Transcript Wyklad2 - Instytut Geofizyki

Fizyka Klimatu Ziemi
Wykład monograficzny: 2
Monitoring zmian
klimatycznych
Krzysztof Markowicz
Instytut Geofizyki
Uniwersytet Warszawski
[email protected]
www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Monitoring zmian klimatycznych
•
•
•
•
Badania paleoklimatyczne
Naziemna i morska sieć obserwacyjna
Sieć obserwacji radiosondażowych
Obserwacje satelitarne
2
Badania paleoklimatyczne – rekonstrukcje
klimatyczne
Badania na podstawie:
• Słojów drzew
• Rdzeni lodowych
• Osady
• Datowanie radioaktywnym węglem
3
Rdzenie lodowe
• Uwięzione pęcherzyki powietrza w lodzie są źródłem informacji
o składzie atmosfery
• Zmiany grubości warstw lodu świadczą o opadach i
temperaturze powietrza
• Zmienność zawartości izotopu tlenu w lodzie (δ18O) mówi o
zmianach średniej temperatury powierzchni oceanów (SST).
Cząsteczki wody zawierające cięższe izotop (δ18O) parują w
wyższej temperaturze niż molekuły zawierające normalny tlen
(δ16O). Tak więc, stosunek δ18O do δ16O rośnie ze wzrostem
SST
• Fragmenty roślin zawarte w lodzie świadczą o temperaturze i
opadach w okresie w którym zostały w nim uwiezione.
• Pył wulkaniczny uwięziony w rdzeniach lodowych jest używany
do szacowania czasu tworzenia danej warwy. Każdy wulkan
emituje cząstki o różnym składzie chemicznym, kształcie, 4
Metoda dendrochronologiczna
• Wykorzystuje sposób przyrostu słojów drzew w zależności od
warunków klimatycznych, cech podłoża i aktywności słonecznej.
• W dendrochronologii wykorzystuje się pnie drzew ściętych
współcześnie oraz pnie starsze, pochodzące ze starych budynków,
zachowane w torfowiskach itp.
• Porównując wzorzec słojów z pni o różnym wieku, pochodzących z
tego samego obszaru, można określić sekwencję pierścieni
przyrostowych za czas znacznie przekraczający długość życia
pojedynczego drzewa.
• Sporządzono skale dendrologiczne służące do dokładnego
datowania próbek drewna, najdłuższe liczą w Europie 7272 lata
(dęby z Irlandii), w Ameryce - ok. 10 tys. lat (sosna oścista w USA).
Najdłuższa rekonstrukcja zmian klimatu (średniej temperatury lata
za ostatnie 1400 lat) opiera się na analizie dendrochronologii sosny
zwyczajnej (Pinus silvestris), rosnącej w północnej Szwecji.
5
Metoda iłów warwowych
• polega na badaniach osadów na dnie jeziora
zastoiskowego (jezioro takie tworzy się na przedpolu
lodowca).
• W ciągu roku powstają dwie warstwy osadów: letnia jest
jaśniejsza i grubsza - tworzy się w warunkach
utleniających (rozwój planktonu, promieniowanie
słoneczne, falowanie) i składa się z ilastego osadu
kwarcowego, z domieszką frakcji grubszych, a zimowa
jest ciemniejsza i cieńsza - powstaje w warunkach
redukujących (zamarznięcie zastoiska, brak falowania i
dopływu energii słonecznej, obumieranie planktonu) i
składa się z minerałów ilastych, z domieszką tlenków
żelaza powodujących jej ciemne zabarwienie.
• Ilość warw pozwala na określenie czasu istnienia jeziora 6i
tempa recesji lodowca
Metody radioizotopowe -węgiel
Izotopy węgla obecne występują w następujących
proporcjach:
• C12 -98,89% (stabilny)
• C13 -1,11% (stabilny)
• C14 -0,0000000001% (radioaktywny)
Okres połowicznego rozpadu C14 wynosi 5730 lat
plus/minus 40 lat.
Izotop ten jest produkowany w górnej troposferze i
dolnej stratosferze poprzez promieniowanie
kosmiczne atomów azotu.
