sıcaklığına etkisinin saptanabilmesidir. Fakat lokal yayılım ve albedo hesaplamaları için enerji hareket etkenlerinin tanımlanmasına gerek duyulur. 4- Daha yüksek boyutlu modeller Sıfır boyutlu yada bir boyutlu modellerin geliştirilerek enerjinin , atmosfer içersinde, yatayda da taşınmasıyla ilgili eşitliklerin kullanıldığı modellerdir. Bu modelin avantajı, lokal albedo ve yayılımın, sıcaklığa bağımlılığının makul seviyede modelde temsil edilmesidir.( Yani kutupların soğuk, ekvatorun sıcak olmasına bağlılığı.)

13 5 Orta karmaşıklıkta yer sistem modelleri (EMICs)
Bu modellerde, atmosfer ve okyanus temsil edilmekle beraber, çözünürlükleri oldukça düşüktür. Dikey ve yatayda dinamik ve istatistiksel eşitlikler ve hesaplamalar kullanılır. Sinoptik paternleri dinamikten ziyade istatistiki olarak değerlendirir. Örneğin, Climber-3 modeli: Bu modelde atmosfer istatiksel-dinamiksel modellerle ifade edilir. Çözünürlük 7.5X22.5° ve zaman adımı yarım gün. İçinde kullanılan okyanus modeli 3.75X3.75 çözünürlüklü MOM-3 (modular okyanus modeli) ve dikeyde 24 seviye.

14 6-Genel sirkülasyon yada global iklim modelleri (GCMs)
Genel Sirkülasyon Modelleri, akışkan hareketi ve enerji transferi ile herikisinin zamanla entegre edildiği modellerdir. Basit modellerden farklı olarak, bu modellerde atmosfer ve okyanus yatayda ve dikeyde grid denilen hesaplama birimlerine ayrılır. Atmosferik modeller, atmosferi modeller ve deniz yüzey sıcaklıklarını sınır koşulları olarak model içine empoze eder. Birleştirilmiş atmosfer –okyanus modelleri (coupled models) ise, atmosfer ve okyanus modellerini birleştirir. Örneğin: HadCM3, EdGCM, GFDL, CM2.X vb. İlk GCM 1960’larda geliştirildi NOAA tarafından geliştirildi. AOGCM’ler iklim modelleri içersinde en karmaşık olanlarıdır ve olabildiğince fazla proses bu modellere yerleştirilmektedir. Fakat hala, geliştirilmeye devam ediliyorlar ve hala belirsizlik (uncertainty=ilk dersi hatırlayalım-Kaotik yapı) devam etmektir. Bu modeller, geri besleme (feedbacks) etkisini daha iyi temsil etmek için karbon döngüsü gibi diğer modellerle birleştirilebilirler. Bu şekilde birleştirilmiş çok-sistem modelleri bazen “yersistem modelleri” yada “global iklim modelleri” olarak da anılmaktadırlar.

15 2- BİLİMSEL GEÇMİŞ

16 20. yy. başı: Norveçli meteorolojist Vilhelm Bjerknes, hava tahmininin temel atmosfer fiziğinden hesaplanabileceğini ortaya attı. Sıcaklığın, havanın ve nemin hareketlerini tanımlamak için ilkel eşitlikler geliştirdi. Amacı, hava haritasına dayanan bir “grafiksel calculus” yapmaktı. Metodu 1950’lere kadar kullanıldı. Fakat hesaplamanın çok yavaş olması başarıyı oldukça düşürüyordu. Ayrıca başlangıçta, tahminlerin doğrulaması yapılamıyordu.

17 1922, İngiliz matematikçi ve fizikçi Lewis Fry Richardson
Hava tahmini için daha tamamlanmış bir sayısal sistem geliştirdi. Bu yeni fikir, yeryüzünü alanlara bölmek ve her alan için ayrı ayrı hesap yapmak üzerineydi. Örneğin iki komşu bölgenin/hücrenin rüzgar farklarını hesaplayabilmişti. Bu teknik hala iklim modelleri ve hava tahmin modellerinin temelini oluşturmaktadır. Richardson, Bjerknes’in eşitliklerini kullandı. Fakat şunu itiraf etmişti: “Kurguladığım şey (Model-scheme) çok karmaşık, çünkü atmosferin kendisi karmaşık”. (KAOS teorisi)

