> Naslovnica > Klima
Klima i klimatske promjene
Klima i klimatski sustav
Klimatske varijacije i klimatske promjene
Zagrijavanje atmosfere i efekt staklenika
Izmjereno zagrijavanje na globalnoj razini i u Hrvatskoj
Modeliranje klime
Simulacije sadašnje klime globalnim klimatskim modelima
Scenariji emisije plinova staklenika
Projekcije buduće klime globalnim klimatskim modelima
Izvori neizvjesnosti u procjenama klimatskih promjena
Projicirane promjene prizemne temperature zraka i oborine na globalnoj razini
Rezultati globalnog klimatskog modela ECHAM5/MPI-OM za područje Europe
Dinamička prilagodba rezultata globalnih klimatskih modela manjim prostornim skalama
Regionalno klimatsko modeliranje u Državnom hidrometeorološkom zavodu
Projicirane promjene prizemne temperature zraka i oborine u Hrvatskoj

Klima i klimatski sustav

Klima u užem smislu predstavlja prosječne vremenske prilike izražene pomoću srednjaka, ekstrema i varijabilnosti klimatskih veličina u dužem, najčešće 30-godišnjem razdoblju. Klimatske veličine su primjerice prizemna temperatura zraka, oborina i vjetar.

Na globalnoj razini klima je određena bilancom zračenja koja uzima u obzir sve oblike primljene i izgubljene energije elektromagnetskog zračenja. Približno 30% Sunčevog zračenja (kratkovalno zračenje) koje dolazi do Zemlje reflektira se na oblacima, na česticama u atmosferi (aerosol) i na površini Zemlje u međuplanetarni prostor, dok preostalo zračenje apsorbiraju Zemljina površina i, manjim dijelom, atmosfera (npr. ozon u stratosferi). Apsorpcijom kratkovalnog Sunčevog zračenja, površina Zemlje se zagrijava i zrači nazad u atmosferu, a to povratno zračenje se odvija u dugovalnom dijelu spektra. Dio dugovalnog zračenja apsorbira atmosfera i zrači nazad prema površini, a dio odlazi izvan nje. Globalno i za cijelu godinu dolazno Sunčevo zračenje na vrhu atmosfere je u ravnoteži sa zračenjem koje iz nje odlazi u međuplanetarni prostor (reflektirano Sunčevo zračenje i dugovalno zračenje Zemljine površine i atmosfere).

Na manjim prostornim skalama klimatske karakteristike pojedinih područja na Zemlji su prvenstveno određene njihovim zemljopisnim položajem budući da zbog sfernog oblika Zemlje Sunčevo zračenje koje dolazi do površine ovisi o zemljopisnoj širini. Klima nekog područja također je određena atmosferskom cirkulacijom, nadmorskom visinom, kao i međudjelovanjem atmosfere i oceana (i morskog leda), te atmosfere i tla čije karakteristike poput albeda (omjer odbijene i dolazne Sunčeve energije na nekoj površini), vlažnosti tla i vegetacije imaju utjecaj na klimu.

Zbog toga se može reći da se klima u širem smislu odnosi na srednje stanje klimatskog sustava koji se sastoji od niza komponenata i njihovih međudjelovanja. Komponente klimatskog sustava su:

Atmosfera - omotač oko Zemljine površine koji se sastoji od plinova i krutih i tekućih čestica
                    (aerosol)
Hidrosfera - oceani, mora, rijeke, jezera, površinske i podzemne vode
Kriosfera - ledenjaci, morski led, led u rijekama i jezerima, smrznuto tlo, snijeg
Tlo - čije karakteristike kao što su reljef, vrsta tla i vegetacija definiraju međudjelovanje s drugim
        komponentama klimatskog sustava
Biosfera - živa bića na Zemlji.

