9. Klimatické scénáře 9.1 Klimatický scénář • pravděpodobné vyjádření budoucího klimatu, konstruované pro explicitní použití při studiu potenciálních dopadů antropogenní klimatické změny • musí zahrnovat antropogenně podmíněnou změnu klimatu a jeho přirozenou variabilitu • je obvykle kombinací scénáře klimatické změny s popisem stávajícího klimatu (vyjádřeného pozorováním) • nejde o předpověď budoucího klimatu, spíše o popis alternativ pravděpodobné budoucnosti se zřetelem na podmínky, za nichž se mohou vyskytnout • objasnění nejistot při určení možných omezení klimatické změny s ohledem na různé vývojové cesty. 9.2 Požadavky na klimatické scénáře • kolísají podle geografické oblasti, typu dopadů a účelu impaktních studií: a) klíčové proměnné: maximální a minimální teploty, srážky, sluneční záření, relativní vlhkost, rychlost větru (dále: koncentrace CO2, mořský led, tlak, hladina moře, frekvence bouřlivých přílivů) b) musí postihnout míru nejistoty – emise skleníkových plynů v budoucnosti, jejich konverze na koncentrace v atmosféře, odezva různých modelů na radiační působení, rozlišení modelů c) konzistence mezi jednotlivými komponentami scénářů d) vícenásobné scénáře k reflektování více zdrojů nejistot e) scénáře pro impaktní studie - kombinace odhadu klimatické změny s „baseline“ klimatologií f) prostorové a časové rozlišení. Základní období (baseline period) • jde o referenční období, od něhož se počítají odhadované budoucí změny klimatu (1961-1990 a jiné; ideální by bylo nějaké období v 19. století, kdy antropogenní efekt na klima byl zanedbatelný) • modelové odhady budoucí změny se aplikují na klima základního období (diference, poměry) • definuje současné klima, se kterým se obvykle kombinuje scénář klimatické změny. 9.3 Kritéria vhodnosti scénářů pro impaktní studie 1. Konzistence na regionální úrovni s globálními projekcemi • Scénáře změny regionálního klimatu mohou být mimo meze globálních změn, ale musí být v souladu s fyzikálními teoriemi a modelovými výsledky. 2. Fyzikální věrohodnost a reálnost • Změny klimatu musí být fyzikálně věrohodné, takže změny různých klimatických proměnných jsou vzájemně konzistentní a věrohodné. 3. Vhodnost informací pro odhady impaktů • Scénáře musí prezentovat klimatické změny ve vhodném časovém a prostorovém měřítku pro dostatečný počet proměnných a zahrnovat vhodný časový horizont použitelný pro odhady impaktů. 4. Reprezentativnost • Reprezentativnost potenciálního rozmezí budoucí regionální klimatické změny. 5. Dostupnost • Informace poskytované klimatickými scénáři musí být snadno dostupné a snadno použitelné v impaktních studiích. 9.4 Typy scénářů 9.4.1 Přírůstkové (inkrementální) scénáře • jednotlivé klimatické prvky se mění přírůstkově o předpokládané libovolné množství • některé uvažují konstantní změnu během roku, jiné sezónní a prostorové kolísání změn nebo změny v průměru i variabilitě • studium citlivosti exponované jednotky (systému) na široké spektrum kolísání klimatu před použitím scénářů založených na modelování • jsou jednoduché, ale mohou vyjadřovat nereálné změny nebo fyzikálně nekonzistentní kombinaci změn klimatických veličin • nemají přímou vazbu na působení skleníkových plynů na klima 9.4.2 Analogové scénáře 9.4.2.1 Prostorové analogony • oblasti, mající dnes klima, které je analogické předpokládanému klimatu ve studované oblasti v budoucnosti • často chybí shoda mezi klimatickými a neklimatickými rysy studované oblasti a prostorového analogonu • slouží spíše k ověření odhadu reakcí studovaného systému na změněné klima, které leží mimo změny dosud pozorované ve studované oblasti 9.4.2.2 Časové analogony • klimatické