Roślina w procesie fotosyntezy pobierająca z atmosfery
dwutlenek węgla wchłania też odpowiednią ilość węgla-14
Gdy potem ginie, przestaje wchłaniać dwutlenek węgla, a
udział węgla -14zaczyna stopniowo maleć.
7
• Metoda węgla-14 zakłada zatem, że po pierwsze tempo
produkcji węgla-14 w górnych warstwach atmosfery jest
niemal stałe, a po drugie- tempo wchłaniania węgla-14 przez
organizmy żywe jest bez porównania większe od tempa jego
rozpadu. Wydaje się, że obydwa te założenia są
uzasadnione.
Niepewności datowania węglem
Wpływ przemysłu
Od mniej więcej roku 1890 różnego rodzaju fabryki i maszyny
wyemitowały do atmosfery znaczne ilości dwutlenku węgla.
Ponieważ paliwa używane przez człowieka są pochodzenia
organicznego (ropa naftowa, węgiel) i są bardzo stare, nie
zawierają one C14, a ich spalanie powoduje jedynie emisję
zwykłego dwutlenku węgla 12 - brak dwutlenku węgla 14.
Obliczono, że w latach 1890-1959 zawartość dwutlenku
węgla 14 w atmosferze zmalała o około 2%.
8
Zmiany klimatu w skali geologicznej
9
Źródło wikipedia
Stanowisko Komitetu Nauk Geologicznych
Polskiej Akademii Nauk
w sprawie zagrożenia globalnym ociepleniem
rekonstrukcji EPICA
10
Monitoring Środowiska
Monitoring – to system wielokrotnych obserwacji
parametrów zmiennych w czasie i przestrzeni mający
określony program badawczy.
GEMS - Globalny System Monitoringu
EEA - Europejska Agencja Ochrony Środowiska
EMEP - Europejski program monitoringu i Oceny
Transportu Zanieczyszczeń Powietrza na Dalekie
Odległości
WMO- Światowa organizacja meteorologiczna
TEGIMO – Komisja techniczna
Typy badań (pomiarów) środowiska
1)
2)
In Situ – pomiary w miejscu (ustalone
,,h,t)
Metody teledetekcyjne (zdalne) przy wykorzystaniu fal
elektromagnetycznych (mikrofale, ultrafiolet,
promieniowanie widzialne i podczerwone) fale akustyczne.
Pozwalają wyznaczyć rozkład przestrzenny parametru
Zarys historii pomiarów meteorologicznych
• 1612 termoskop- przyrząd do mierzenia różnic
temperatur
• 1643 Torricelli konstruuje barometr rtęciowy
• 1644 pierwszy termometr (bez skali)
• 1714 pierwsza skala Fahrenheita
• 1736 Celsius konstruuje nowa skale
• 1783 Powstaje higrometr włosowy
• 1825 August buduje psychrometr
• 1892 pierwsze pomiary balonowe
• 1928 pierwsza radiosonda
• 1960 wystrzelenie I satelity meteorologicznego
Rozwój sieci obserwacyjnej w Polsce
• 1964 demonstracja barometru rtęciowego w Warszawie
• 1654 pierwsza meteorologiczna sieć pomiarowa, sieć
florentyńska (11 stacji)
• Od 1779 zachowały się dane pomiarowe z terenów
Warszawy prowadzone na tarasie zamku królewskiego
(ciśnienie, wiatr, zachmurzenie i temperatura powietrza)
• 1781 działa 30 stacji meteorologicznych w Europie w
tym jedna w Polsce (Żagan)
• 1792 Zaczyna działać obserwatorium astronomiczne
Uniwersytetu Jagiellońskiego
• Od 1825 Obserwatorium astronomiczne w Warszawie
prowadzi nieprzerwane obserwacje meteorologiczne
• W latach 1886-1915 Muzeum przemysłu i rolnictwa w
Warszawie prowadzi serie obserwacji
meteorologicznych
• 1932 powstaje stacja na Okęciu
• 1938 stacja na Bielanach
• 1959 Stacja na Uniwersytecie Warszawskim
Miejsce obserwacji meteorologicznych In-Situ
• Ogródek meteorologiczny o minimalnych rozmiarach 10x15 m.
• Obszar otwarty i reprezentacyjny dla danego (jak największego)
obszaru.
