Výskum zmeny klímy

#17: Výskum historických zmien klímy – paleoklimatológia, historická klimatológia a analýzy časových radov

Základným problémom paleoklimatológie a historickej klimatológie je zväčšujúci sa nedostatok relevantných historických zdrojov a indikátorov vo vzdialenejšej histórii Zeme. Ak sa pri rekonštrukcii historickej klímy dostávame späť v čase pred obdobie prístrojových pozorovaní, je nevyhnutné použiť tzv. proxy údaje. Sú to akékoľvek údaje (kvalitatívneho alebo kvantitatívneho charakteru), ktorých hodnoty a zmeny dostatočne významne korešpondujú s klimatickými podmienkami a ich zmenami. Využitie proxy údajov je limitované schopnosťou paleoklimatológa presne kvantifikovať vzťah medzi hodnotami proxy údajov a hodnotami vybraných klimatických elementov, ako napríklad priemernou ročnou alebo sezónnou teplotou vzduchu, prípadne atmosférickými zrážkami a ich režimom a pod. Definovanie týchto nevyhnutných vzťahov sa darí dosiahnuť pomocou laboratórnych alebo iných experimentov (napr. závislosť pomeru izotopov kyslíka 18O a 16O
od teploty vzduchu, závislosť veľkosti úrody od teploty vzduchu a atmosférických zrážok a pod.). Akonáhle dokážeme presne definovať uvedené vzťahy - korelácie, je potrebné ich testovať na vzorkách odpozorovaných klimatických údajov, odlišných od tých, ktoré boli použité pri vytvorení týchto zákonitých vzťahov. Následne sa môžu proxy údaje použiť na kvantifikáciu klimatických elementov vo vybranom časovom období a pre vybranú lokalitu. Zvyčajne si paleoklimatologická rekonštrukcia vyžaduje dlhodobú prax. Objaviť a správne interpretovať klimatický signál z časových radov proxy údajov je mimoriadne náročné.
Proxy údaje, ktoré je možné pri paleoklimatickej rekonštrukcii použiť, je veľké množstvo a majú rôznu povahu
a charakter. Majú schopnosť špecifikovať všeobecné klimatické podmienky v rôznych časových škálach. Tu je ich zjednodušený výber a kategorizácia:
  1. Historické záznamy - ide prevažne o písomné záznamy z obdobia stredovekej Európy a dynastického obdobia Číny. Najčastejšie obsahujú informácie týkajúce sa veľkosti úrody obilnín (zvyknú byť uvádzané príčiny zlých úrod a pod.), kvality vinnej révy a objemu zozbieraného hrozna. Medzi najstaršie záznamy tohto charakteru patria záznamy dátumov kvitnutia čerešní (Čína).
  2. Záznamy letokruhov stromov (dendrochronológia) - ide o jedny z najkvalitnejších proxy záznamov dostupných v prírode. Každoročne závisí hrúbka novovytvoreného dreva v kmeni stromu od priebehu poveternostných podmienok vo vegetačnom období. V suchých regiónov sveta závisí hrúbka nového dreva (jedného letokruhu) od množstva atmosférických zrážok, naopak v chladných regiónov závisí viac od teploty vzduchu v lete a pod.