Klimatske varijacije i klimatske promjene

Osim prostorno, klima se mijenja i u vremenu. Zamjetna je međusezonska različitost klime kao i varijacije klime na godišnjoj i višegodišnjoj skali, ali i tijekom dugih razdoblja kao što su npr. ledena doba koja su uzrokovana astronomskim čimbenicima koji mijenjaju dolazno Sunčevo zračenje na površinu Zemlje. Varijacije klime vidljive su u promjenama srednjeg stanja klime, promjenama međugodišnje varijabilnosti klimatskih parametara te drugih statističkih veličina koje opisuju stanje klime kao što je primjerice pojavljivanje ekstrema. Statistički značajne promjene srednjeg stanja ili varijabilnosti klimatskih veličina koje traju desetljećima i duže, nazivaju se klimatskom promjenom.

Varijabilnost klime može biti uzrokovana prirodnim čimbenicima unutar samog klimatskog sustava. Takvu varijabilnost klime uočavamo u pojavama kao što su El Niño - južna oscilacija koja je rezultat međudjelovanja atmosfere i oceana u tropskom dijelu Tihog oceana ili Sjeverno - atlantska oscilacija koja predstavlja varijacije atmosferskog tlaka na razini mora na području Islanda i Azora što utječe na jačinu zapadnog strujanja i na putanje oluja nad sjevernim Atlantikom i dijelom Europe.

Prirodna varijabilnost klime može biti uzrokovana i vanjskim čimbenicima, primjerice velikom količinom aerosola izbačenog vulkanskom erupcijom u atmosferu ili promjenom Sunčevog zračenja koje dolazi do atmosfere i Zemljine površine. Na godišnjoj skali dolazno Sunčevo zračenje mijenja se zbog gibanja Zemlje oko Sunca. Na dugim vremenskim skalama dolazno Sunčevo zračenje mijenja se zbog promjene parametara u Zemljinoj putanji oko Sunca. To uključuje promjenu ekscentriciteta putanje (s periodom od 100 000 godina), promjenu kuta nagiba Zemljine osi u odnosu na ravninu u kojoj leži putanja (s periodom od 41 000 godina) te promjenu smjera nagiba Zemljine osi u odnosu na putanju (period od
19 000 do 23 000 godina).

Osim navedenih prirodnih varijacija klime, od velikog interesa su i promjene klime izazvane ljudskim aktivnostima (antropogeni utjecaj na klimu) kojima u atmosferu dolaze plinovi staklenika, a oni imaju ključnu ulogu u zagrijavanju atmosfere.

Primjeri prirodnih i antropogenih čimbenika koji utječu na klimu.

Zagrijavanje atmosfere i efekt staklenika

Prirodno zagrijavanje atmosfere odvija se na način da atmosfera, uključujući oblake, apsorbira dugovalno zračenje površine Zemlje te ga emitira u svim smjerovima. Dio tog zračenja koji je usmjeren prema površini Zemlje, uzrokuje daljnje zagrijavanje te površine i donjeg sloja atmosfere, što se naziva efektom staklenika.

Među najvažnijim plinovima koji se prirodno nalaze u atmosferi, i koji apsorbiraju dugovalno zračenje Zemlje te ih stoga nazivamo plinovima staklenika, su vodena para i ugljikov dioksid (CO2), a zatim metan (CH4), didušikov oksid (N2O) i ozon (O3).

Utjecaj čovjeka na klimu naglo je povećan u drugoj polovici 18. stoljeća s početkom industrijske revolucije. Sagorjevanjem fosilnih goriva, promjenom tipova podloge koja nastaje, primjerice, urbanizacijom, sječom šuma i razvojem poljoprivrede, došlo je do promjene kemijskog sastava atmosfere, odnosno, do povećanja koncentracije plinova staklenika u atmosferi u odnosu na predindustrijsko doba (prije 1750. godine). Od početka industrijalizacije do danas, značajno su se povećale koncentracije ugljikovog dioksida, metana, didušikovog oksida i halogeniziranih ugljikovodika (engl. halocarbons) u atmosferi, što je uzrokovalo jači efekt staklenika i veće zagrijavanje atmosfere od onog koje se događa prirodnim putem.