informace z minulosti jsou využity jako analogon možného budoucího klimatu a) Paleoklimatické analogony • odlišné příčiny změn klimatu v minulosti v porovnání se současností (regionální a sezónní změny klimatu mohou být odlišné) • nejistoty v paleoklimatických rekonstrukcích • citlivost na náhlé (abrupt) klimatické změny a minulé extrémy ENSO – informace o zranitelnosti ekosystémů b) Analogony založené na přístrojových pozorováních • metoda historických analogonů – rozdíly mezi teplými a chladnými obdobími • metoda historických korelací – vztahy mezi globálními teplotami a klimatickými charakteristikami v dané lokalitě • metoda cirkulačních typů (modů) – analýza vztahů cirkulace v teplých a studených obdobích k teplotě a ke srážkám • výhoda: tyto podmínky byly již pozorovány, jsou vnitřně konzistentní a fyzikálně věrohodné, citlivost a adaptace na dopady v minulosti • nevýhody: malá změna teploty, pozorované výkyvy souvisely s přirozenou variabilitou klimatu, nikoli s růstem koncentrací skleníkových plynů 9.4.3 Scénáře založené na výstupech klimatických modelů • klimatické modely různých měřítek a úrovní komplexity • lépe simulují velkorozměrná pole veličin ve volné atmosféře než lokální proměnné při zemském povrchu A) Scénáře založené na GCMs • GCMs - nejrozvinutější prostředky simulace odezvy globálního klimatického systému k měnícím se atmosférickým podmínkám • přechodové studie počítající s kontinuálním růstem koncentrací skleníkových plynů s použitím AOGCM • informace o změně jsou odvozeny z matematicko-fyzikálních modelů – reakce klimatického systému na zásahy do radiačních procesů v atmosféře se přímo počítá • omezení výstupů z AOGCM: a) velké zdroje nutné pro provádění experimentů a uchovávání výsledků, omezující rozsah experimentů b) hrubé prostorové rozlišení s ohledem na měřítko impaktů c) těžkosti s odlišením antropogenního signálu od šumu souvisejícího s přirozenou vnitřní variabilitou modelu d) odlišná citlivost různých modelů. B) Scénáře založené na jednoduchých modelech • jednoduché klimatické modely - zjednodušené modely, které umožňují reprodukovat velkoměřítkové chování AOGCM • výhoda: mnohonásobné simulace mohou být provedeny velmi rychle, což dovoluje studovat klimatické efekty alternativních scénářů radiačního působení, citlivosti klimatu a jiné parametrizační nejistoty. 9.4.4 Jiné typy scénářů a) extrapolace stávajících klimatických trendů pozorovaných v určitých oblastech, které se zdají být konzistentní s modelovými odhady klimatické změny (problém trendů) b) expertní odhad, kdy odhady budoucího klimatu se požadují od klimatologů a výsledky se zpracují do funkce hustoty pravděpodobnosti budoucí změny (subjektivita, výběr expertů) 9.5 Scénáře s větším časovým a prostorovým rozlišením • nesoulad mezi rozlišením GCMs (stovky km) a měřítkem regionálních impaktů Tři hlavní techniky sestavení klimatických scénářů s větším rozlišením: a) AOGCM časové řezy (AOGCM time-slice) • zvýšení rozlišení bez podstatného zvýšení nároků na výpočetní techniku • počítá se pro vybrané časové úseky modelem s vyšším rozlišením, počáteční a okrajové podmínky se berou z jiného experimentu • další alternativou je nepravidelná výpočetní síť uzlových bodů s největší hustotou v zájmové oblasti b) regionální klimatické modelování (vnořené neboli „nested“ modely, LAM – Limited Area Model) • výstupy z GCM představují počáteční a okrajové podmínky pro spuštění regionálního klimatického modelu (RCM) s rozlišením řádově desítek km (10-20 km), zatímco rozlišení GCM je o řád větší • RCM modifikuje reakci planetárního až subkontinentálního měřítka tak, aby byly zachyceny fyzikální vlivy topografie a