  3. Jazerné sedimenty - ide o významné zdrojové proxy údaje, a to predovšetkým v oblastiach so zreteľným striedaním suchších a vlhších sezón, počas ktorých dochádza k zmenám sedimentačnej činnosti riek
    a vodných tokov. Jazerné sedimenty sa vytvárajú každoročne. Sú v nich obsiahnuté, okrem hornín,
    aj ďalšie významné elementy, akými sú napríklad semená tráv, peľové zrnká, kmene stromov a pod.
  4. Ľadovcové jadrá - sú významným zdrojom informácií pri rekonštrukcií ročných priemerov teploty vzduchu, atmosférických zrážok, prípadne chemického zloženia vzduchu pochádzajúceho zo starších geologických dôb.
  5. Peľové zrnká (palynológia) - podobne ako v prípade jazerných sedimentov ide aj v tomto prípade
    o významný zdroj klimatických informácií. Sedimentácia peľových zŕn však nie je obmedzená len
    na jazerné panvy. Vďačným objektom palynologických analýz môže byť akákoľvek sedimentačná oblasť (panva) v horninovom prostredí (nivné a terasové akumulácie vodných tokov, akumulácie spraší, piesku a pod.) Peľové zrná sú najčastejšie datované pomocou rádiokarbónovej metódy (študuje sa pomer rádioaktívneho uhlíka k jeho inertným formám). Na základe tohto pomeru je možné potom vypočítať približný vek vzorky.
  6. Sedimenty spraší - usadzovanie jemného, pieskovitého až prachovitého materiálu mimo územia pôvodu tohto materiálu (prevažne v zrážkovo bohatších regiónov). Na základe vrstiev spraší je možné určiť paleomagnetickou analýzou ich vek a pôvod.
  7. Oceánske vrty - sedimenty získavané z hĺbky okolo 5000 metrov nám poskytujú významné informácie o dávnych podmienkach povrchových vôd oceánov, predovšetkým o teplote vody a jej salinite (pomocou analýzy pomeru izotopov kyslíka v karbonátoch lastúr a vápenatých schránkach dierkavcov, ktoré pôvodne žili v povrchových vodách oceánov).
  8. Koraly - ich rozšírenie je limitované veľmi špecifickými klimatickými podmienkami - teplotou morskej vody, salinitou a pod. O prítomnosti koralových schránok v horninových vrstvách môžeme povedať,
    že v období zodpovedajúcemu danej vrstve prevládalo veľmi teplé podnebie.
  9. Paleoaerosoly - sedimentované v paleopôdach uchovaných v horninovom prostredí sedimentárnych vrstiev. Poskytujú dôležité informácie o klimatických podmienkach a poveternostných podmienkach
    ich vzniku a uloženia.
  10. Geomorfologické útvary - vytváranie a genéza veľmi špecifických tvarov reliéfu nám poskytuje významný informačný kľúč k identifikácií dlhodobých klimatických podmienok, počas ktorých tieto formy reliéfu vznikali (napríklad: glaciálne formy reliéfu môžu vznikať len za určitých teplotných
    a vlhkostných podmienok, kedy podnebie umožňuje vytváranie ľadovcových polí a horských ľadovcov).