Izmjereno zagrijavanje na globalnoj razini i u Hrvatskoj

Prema Četvrtom izvješću Međuvladinog panela za klimatske promjene (engl. The Fourth Assessment Report (AR4) of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)) iz 2007. godine globalna koncentracija ugljikovog dioksida (CO2) u atmosferi povećala se s 280 ppm (ppm - udio molekula stakleničkog plina u milijun molekula suhog zraka) u predindustrijskom dobu na 379 ppm u 2005. godini. Najveća stopa porasta koncentracije ugljikovog dioksida izmjerena je u razdoblju od 1995. do 2005. godine.

Globalna atmosferska koncentracija metana (CH4) i didušikovog oksida (N2O) povećala se sa 715 odnosno 270 ppb (ppb - udio molekula stakleničkog plina u milijardi molekula suhog zraka) u predindustrijskom dobu na 1774 odnosno 319 ppb u 2005. godini.

Prema 100-godišnjem nizu mjerenja (1906-2005) porast globalne prizemne temperature zraka, procijenjen iz linearnog trenda, iznosio je 0.74°C. Promatra li se posljednjih 50 godina tog razdoblja, porast je bio gotovo dvostruko veći nego u cijelom 100-godišnjem razdoblju, te još veći u posljednjih 25 godina čemu je pridonijela činjenica da su, od kad postoje instrumentalna mjerenja temperature zraka (1850. godina), najtoplije godine bile 1998. i 2005., a zatim 2002., 2003. i 2004. godina. Zatopljenje na Zemlji je globalnog karaktera, ali nije jednoliko u svim dijelovima Zemlje. Tako je zagrijavanje kopnenih masa veće od zagrijavanja oceana, osobito u razdoblju nakon 1970. godine. Stoga je, zbog raspodjele kopna i mora na Zemlji, zagrijavanje jače izraženo na sjevernoj nego na južnoj hemisferi s dvostruko većim povećanjem prosječne temperature zraka na Arktiku u odnosu na globalno zatopljenje unazad 100 godina.

Trend porasta temperature zraka u 20. stoljeću zabilježen je i na postajama u Hrvatskoj (Gajić-Čapka i sur. 2010). Stoljetni nizovi mjerenja temperature zraka upućuju na porast između 0.02°C i 0.07°C na 10god. Kao i na globalnoj razini trend porasta temperature zraka osobito je izražen u posljednjih 50, odnosno 25 godina.

Kao posljedica globalnog zagrijavanja dolazi do smanjenja snježnog pokrivača, osobito u proljeće i ljeti, te do topljenja leda. Također je zabilježen porast globalne razine mora koji je uzrokovan topljenjem kopnenog leda i toplinskim širenjem oceana zbog zagrijavanja.

Izmjerene promjene globalne prosječne prizemne temperature zraka (a), globalne prosječne razine mora mjerene mareografom (plavo) i satelitom (crveno) (b) i snježnog pokrivača na sjevernoj hemisferi u razdoblju od ožujka do travnja (c). Sve promjene izračunate su u odnosu na pripadne srednjake iz razdoblja 1961-1990. Izglađene krivulje predstavljaju dekadne srednjake, a kružići označavaju godišnje vrijednosti. Osjenčana područja označavaju intervale neizvjesnosti. Izvor: IPCC, 2007.

http://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/en/figure-spm-3.html
Literatura

Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 2007: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 996 str.

Gajić-Čapka M., Zaninović K., Cindrić K. 2010: Climate Change Impacts and Adaptation Measures - Observed Climate Change in Croatia. U: Fifth National Communication of the Republic of Croatia under the United Nation Framework Convention on the Climate Change, Ministry of Environmental Protection, Physical Planning and Construction, 137-151.
http://unfccc.int/resource/docs/natc/hrv_nc5.pdf
http://klima.hr/razno/publikacije/klimatske_promjene.pdf

Modeliranje klime

Zbog nelinearnosti procesa koji se odvijaju u klimatskom sustavu, nije moguće za buduće projekcije klime ekstrapolirati trendove promjena klimatskih parametara koji su uočeni u prošlosti. Zbog toga se za prikaz komponenata klimatskog sustava i njihovih međudjelovanja koriste globalni klimatski modeli, odnosno govori se o simulacijama klime klimatskim modelima.

