Cursos de Verano de la Universidad de Cantabria. Proyección Regional de Escenarios de Cambio Climático. Técnicas y Proyectos en Curso

Transcripción

1 Cursos de Verano de la Universidad de Cantabria Proyección Regional de Escenarios de Cambio Climático. Técnicas y Proyectos en Curso Suances, Julio 2007 Los modelos climáticos globales Manuel de Castro ICAM-UCLM, Toledo

2 QUÉ SON LOS MODELOS CLIMÁTICOS GLOBALES? Son simuladores del sistema climático... SISTEMA CLIMÁTICO ATMÓSFERA HIDROSFERA CRIOSFERA BIOSFERA LITOSFERA... mediante la resolución de las ecuaciones de las leyes y principios de la Física que gobiernan los procesos en cada componente del sistema y los intercambios de energía y masa entre sí. MCGC: Modelos del Clima Global con acoplamiento

3 Componentes de de de un un un MCGC ESM ESM ECUACIONES DE LOS MODELOS CLIMÁTICOS GLOBALES Ecuaciones de evolución de variables de predicción Ecuaciones para resolver efectos de procesos subrejilla Ecuaciones para resolver procesos de intercambio ATMÓSFERA Ecuación termodinámica Ecuaciones de movimiento Ecuación continuidad Ecuación consv. agua Ecuación de estado Parametrización transf. radiativa Parametrización turbulencia Parametrización nubes y precip. Química atmosférica Calor sensible Evaporación GEIs Calor sensible Evaporación Radiación Precipitación Arrastre viento Radiación Precipitación Ecuación termodinámica Ecuaciones de movimiento Ecuación continuidad Ecuación sal Ecuación termodinámica Ecuación hidrológica Parametrización turbulencia Geo - química Hielo oceánico Hielo contin. Vegetación OCÉANO CONTINENTE

4 SISTEMAS DE ECUACIONES DE LOS MODELOS CLIMÁTICOS

5 CÓMO SE RESUELVEN LAS ECUACIONES? Aproximaciones numéricas: V t = m V s ΔV Δt m ΔV Δs ( + Δt) = V( t) + ΔV V t Discretizando la variación espacial en celdillas 3D(Δx, Δy, Δp) Discretizando la evolución temporal en intervalos finitos (Δt) Valores de variables en la celdilla (i, j, k) Viento (u, v) Temperatura (T) Presión (p) Humedad (q)... en el inicio de la simulación (t 0 ) Valores de variables en la celdilla (i, j, k) Viento (u, v) Temperatura (T) Presión (p) Humedad (q)... en un instante posterior (t 0 +Δt) ~ km atmosf. ~ km océano... y así se continua avanzando en pasos de tiempo Δt hasta completar el periodo de tiempo de simulación ( 250 años) Aumentar la resolución espacial requiere incrementar la resolución temporal

6 PARAMETRIZACIONES Las ecuaciones numéricas sólo pueden resolver adecuadamente los procesos meteorológicos cuyo tamaño sea mayor al de las celdillas del modelo Los efectos de estos procesos atmosféricos de escala subrejilla deben ser deducidos a partir de variables pronosticadas por el modelo (T, q, p, r,...)

7 POR QUÉ SE DEBEN UTILIZAR SUPERORDENADORES? Cálculo necesario para realizar una simulación climática global de 250 años con un MCGC actual (resolución : ~ 300 x 300 km atmosf., ~ 100 x 100 km océano) Discretización espacial : celdillas Discretización temporal : Δt 1800 s Número de iteraciones : Número de variables de predicción : 10 Número de ecuaciones a resolver : Cada ecuación tiene varios términos : 10 Resolver cada término requiere muchos cálculos 10 2 Las parametrizaciones necesitan 10 veces más de cálculo Número de operaciones matemáticas simples: Para ejecutar flop en aprox. 2 meses 1 Tflops