#18: Výskum budúcej zmeny klímy – klimatické modelovanie

Globálne klimatické modely (GCMs)

Globálne cirkulačné modely (general circulation models / global climate model GCMs) predstavujú esenciálny nástroj pre štúdium globálneho klimatického systému a tvorbu scenárov budúcej klímy ovplyvnenej prebiehajúcou zmenou klímy. Na rozdiel od modelov používaných na predpoveď počasia sú GCMs pravdepodobnostné,
čo znamená, že nedefinujú presné hodnoty, ale len pravdepodobnosť, že budú v danej lokalite napríklad prevládať teplejšie alebo vlhkejšie podmienky.
Vo všeobecnosti sa skladajú z niekoľkých navzájom prepojených samostatných zložiek - modelu atmosféry, oceánu, povrchu pôdy, biosféry, morského ľadu, chemizmu atmosféry a ďalších. Ich cieľom je vo všeobecnosti
čo najpresnejšie simulovať prenos energie a materiálov v klimatickom systéme Zeme na základe výstupov
z numerického riešenia diferenciálnych rovníc pohybových a termodynamických zákonov. Vlastné numerické iterácie riešení diferenciálnych rovníc prebiehajú v rôznych hladinách v gridových bodoch, ktoré rozdeľujú povrch Zeme na trojrozmernú mriežku buniek. Výsledky procesov modelovaných v každej bunke sa prenášajú
do susedných gridových buniek, aby sa tak modelovala výmena hmoty a energie  v priebehu času. Veľkosť bunky gridovej mriežky určuje rozlíšenie modelu, t. j. čím menšia je veľkosť buniek mriežky, tým vyššie je rozlíšenie modelu a dosiahnutá je aj vyššia úroveň podrobností terénu. Podrobnejšie modely majú viac buniek mriežky, takže potrebujú viac výpočtového výkonu. Vzdialenosti jednotlivých vertikálnych hladín určujú vertikálne rozlíšenie modelu (súčasné GCMs majú 25- 40 hladín v atmosfére a 20 - 30 hladín v oceáne). Do komplexnosti výpočtu vstupuje aj prvok času - časový krok. Časové kroky predstavujú rozkúskovanú nespojitú modelovú časovú os. Najbežnejším prístupom je použitie časovej iterácie, kedy model berie informácie o klíme, ktoré má
z predchádzajúcich a súčasných časových krokov, na extrapoláciu stavu v nasledujúcom kroku, pričom môžu byť v minútach, hodinách, dňoch alebo aj rokoch. Vyššie časové rozlíšenie si však vyžaduje ďalší výpočtový výkon. Akonáhle je klimatický model nastavený, môže byť validovaný spustením historického behu, keď sa model spustí zo súčasného času späť do minulosti. Výsledky modelu sa potom porovnajú s pozorovanými klimatickými podmienkami, aby sa zistilo, do akej miery sa zhodujú. Validácie sa väčšinou vykonávajú pre druhú polovicu
20. storočia, pretože z tejto doby už máme k dispozícii dostatočne kvalitné a podrobné validačné dáta.
Akonáhle sú GCMs zvalidované, ich modelové výstupy pre simuláciu budúcej klímy sa tiež považujú za platné. Na výpočet klimatických projekcií sa používajú scenáre možného vývoja budúcnosti. Aktuálne sú ako scenáre používané Reprezentatívne smery vývoje koncentrácií (Represantative Contretration Pathways – RCPs), podľa očakávaného celkového zosilnenia skleníkového efektu vo Wattoch na meter štvorcový v roku 2100 v porovnaní s rokom 1750. Tieto scenáre sa pozerajú na to, ako sa môže klíma zmeniť od súčasnosti do roku 2100 a ďalej. Taktiež berú do úvahy spektrum možného vývoja v oblastiach, ktoré ovplyvňujú budúce emisie skleníkových plynov, ako je napríklad populačný a ekonomický rast alebo správanie sa v poľnohospodárstve, pričom je ich komplikované predpovedať. Tieto scenáre preto pokrývajú širokú škálu možných budúcností, od pesimistických budúcností bez zmeny prístupu - “bussiness as usual“ s vysokými emisiami, kde sa vykonávajú malé alebo žiadne mitigačné opatrenia (RCP6.0 a RCP8.5), až po svet, v ktorom agresívne opatrenia obmedzia otepľovanie
na nie viac ako 2 °C (RCP2.6). Scenáre RCPs vychádzajú z kombinácie integrovaných hodnotiacich modelov, jednoduchých klimatických modelov, modelov chemických procesov v atmosfére a modelov uhlíkového cyklu.

