Modelování klimatu a klimatologické modely

První numerický model počasí vytvořil britský matematik Lewis Fry Richardson. Během 1. světové války pracoval ve zdravotnické jednotce a ve volných chvílích uskutečnil první šestihodinovou numerickou předpověď počasí. Trvalo mu to šest měsíců, ale výsledek stejně nebyl příliš uspokojivý. Jeho základní metody však byly v zásadě správné a používají se dodnes. První funkční předpověď na počítači vznikla teprve o čtyřicet let později.

K předpovědi počasí na několik dní dopředu (tedy i podnebí) musí model pokrývat celou zeměkouli. V globálním předpovědním modelu jsou parametry (tlak, teplota, vlhkost, vítr aj.), jež jsou potřebné k popsání stavu atmosféry, zadávány v síti uzlových bodů, které pokrývají celou zeměkouli. Vzdálenost mezi těmito body není u všech modelů stejná. Ve vertikálním směru bývá většinou kolem 1 km, v horizontálním směru 100 km. Tato vzdálenost je omezena výkonností počítače.

Nejdůležitější zpětné vazby v klimatickém systému

Zpětná vazba vodní páry – je nejdůležitější, protože v teplejší atmosféře dochází k většímu vypařování z oceánů a z vlhkého povrchu pevniny. Ve výsledku tedy bude teplejší atmosféra také vlhčí. Vodní pára je mocným skleníkovým plynem, který by sám o sobě zvýšil nárůst teplot přibližně o 60%. Tato vazba v průměru představuje kladnou zpětnou vazbu.

Zpětná vazba spojená s radiačním působením oblačnosti. Tato vazba zároveň vyvolává několik procesů. Oblaky ovlivňují přenos záření v atmosféře významnou mírou. Jednak odrážejí část slunečního záření zpět do prostoru, za druhé působí jako „pokrývka“ pro tepelné vyzařování z povrchu do prostoru (jako skleníkové plyny). Tento účinek zpětné vazby může být pozitivní i negativní.

Modely pro předpověď klimatu

Mají – li být modelové předpovědi úspěšné, musí zahrnovat patřičný popis zpětných vazeb (viz výše).

Zpětná vazba, spojená s vodní párou a jejím geografickým rozložením, závisí na detailních procesech vypařování, kondenzace a advekce, a také na konvekci. Tyto procesy jsou ovlivňovány vyšší teplotou povrchu. Všechny tyto jevy jsou již dostatečně zahrnuty v modelech pro předpověď počasí; zpětná vazba vodní páry byla studována velmi pečlivě. Nejdůležitější z ostatních zpětných vazeb je zpětná vazba spojená s oblačností a zpětná vazba oceánského proudění. Modely pro předpověď počasí a většina klimatických modelů zatím používají poměrně jednoduchá schémata k začlenění vlivu oblaků. Typický model například umožňuje uvažovat tři druhy oblaků (nízké, střední, vysoké), z nichž každý má předepsané hodnoty odrazivosti a propustnosti vůči záření. Pro oblak, který je výsledkem atmosférických pohybů velkého měřítka, je přítomnost anebo nepřítomnost oblaku v modelu určena tzv. prahovou hodnotou vlhkosti. Je-li relativní vlhkost vzduchu nad prahovou hodnotou (obyčejně kolem 90 %), považuje se oblak za existující; je-li vlhkost pod touto hodnotou, oblak se v modelu nevytvoří. Hodnota prahové vlhkosti se může stanovit experimentálně, abychom zajistili, že průměrná oblačnost se modeluje přibližně stejně jako ve skutečné atmosféře. Pro popis tvorby a vývoje konvektivní oblačnosti je třeba do modelu zahrnout zvláštní parametrizaci, tzv. konvektivní schéma. Neúplnost znalostí o zmíněné vazbě představuje v modelových předpovědích největší nejistotu.