Globalni klimatski model sastoji se od modela atmosfere, oceana, tla i leda te uključuje cikluse ugljika i sumpora. Model se temelji na zakonima fizike prikazanim matematičkim jednadžbama koje opisuju procese u pojedinim komponentama klimatskog sustava uzimajući u obzir i njihova međudjelovanja te stoga govorimo o združenom sustavu.

U atmosferskom modelu Zemlja je podijeljena na trodimenzionalne ćelije (engl. grid cell). Jednadžbe koje definiraju npr. gibanje, očuvanje mase, energije i vlage rješavaju se u svakoj ćeliji, a dobivena rješenja odnose se na cijelo područje koje ona obuhvaća. Ukupan broj ćelija na površini Zemlje definira razlučivanje (rezoluciju) modela. Što ih ima više, model ima veće razlučivanje. Karakteristična rezolucija atmosferskog modela je 150-200 km u umjerenim širinama. Po vertikali atmosfera je podijeljena na slojeve (npr. 30-40 slojeva) čije je razlučivanje veće blizu površine Zemlje od onog u višim slojevima atmosfere.

Shematski prikaz trodimenzionalne mreže atmosferskog globalnog modela.

U modelu oceana također postoji horizontalna i vertikalna podjela pri čemu je horizontalno razlučivanje veće nego u atmosferskom modelu kako bi se npr. mogle razlučiti struje u oceanu. Po vertikali model oceana može imati primjerice 40 nivoa. Dinamičko združivanje atmosfere i oceana je od iznimne važnosti jer se međudjelovanje ove dvije komponente klimatskog sustava uočava u pojavama koje uzrokuju unutarnju varijabilnost sustava kao što je npr. El Niño - južna oscilacija.

Model tla sadrži informacije o tipovima tla i vegetacije, te o svojstvima tla kao što je npr. albedo (omjer odbijene i dolazne Sunčeve energije na nekoj površini). Kako bi se uvažila izmjena energije i vode između tla i atmosfere, u modelu tla računaju se primjerice temperatura tla, vlažnost tla koja ovisi o oborini i evapotranspiraciji, otjecanje te snježni pokrivač.

Morski led također predstavlja važnu komponentu klimatskog sustava. Ledene površine imaju veliki albedo pa je na njima refleksija Sunčevog zračenja velika. Smanjenjem morskog leda refleksija se smanjuje, ocean apsorbira više Sunčevog zračenja i zagrijava se što uzrokuje jače zagrijavanje atmosfere. Zbog toga je, osim međudjelovanja atmosfere i oceana, u globalni klimatski model uključeno i međudjelovanje atmosfere i morskog leda.

Osim prostorne podjele (diskretizacije) na ćelije i vrijeme integracije modela je podijeljeno na korake. Kako bi model započeo sa simulacijama, potrebno je imati početno stanje komponenata klimatskog sustava, a zatim se jednadžbama proračunavaju vrijednosti varijabli u sljedećem vremenskom koraku (npr. u sljedećih 10 minuta) što se dalje ponavlja sve dok se simulacije ne završe. Budući da se jednadžbe rješavaju u svakoj ćeliji modela u razdoblju od barem 30 godina (standardno razdoblje za određivanje klimatskih karakteristika), za simulacije klime klimatskim modelom potrebno je raspolagati jakim računalima.

Shematski prikaz modeliranja klime klimatskim modelom.