nehomogenit zemského povrchu, které jsou pod rozlišovací úrovní GCM • regionalizace výstupů AOCGM – dynamický downscaling • RCM neodstraňují systematické chyby GCM • chybí zpětná vazba RCM – GCM, tedy působení procesů uvažovaných v RCM na GCM c) statistický downscaling • hledání vztahů mezi veličinami, které GCM lépe simulují (velkorozměrná pole ve volné atmosféře – prediktory) a veličinami potřebnými při studiu dopadů klimatických změn, které nejsou pomocí GCM spolehlivě simulovány (prediktanty) • downscaling probíhá ve třech krocích: - nalezení vazby mezi prediktory a prediktanty v pozorovaných datech - vztahy jsou uplatněny na prediktory v běhu GCM reprezentující současné klima (validace) - vztahy odvozené z pozorování jsou uplatněny na prediktory v běhu GCM pro zesílený skleníkový efekt • rozdíly ve scénářích aplikujících GCM výstupy a statistický downscaling mohou být dosti značné • statistický downscaling předpokládá, že regionální nebo lokální klima závisí na velkoprostorových charakteristikách stavu atmosféry • statistický downscaling musí splňovat tyto podmínky: - vztah prediktorů a prediktantů je dostatečně silný, tedy prediktory vysvětlují dostatečně velkou část rozptylu prediktantů - vztah mezi prediktory a prediktanty se s časem nemění a zůstane stejný i v podmínkách budoucího klimatu - použitý GCM je schopen dobře simulovat prediktor - prediktory plně reprezentují signál klimatické změny - samotný GCM neumí požadované veličiny reprodukovat s dostatečnou přesností d) stochastické generátory • jsou určeny ke generování jedné nebo více meteorologických charakteristik vztahujících se k jedné nebo více lokalitám • neřídí se rovnicemi fyzikálních procesů, ale rovnicemi popisujícími statistickou strukturu řad • nejčastěji jsou založeny na autoregresních modelech a Markovských řetězcích • model generátoru je zvolen tak, aby byly co nejlépe reprodukovány nejdůležitější statistické charakteristiky • rovnice modelu zahrnuje náhodný člen a parametry jsou odhadnuty z pozorování – následně se pomocí modelu a generátoru náhodných čísel generuje řada s podobnou strukturou jakou mají pozorovaná data • pro generaci řady pro změněné klima jsou parametry generátoru modifikovány v souladu se scénářem změny klimatu (podle měsíčních aditivních nebo multiplikativních změn jednotlivých veličin) Pattern scaling: regionální změny získané z určitého AOGCM se vydělí změnou průměrné globální teploty udávané tímto modelem a tyto standardizované změny se pak vynásobí změnou globálního průměru klimatických proměnných vypočítanou pomocí jednoduchých klimatických modelů pro široké spektrum scénářů emisí. Literatura: Houghton, J. T., Ding, Y., Griggs, D. J., Noguer, M., van der Linden, P. J., Xiaosu, D., eds. (2001): Climate Change 2001: The Scientific Basis. Cambridge University Press, Cambridge, 944 s. Huth, R. (2001): Využití statistického downscalingu při konstrukci scénářů změny klimatu v České republice. Část I. Metodické studie. Meteorologické zprávy, 53, č. 5, s. 129-136. Huth, R., Kyselý, J. (2001): Využití statistického downscalingu při konstrukci scénářů změny klimatu v České republice. Část II. Validace a konstrukce scénářů. Meteorologické zprávy, 54, č. 4, s. 97-104. Huth, R., Metelka, L., Halenka, T., Mládek, R., Huthová, Z., Janoušek, M., Kalvová, J., Kliegrová, S., Kyselý, J., Pokorná, L., Sedlák, P. (2003): Regionální klimatické modelování v České republice – projekt ALADIN-Climate. Meteorologické zprávy, 56, č. 4, s. 97-103. Kalvová, J. a kol. (2002): Globální klimatické modely a scénáře změny klimatu pro Českou republiku. In: Národní klimatický program České republiky, č. 32, Praha, s. 1-58.