8 Modelos climáticos globales en el AR4-IPCC

9 CÓMO SE EJECUTAN LOS MODELOS CLIMÁTICOS? SPIN-UP SPIN-UP y CONTROL Simulación de cientos de años con [CO2] = 280 ppmv constante hasta que océano -atmósfera-hielo se acoplan (SPIN-UP). Una simulación continua así hasta el año 2100 (CONTROL) para examinar la variabilidad interna del modelo PERIODO de EVALUACION Otra simulación de 1860 a 2000 con el incremento observado de GEIs y sulfatos para evaluar la capacidad del modelo de reproducir la tendencia observada de la temperatura global. El clima actual ( ) se toma como referencia para derivar escenarios de cambio climatico. ESCENARIOS Simulaciones desde 2000 suponiendo diversas evoluciones de emisiones de GEIs y sulfatos. Para construir los escenarios se calcula la diferencia entre la simulación de clima actual y la de cualquier periodo futuro.

10 CÓMO SE EVALÚAN LOS MODELOS CLIMÁTICOS? Comparación entre resultados de simulaciones con condiciones de clima pasado ( ) y observaciones climatológicas Sensibilidad en la respuesta del modelo cuando se alteran ciertas suposiciones clave Simulación de condiciones paleoclimáticas (eras glaciales e interglaciales)

11 EVALUACIÓN DE LOS MODELOS CLIMÁTICOS Comparación entre resultados de simulaciones con condiciones de clima pasado ( ) y observaciones climatológicas Simulaciones vs. observación Evolución de la temperatura media global (anomalías respecto al promedio de ) IPCC 2007: WG1-AR4

12 EVALUACIÓN DE LOS MODELOS CLIMÁTICOS Programa para el Diagnóstico e Intercomparación de Modelos Climáticos www-pcmdi.llnl.gov/ipcc/about-ipcc.php Temperatura media en invierno (DEF) y verano (JJA) boreales Climatología (referencia) y promedio de 11 MCGC (media modelos)

13 EVALUACIÓN DE LOS MODELOS CLIMÁTICOS Programa para el Diagnóstico e Intercomparación de Modelos Climáticos www-pcmdi.llnl.gov/ipcc/about-ipcc.php Temperatura media en invierno (DEF) y verano (JJA) boreales. Climatología (referencia) y diferencia con promedio de 11 MCGC (media modelos - referencia)

14 EVALUACIÓN DE LOS MODELOS CLIMÁTICOS Programa para el Diagnóstico e Intercomparación de Modelos Climáticos www-pcmdi.llnl.gov/ipcc/about-ipcc.php Precipitación media en invierno (DEF) y verano (JJA) boreales Climatología (referencia) y promedio de 11 MCGC (media modelos)

15 EVALUACIÓN DE LOS MODELOS CLIMÁTICOS Programa para el Diagnóstico e Intercomparación de Modelos Climáticos www-pcmdi.llnl.gov/ipcc/about-ipcc.php Precipitación media en invierno (DEF) y verano (JJA) boreales. Climatología (referencia) y diferencia con promedio de 11 MCGC (media modelos - referencia)

16 PARA QUÉ SE APLICAN LOS MODELOS CLIMÁTICOS? Atribución Qué responsabilidad tienen las actividades humanas en el cambio climático observado? Sensibilidad Cómo responde el sistema climático global a diversos forzamientos? Escenarios Cómo podría cambiar el clima futuro a causa de actividades humanas? Mitigación Qué actuaciones serían razonables para mitigar la alteración global del clima? Impacto Qué impactos regionales provocaría el proyectado cambio de clima?