18 Batı Avrupada hava tahmini için bir çalışmaya girişti
Batı Avrupada hava tahmini için bir çalışmaya girişti. Bir çok kişi bu çalışmada yer aldı. Maddi ve manevi olarak çok efor sarfetti. Farklı yerlerde farklı seviyelerde aynı anda balon attı. Fakat 8 saatlik bir tahmin için 6 hafta harcadı. Sonuçta çalışması başarısızlıkla sonuçlandı. “Belki birgün, belli olmayan bir gelecekte, havanın ilerlemesinden daha hızlı şekilde hesaplama ilerleyebilir.”… “ama bu sadece bir hayal”

19 Sayısal hava Tahmini (1945-1955) 
Bilim adamları atmosferin tamamı için basit formülasyonları çözmeye başladılar. Fakat yine de atmosferdeki küçük bir hesaplama için bile yüzlerce satırlık matematik formül çözmek gerekiyordu. 1952, Klimatolojist Bert Bolin “bütün bir hidrodinamik ve termodinamik denklemlerin içinde olduğu atmosferin genel dolaşımı teorisinden bir sonuç çıkarma olasılığı için Çok küçük bir umut var.”…. II. Dünya Savaşı sırasında düşman kriptolarını çözmek için geliştirilen makineler, atom bombası ile ilgili hesaplamalar ve sonrasında soğuk savaş döneminde daha da geliştirilerek farklı amaçlar için kullanılmıştır.

20 Nükleer silah hesaplamaları ve patlama simülasyonları sırasında, matematikçi John von Neumann patlama simülasyonları ve hava tahmini arasında benzerlik olduğunu gördü. Her ikisi de non-lineer akışkan dinamiğine sahipti. 1946: ENIAC ilk bilgisayar Von Neuman çok kısa süre sonra hava tahmini için bilgisayarı kullanmaya başladı. ABD ordusu bu çalışmayla yakından ilgilendi. Çünkü havanın speküle edilerek etkili bir silah haline getirilebileceği düşünülüyordu. (climatological war)

21

22 İlk ciddi model, 1950 de ENİAC kullanılarak Charney tarafından 2 boyutlu olarak kurgulandı. Kuzey Amerika 270 nokta ile 700 km çözünürlükte yapıldı. Bundan sonra hesaplama kapasitesinin artışına paralel olarak modeller de gelişti.

23

24

25

26

27 3-Küresel Modeller ve IPCC

28 Hedefi geçmeden Stabilizasyon
RCPs Radyoaktif Zorlama Zaman Radyoaktif Zorlama Değişimi Karbondioksit Eşdeğer Konsantrasyonu (ppm) Emisyonlar(KYOTO protokolü sera gazları) RCP 8.5 > 8.5 W/m2 2100’de Yükselme > ~1370 ppm 2100 e kadar artış devam ediyor RCP 6.0 ~6.0 W/m2 2100 sonrası Hedefi geçmeden Stabilizasyon ~ 850 ppm Yüzyılın son çeyreğinde düşüş RCP 4.5 ~4.5 W/m2 ~ 650 ppm Yüzyılın ortalarından itibaren düşüş RCP3-PD* ~3.0 W/m2 2100 öncesi 3.0 W/m2’de zirve ve düşüş Zirve~490 ppm ve düşüş Yüzyılın ilk çeyreğinde düşüş

29 RCP8.5:Yüzyıl sonu RCP6.0:Son çeyrek RCP3:İlk çeyrek RCP4.5:Yüzyılın ortası

30 RCP6.0: 850 ppm RCP8.5: 1300ppm RCP4.5: 650 RCP3-PD: 490

31

32 CMIP5 modelleri

33

34 CORDEX domainleri: South America Central America North America Europe Africa South Asia East Asia Central Asia Australasia Antarctica Arctic Mediterranean domain (MED) MENA domain

35 4- SONUÇ 1- İklim modeli çalışmalarının gelişmesi ve başarısına en büyük etki hesaplama teknolojisine (bilgisayar teknolojisi) aittir. 2- IPCC raporlarında, modellerle ilgili sürekli bir gelişme görülmektedir. 3- Hesaplama kapasitesinin artması, modellere sürekli yeni komponentlerin eklenmesine (başlangıç koşullarının daha iyi temsil edilemsine) olanak sağlamıştır. Yani, belirsizliğin (uncertanity) azalmasına imkan sağlamıştır. (KAOTİK sitemler) 4- Hesaplama kapasitesinin gelişmesinin diğer bir olumlu etkisi modellerin yatay çözünürlüklerinin sürekli artmasına, yani daha ayrıntılı ürünler elde edilemsini sağlamaıştır. (ilk model 700 km çözünürlükteydi ve günümüze göre çok bait yapıdaydı) 5-CMIP5 ve CORDEX önemli işbirlikleri

36 Metninizi Yazın TEŞEKKÜRLER