Druhou důležitou zpětnou vazbou je vazba spojená s cirkulací v oceánech. Ve srovnání s globálním atmosférickým modelem je nejobtížnějším problémem při formulaci klimatického modelu zahrnutí vlivu oceánů. První modely, které zahrnovaly pouze povrchovou vrstvu oceánu, měly velmi omezené možnosti. Ke shodnějšímu popisu vlivu oceánů je nutné modelovat cirkulaci v oceánech a tento model propojit s modelem atmosférické cirkulace. Aby bylo možné současnou výpočetní technikou realizovat výpočty, nemohou být vzdálenosti mezi uzlovými body v horizontálním směru menší než asi 300 km.

Mezi oceánem a atmosférou dochází k výměně tepla, vody a ke tření. Sladká voda, jež vypadává z oblaků ve formě srážek, má na proudění oceánu také vliv – ovlivňuje rozložení soli, což ovlivňuje hustotu vody oceánu. Proto je klima popsané modelem velice citlivé k velikosti a lokalizaci výměny tepla vody na rozhraní oceánu a atmosféry.

Předtím, než je možné použít model k předpovědím, je nutné ho nechat přiměřeně dlouho běžet, než se dosáhne klimatu podobného současnému. Nejsou-li v modelu dostatečně správně formulovány výměny, vypočtené klima nesouhlasí s pozorovaným. Proto se v praxi zavádí přizpůsobení, aby se zjistilo, že klima modelové a současné se shodují.

Validace modelu

Po sestavení modelu bývá jeho schopnost předpovídat ověřena testy (tzv. validací). Ta se provádí třemi způsoby.

Za prvé může model počítat po dobu několika let a klima jím vytvořené je detailně srovnáváno se současným klimatem. Aby vyhovoval, musí se sezónní rozdělení a proměnlivost příslušných parametrů, jako je teplota, tlak vzduchu, srážky, shodovat s pozorovanými hodnotami. Současné klimatické modely, které se používají pro předpovědi, při takových zkouškách dobře obstály.

Druhým způsobem je porovnání modelu s paleoklimatickými informacemi – podmínkami značně odlišnými od současnosti. Například se může použít období před 9 000 lety, kdy byly jiné minimální a maximální vzdálenosti od Slunce a náklon osy Země. Díky těmto odlišnostem existovaly významné rozdíly v distribuci slunečního záření během celého roku. V průměru bylo množství energie v červenci dodávané Sluncem asi o 7% vyšší . Zabudují-li se změněné parametry do modelu, je výsledkem odlišné klima. Tyto simulované změny dobře souhlasí s paleoklimatickými údaji.

Třetí způsob, kterým se mohou modely ověřovat, je jejich použití k předpovídání účinku velkých poruch na klima. Docílilo se pokroku v předpovědích jevu El Nino až na jeden rok dopředu. Jiné krátkodobé poruchy jsou vyvolány sopečnými výbuchy. Několik běhů modelů bylo zrealizováno, při nichž bylo množství slunečního záření procházejícího atmosférou změněno tak, aby bylo možné popsat vliv sopečného prachu z filipínské sopky Pinatubo, která vybuchla v roce 1991. Po výbuchu následovaly klimatické anomálie, například velmi chladné zimy na Středním východě a mírné zimy v západní Evropě; modelování těchto výkyvů bylo úspěšné.

Výsledky modelů

Po formulaci modelu a jeho validaci se model může použít pro předpověď budoucího klimatu, především k předpovídání klimatických změn, k nimž by mohlo dojít následkem zvyšování koncentrace skleníkových plynů. Nejlepší klimatologické modely jsou ty, v nichž je proudění atmosféry a oceánu propojeno. Takové modely se používají ve světě na sedmi místech: dva jsou ve Spojených státech a po jednom ve Velké Británii, Německu, Francii, Kanadě a Austrálii. Výpočty těchto modelů se velice podobají.

Výsledek modelu z Velké Británie, který počítá se zvyšováním koncentrace CO₂ o 1% za rok podle scénáře „dále jako doposud“:

Pomalý start oteplování je pravděpodobně úměrný způsobu, jakým byl numerický model realizován. Vzhledem k tomu, že cirkulace v oceánech má velký vliv, je vzrůst teploty na severní polokouli mnohem větší než na polokouli jižní. Je zde také patrný tzv. pětadvacetiletý teplotní cyklus po 25 a 50 letech.