Simulacije sadašnje klime globalnim klimatskim modelima

Utjecaj čovjeka na zatopljenje koje je izmjereno u drugoj polovici 20. stoljeća jasno se vidi naprave li se dva eksperimenta simulacija klime klimatskim modelima u prethodnih 100 godina (IPCC, 2007):

  1. U prvom eksperimentu, klimatski modeli uzimaju u obzir samo prirodne vanjske čimbenike koji utječu na klimu, odnosno Sunčevu i vulkansku aktivnost. U tom eksperimentu dobivene vrijednosti temperature zraka niže su od onih izmjerenih u drugoj polovici 20. stoljeća.
  2. U drugom eksperimentu, klimatski modeli, osim prirodnih čimbenika, uključuju i povećane razine plinova staklenika nastale djelovanjem čovjeka (antropogeni utjecaj). U takvim simulacijama modelirana temperatura zraka slijedi izmjereno zatopljenje u drugoj polovici 20. stoljeća.

Na taj način potvrđen je mogući prevladavajući utjecaj čovjeka na porast temperature zraka nakon predindustrijskog razdoblja.

Usporedba izmjerenih promjena prizemne temperature zraka na kontinentima i globalno s rezultatima simulacija klimatskih modela koji uzimaju u obzir prirodne i antropogene utjecaje. Crna linija predstavlja dekadne srednjake izmjerenih anomalija temperature zraka u razdoblju 1960-2005. u odnosu na srednjak temperature zraka iz razdoblja 1901-1950. Linija je crtkana u područjima u kojima je prostorna pokrivenost mjerenim podacima manja od 50%. Plavo osjenčani niz prikazuje raspon (90%) temperatura iz 19 simulacija klime dobivenih korištenjem 5 klimatskih modela koji uzimaju u obzir samo prirodne čimbenike koji utječu na klimu (Sunčeva i vulkanska aktivnost). Crveno osjenčani nizovi označavaju raspon temperatura (90%) iz 58 simulacija klime dobivenih korištenjem 14 klimatskih modela koji koriste i prirodne i antropogene čimbenike koji utječu na klimu. Izvor: IPCC, 2007.

http://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/en/figure-spm-4.html
Literatura

Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 2007: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 996 str.

Scenariji emisije plinova staklenika

Kako bi se mogle procijeniti promjene klime u budućnosti, potrebno je definirati buduće emisije ugljikovog dioksida (CO2) i drugih plinova staklenika u atmosferu. Stoga je Međuvladin panel za klimatske promjene (engl. Intergovernmental Panel on Climate Change - IPCC) u svom Posebnom izvješću o emisijskim scenarijima (engl. Special report on emission scenarios - SRES, Nakićenović i sur., 2000) definirao scenarije emisije stakleničkih plinova uzimajući u obzir pretpostavke o budućem demografskom, socijalnom, gospodarskom i tehnološkom razvoju na globalnoj i regionalnoj razini. S obzirom da razvoj nije moguće točno predvidjeti, scenariji su podijeljeni u četiri grupe mogućeg razvoja svijeta u budućnosti:

A1
Svijet u budućnosti karakterizira vrlo brzi gospodarski rast i rast globalne populacije koja će biti najveća sredinom 21. stoljeća. Ova grupa scenarija predviđa brzo uvođenje novih i učinkovitijih tehnologija te značajno smanjenje regionalnih razlika u dohotku stanovnika. A1 scenarij razvija se u tri skupine koje opisuju alternativne smjerove tehnoloških promjena u energetskom sustavu.
  • A1FI - naglasak je na intenzivnom korištenju fosilnih izvora energije
  • A1T - dominira izostanak fosilnih izvora energije
  • A1B - predviđa uravnoteženo korištenje izvora energije.
A2
Svijet u budućnosti karakterizira velika heterogenost sa stalnim povećanjem svjetske populacije. Gospodarski razvoj, kao i tehnološke promjene, regionalno su orjentirani i sporiji nego u drugim grupama scenarija.
B1
Ova grupa scenarija predviđa uvođenje čistih tehnologija s naglaskom na globalna rješenja gospodarske, socijalne i ekološke održivosti. Populacija je najbrojnija sredinom 21. stoljeća, a nakon toga opada (slično kao u A1 grupi).
B2
Svijet je u budućnosti orijentiran prema zaštiti okoliša i socijalnoj jednakosti, no naglasak je na lokalnim rješenjima gospodarske i socijalne održivosti te održivosti okoliša. Gospodarski razvoj je srednje razine, a tehnološke promjene su sporije i raznovrsnije nego u B1 i A1 grupama scenarija. Ovaj scenarij predviđa kontinuirano povećanje svjetske populacije po stopi nižoj nego u A2 grupi.