V súčasnosti vyvíja klimatické modely viac ako 20 centier, pričom viaceré z nich súčasne pracujú na viacerých modeloch. Ako príklad môžeme uviesť napríklad modely HadGEM3 od britského Met Office, GFDL ESM2M
od americkej NOAA alebo ECHAM6 od nemeckého Inštitútu Maxa Plancka. Keďže GCMs vyvíja veľké množstvo inštitúcií, tak existuje riziko, že každá pracovná skupina bude ku modelovaniu pristupovať odlišne, čím sa výrazne zníži možnosť vzájomne porovnávať výstupy daných modelov. Práve preto vznikol projekt CMIP (Coupled Model Intercomparison Project), v rámci ktorého sú integrované najnovšie verzie globálnych cirkulačných modelov. Súčasne aktívne projekty CMIP5 a CMIP6 bežia pod gesciou WRCP (https://www.wcrp-climate.org/wgcm-cmip/wgcm-cmip6) a poskytujú gridované údaje z približne 50 GCMs pre 45 fyzikálnych parametrov atmosféry a oceánov. Prehľad dostupných výstupov GCMs, ako aj parametrov pre jednotlivé regionálne domény a vybrané časové obdobia (kontrolná historická klíma a scenáre budúcej klímy pre vybrané RCPs emisné scenáre) možno nájsť napríklad aj na stránke NOAA: https://www.esrl.noaa.gov/psd/ipcc/ocn/ccwp.html.

Regionálne klimatické modely (RCMs)

Modelová simulácia v prípade regionálnych klimatických modelov (RCMs) nie je počítaná globálne, ale prebieha len na obmedzenej oblasti. Zmenšenie záujmovej oblasti  umožňuje modelu pracovať s väčším priestorovým
a časovým rozlíšením. Predpokladá sa pritom, že RCM dokáže vďaka vstupným okrajovým podmienkam z GCM poskytnúť informáciu konzistentnú s výstupmi z veľkopriestorového globálneho modelu.

Jedným z hlavných nedostatkov RCMs  sú problémy s reprodukciou priemerných hodnôt jednotlivých meteorologických prvkov. Vyplývajú z nepresností vo vstupných fyzikálnych parametroch (albedo, tepelná vodivosť a kapacita zemského povrchu) a komplikovaných parametrizácií v matematických formuláciách jednotlivých fyzikálnych procesov v atmosfére a na zemskom povrchu. Podobne ako pri každom modelovaní,
aj klimatické modelovanie použitím RCMs je zaťažené celým radom neistôt a odchýlok – biasov, ktoré vyplývajú napríklad z definovania počiatočných a okrajových podmienok alebo zo schémy použitej na parametrizáciu fyzikálnych procesov. Neistoty v modelových simuláciách možno analyzovať vzájomným porovnaním viacerých modelových behov - ansámblov (napr. v rámci CMIP5). Na odstránenie priestorových alebo časových biasov modelových simulácií (v porovnaní s reálne meranými in-situ údajmi) a posúdenie výkonnosti jednotlivých RCMs je potrebná ich validácia využitím kontrolného behu modelu, v rámci konkrétne vybraného historického obdobia (najčastejšie obdobie 1961 - 2020 alebo 1981 - 2020, prípadne iné).

V rámci odbornej komunity sa v súčasnosti vyvíjajú viaceré koordinované aktivity v oblasti regionálneho modelovania. Ako príklad veľkých národných a nadnárodných projektov môžeme uviesť - “Modelové predpovede klimatickej zmeny a jej dopadov založené na ansámblových predpovediach“ - PRUDENCE, ENSEMBLES (Ensembles-Based Predictions of Climate Changes and Their Impacts; van der Linden a Mitchell, 2009), Regionálny program hodnotenia klimatických zmien v Severnej Amerike - NARCCAP (North America Regional Climate Change Assessment Program) a z tých novších napríklad aj “Koordinovaný regionálny experiment
v klimatickom downscalingu“ - CORDEX (Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment; Giorgi et al., 2006). Projekt CORDEX (http://wcrp-cordex.ipsl.jussieu.fr/), ktorý je sponzorovaný organizáciou Svetový výskumný klimatický program WRCP (World Climate Resesrch Program), momentálne predstavuje najvýznamnejšiu výskumnú iniciatívu v oblasti globálneho/regionálneho modelovania, pričom pokrýva plochu celej planéty pomocou 14 regionálnych domén - oblastí. Jedna z týchto domén je špecificky venovaná oblasti Európy ako EURO-CORDEX (www.euro-cordex.net).