17 LA ATRIBUCIÓN DEL CAMBIO CLIMÁTICO Simulaciones de modelos climáticos con forzamientos naturales + antropogénicos Simulaciones vs. observación Evolución de la temperatura media global (anomalías respecto al promedio de ) Sólo con forzamientos naturales 58 simulaciones con 14 modelos Promedio de todas las simulaciones Observaciones 58 simulaciones con 14 modelos Promedio de todas las simulaciones Observaciones IPCC 2007: WG1-AR4

18 LA ATRIBUCIÓN DEL CAMBIO CLIMÁTICO

19 ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO Los modelos son capaces de simular con una fiabilidad razonable la evolución futura del clima, forzados por diversos escenarios de emisiones (hipótesis sobre cuanta cantidad de GEIs podrían seguir emitiendo las actividades humanas en el futuro, según criterios socio-económicos) Escenarios de emisiones (IPCC-SRES)

20 ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO Los modelos son capaces de simular con una fiabilidad razonable la evolución futura del clima, forzados por diversos escenarios de emisiones (hipótesis sobre cuanta cantidad de GEIs podrían seguir emitiendo las actividades humanas en el futuro, según criterios socio-económicos) IPCC 2007: WG1-AR4

21 ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO IPCC 2007: WG1-AR4 Promedios multi-modelo de cambio de temperatura media anual respecto a en escenarios B1, A1B y A2

22 ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO Promedios multi-modelo de cambios estacionales en respecto a en escenario A1B DJF DJF DJF JJA JJA JJA IPCC 2007: WG1-AR4 Temperatura Precipitación Presión superf.

23 ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO Promedios multi-modelo de cambios de eventos extremos en respecto a en escenario A1B IPCC 2007: WG1-AR4

24 ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO Incertidumbres ΔT

25 ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO Incertidumbres DJF precipitation change (%) 2080 s minus Present Day

26 ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO Incertidumbres Condiciones iniciales (sistema caótico ) Representacion de procesos clave en los modelos (aproximaciones numéricas, parametrizaciones, comprensión física) Resolucion espacial de los modelos globales Emisiones antropogénicas futuras (GEI + SUL)

27 ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO Incertidumbres Concepto clave: Más coincidencia entre resultados Menos incertidumbre en las proyecciones Ensemble de modelos Escenarios probabilistas

28 ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO Escenarios probabilistas de cambio climático Probabilidades de que en el escenario A1B la temperatura superficial en exceda en 2ºC a la de IPCC 2007: WG1-AR4

29 ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO Escenarios probabilistas de cambio climático Probabilidades de cambios en función del porcentaje de simulaciones cuyos resultados coinciden IPCC 2007: WG1-AR4

30 ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO Incertidumbre Evaluación de riesgo Riesgo = probabilidad consecuencia Ensemble modelos climáticos Criterios políticos Mitigación Los Evaluación escenarios de de riesgo cambio climático deben generarse utilizando un conjunto Adaptación de simulaciones realizadas por diversos modelos

31 MITIGACIÓN DEL CAMBIO CLIMÁTICO Cuánto y cuando habría que reducir las emisiones de GEIs para que el calentamiento global no sobrepase un determinado umbral a final de siglo? Se podría esperar al segundo tercio de siglo para reducir las emisiones de GEIs? pdf de los cambios de T global simulados por un conjunto de AOGCM Escenario B1 PROBLEMA Han de pasar muchos años para que una reducción en las emisiones de algunos GEIs se traduzca en una disminución de su concentración media en el aire Cambios relativos de la concentración de CO2 en el caso de que sus emisiones se redujeran ciertos % a partir del año 2000 y se estabilizaran en tales valores Escenario A1B Escenario A2

32 IMPACTOS DEL CAMBIO CLIMÁTICO Por su baja resolución espacial, los escenarios de cambio climático de los modelos globales no deben aplicarse directamente para evaluar impactos a escala regional (IPCC, 2001). Regionalización de resultados de modelos globales Downscaling estadísticos Modelos climáticos regionales

33 Consideraciones finales Los modelos climáticos se basan en la resolución de ecuaciones matemáticas que describen la física de los procesos fundamentales que determinan el clima Los resultados de las simulaciones de clima se asemejan razonablemente a los valores climatológicos Los modelos ofrecen confianza sobre su capacidad para simular escenarios de clima futuros Hay incertidumbres porque los modelos son representaciones aproximadas de la realidad Se deben cuantificar las incertidumbres usando un conjunto de simulaciones con uno o varios modelos Para evaluar los impactos inducidos por el cambio climático se deben aplicar técnicas de regionalización a los resultados de los modelos globales