• Pokrycie terenu niska trawa
• Oddalony od przeszkód terenowych (dokładne informacje
specyfikuje WMO)
Położenie ogródka
• w odległości 30 m od ogródka nie mogą znajdować
się żadne budowle, drzewa, krzewy oraz uprawy
sztucznie zraszane;
• w odległości ponad 30 m od ogródka mogą stać małe
pojedyncze obiekty np. parterowy dom czy drzewo,
jednak ta odległość nie może być mniejsza niż 10-cio
krotna ich wysokość;
• w odległości ponad 100 m od ogródka może być
luźna zabudowa i małe grupy drzew
• w odległości ponad 300 m od ogródka mogą
znajdować się zwarte zespoły drzew (sady i parki);
• w odległości co najmniej 500 m od ogródka mogą
stać już wielopiętrowe bloki mieszkalne.
Typy stacji
•
•
•
•
1.
2.
3.
4.
5.
Meteorologiczne (około 60 w Polsce) –
wykorzystywane głownie przez służby
meteorologiczne WMO. Obserwacje prowadzone co
godzinę
Posterunki meteorologiczne (około 260). Obserwacje 3
razy w ciągu doby (06 12 18 UTC)
Posterunki opadowe (około 2300) pomiary wysokości
opadu i pokryw śnieżnej o godzinie 06 UTC
Stacje specjalne:
Aerologiczne (3 w Polsce)
Agrometeorologiczne
Biometeorologiczne
Fenologiczne
naukowe
Współczesne zmiany klimatu
Jones and A. Moberg (2003). , Journal of Climate, 16: 206-223
19
global average temperatures as compiled by the Climatic Research Unit of the University of East
Anglia and the Hadley Centre of the UK Meteorological Office. Data set HadCRUT3 was used.
HadCRUT3 is a record of surface temperatures collected from land and ocean-based stations. (Brohan
et al., 2006). "Uncertainty estimates in regional and global observed temperature changes: a new
dataset from 1850". J. Geophysical Research 111: D12106. The zero on this figure is the mean 20
temperature from 1961-1990.
NASA GISS Surface Temperature Analysis (GISTEMP)
21
Anomalie temperatury powierzchni Atlantyku w obszarze
tropikalnym
4/13/2015
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Rekonstrukcje klimatyczne
• GISS (Goddard Institute for Space Studies)
• HadCRUT3 (Met Office Hadley Centre observations
datasets). Konserwatywna seria danych w której nie
interpoluje się danych w obszarach braku stacji
pomiarowych (ok. 20% powierzchni w szczególności
obszary Arktyki gdzie zmiany klimatu są najszybsze)
• UAH (University of Alabama in Huntsville satellite
temperature dataset)
• RSS (Remote Sensing Systems, prywatna firma z Santa
Rosa, California)
• NCEP-NCAR - re-analiza
• ERA40 - re-analiza ECMWF
23
24
Porównanie trendów temperatury z różnych baz
danych
• The lower troposphere trend derived from UAH satellites (+0.128
°C/decade) is currently lower than both the GISS and Hadley Centre
surface station network trends (+0.161 and +0.160 °C/decade
respectively), while the RSS trend (+0.158 °C/decade) is similar.
• However, the expected trend in the lower troposphere, given the surface
data, would be around 0.194 °C/decade, making the UAH and RSS
trends 66% and 81% of the expected value respectively.
• For some time, the UAH satellite data's chief significance was that they
appeared to contradict a wide range of surface temperature data
measurements and analyses showing warming.
• In 1998 the UAH data showed a cooling of 0.05K per decade (at 3.5 km
- mid to low troposphere). Wentz & Schabel at RSS in their 1998 paper
showed this (along with other discrepancies) was due to the orbital
decay of the NOAA satellites.
• Once the orbital changes had been allowed for the data showed a
0.07K per decade increase in temperature at this level of the
atmosphere.
25
Comparison of ground based measurements of surface temperature (blue) and
satellite based records of mid-tropospheric temperature (red: UAH; green:
RSS) since 1979. Trends plotted since January 1982.
26
Problem z danymi satelitarnymi – koronny
argument przeciwników globalnego ocieplenia
Do 2004 roku analizy danych
satelitarnych nie potwierdzały
globalnego ocieplania dolnych
warstw atmosfery.
Popełniono błąd podczas analizy
danych.
Skorygowane dane pokazują
ogrzewanie przy powierzchni
Ziemi.
Globalne ocieplenie
To obserwowane od połowy XX wieku podwyższenie
średniej temperatury atmosfery przy powierzchni ziemi i
oceanów.
• Średni wzrost temperatury powietrza w latach 19062005 w pobliżu powierzchni Ziemi wyniósł 0,74 ±0,18°C.
• Istotą problemu związanego z wyjaśnieniem globalnego
ocieplenia jest ustalenie w jakim stopniu na to zjawisko
wpływa działalność człowieka, a w jakim czynniki
naturalne.
28
Co z ociepleniem w ostatnich latach?
Anomalia temperatury globalnej (względem okresu bazowego 1961-1990) z
danych HadCRUT3 ,Piskozub, IOPAN
29
Globalne ocieplenie w Polsce
Średnia z ponad 100 stacji w Polsce
30
Zmiany średniej rocznej temperatur powietrza na
Kasprowym Wierchu
31
Zmiany średniej rocznej, maksymalnej i minimalnej
temperatury
32
Zmiany klimatu w Polsce na podstawie re-analizy
Zmiany temperatury w
Polsce za ostatnie 50 lat
pokazują , że klimat się
ociepla!
4/13/2015
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Obserwuje się rosnący
trend prędkości wiatru i
silniejszą cyrkulację
strefowa.
4/13/2015
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Zmiany albeda planetarnego nad
Polską pokazują, że w ostatnich
20-latach atmosfera pochłania 12% więcej promieniowania
słonecznego
4/13/2015
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Tendencja spadkowa całkowitej
zawartości pary wodnej w
atmosferze.
4/13/2015
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Zmiany globalne
temperatury, wysokości
oceanów oraz zasięgu
pokrywy śnieznej
w IXX i XX wieku
4/13/2015
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Zmiany w kriosferze
4/13/2015
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Obserwacje pokrywy lodowej
w Arktyce
Obszary polarne podlegają
szczególnie silnym zmianom
klimatycznym dzięki efektowi
wzmocnienia wymuszeń
związanemu ze zmianami
pokrycia śniegiem i lodem.
4/13/2015
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Półwysep Antarktyczny
jest jednym
z najszybciej
ogrzewających się miejsc
na Ziemi.
Długości obserwacji
meteorologicznych,
obserwowane trendy
temperatury [ºC/stulecie]
z błędem oraz istotność
trendu.
Satelitarna altimetria zdaje się
wskazywać, że wewnątrz Antarktydy
przybyło 45 ± 7 Gt rocznie (19922003) śniegu i lodu.
Satelita nie widział jednak poza
81.5º S.
Być może źle skorygowano różnicę
gęstości śniegu i lodu (mniej więcej
trzykrotną).
• Nie potwierdza się hipoteza o przyrastaniu masy
Wschodniej Antarktydy pod wpływem zwiększonych
opadów śniegu.
• Bilans masy Antarktydy wykonany metodą grawitacyjną –
projekt GRACE (wskazuje na równowagę masy
Wschodniej i ubytek masy Zachodniej Antarktydy
(równoważny +0.4 ± 0.2 mm/rok zmianie poziomu oceanu).
Zmiany pary wodnej w atmosferze
4/13/2015
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Zmiany rocznych sum opadów
4/13/2015
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Trend zachmurzenia
+1.4% (obserwacje
naziemne)
+2 % ISCCP (klimatologia
satelitarna)
4/13/2015
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Zmiany bilansu promieniowania na górnej granicy atmosfery
4/13/2015
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Zmiany poziomu oceanów
4/13/2015
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Globalne ocieplenie a ochłodzenie stratosferyczne
dane satelitarne
dane aerologiczne
4/13/2015
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Globalne zmiany temperatury
w atmosferze i na powierzchni
Ziemi
ICCP, 2007
4/13/2015
Krzysztof Markowicz
[email protected]
lower troposphere
lower stratosphere
Microwave sounding unit lower troposphere and lower stratosphere 1979-2010 temperature trend
(°C/decade) and 12 months running mean global temperature time series with respect to 1979-1998.
Data source:http://www.remss.com/data/msu/data
49