Zatim se, za odabrani scenarij, pomoću biogeokemijskih modela izračunavaju promjene koncentracije plinova staklenika u budućnosti. Primjerice, prema B1 scenariju predviđene koncentracije CO2 do kraja 21. stoljeća najniže su među četiri opisane grupe, dok je u A2 scenariju predviđen neprekidan porast koncentracije CO2 u 21. stoljeću s najvećom stopom povećanja u drugoj polovici stoljeća.

Ukupna godišnja emisija CO2 u razdoblju 1990-2100. (u giga tonama ugljika - GtC/god) za 6 grupa scenarija. Izvor: Nakićenović i sur., 2000.

http://www.grida.no/publications/other/ipcc_sr/?src=/climate/ipcc/emission/spm-3.htm
Literatura

Nakićenović N. i 27 suradnika 2000: Special Report on Emissions Scenarios. A Special Report of Working Group III of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 599 str.

Projekcije buduće klime globalnim klimatskim modelima

Za procjenu budućih klimatskih promjena potrebno je, osim simulacije klimatskog modela u sadašnjoj klimi u kojoj se koncentracije plinova staklenika temelje na izmjerenim vrijednostima, napraviti i simulacije u budućoj klimi (odnosno projekcije buduće klime) kada model uzima u obzir koncentracije plinova staklenika u atmosferi koje su izvedene iz raznih scenarija emisije tih plinova. Koncentracije plinova staklenika uključuju se u klimatski model na način da se pomoću shema zračenja izračunava njihov utjecaj na promjenu u ravnoteži zračenja koje dolazi u atmosferu i onog koje odlazi iz nje (engl. radiative forcing). Zatim se klimatskim modelom simulira odziv klimatskog sustava na ovu promjenu. Iz takvih eksperimenata mogu se izračunati vrijednosti klimatskih parametara u budućoj i sadašnjoj klimi, a njihova razlika daje klimatsku promjenu.

Kod simulacija buduće klime klimatskim modelima važno je uočiti razliku između prognoze i projekcije jer ona određuje interpretaciju rezultata klimatskih modela. Modeli prognoze vremena, poznavajući što točnije trenutno stanje atmosfere, predviđaju vrijeme za nekoliko dana unaprijed. Za projekcije klime u budućnosti, klimatskim modelom simulira se odziv klimatskog sustava na zadano vanjsko djelovanje u dužem razdoblju. U takvim simulacijama, za razliku od prognoze vremena, nije važan slijed vremenskih događaja već njihova dugoročna statistika. Primjerice, nije bitno kada će točno nastupiti neki događaj (ekstremna temperatura zraka ili oborina iznad zadanog praga) već nas zanimaju višegodišnji mjesečni ili sezonski srednjaci i učestalost takvih događaja u budućnosti.

Izvori neizvjesnosti u procjenama klimatskih promjena

Uz klimatsko modeliranje i projekcije klimatskih promjena vezano je nekoliko izvora neizvjesnosti:

  1. Nesavršenost klimatskih modela predstavlja najveći izvor neizvjesnosti. Iako su modeli danas najbolji alat za procjenu budućeg stanja klime, zbog iznimne složenosti klimatskog sustava u modele se uvode pojednostavljenja te oni ne mogu savršeno opisati sve procese i međudjelovanja u klimatskom sustavu. Nesavršenost je posljedica prostorno-vremenskih diskretizacija atmosferskih procesa te prikaza procesa u klimatskom sustavu koji nisu razlučeni osnovnim prostornim korakom mreže modela. Primjerice, klimatski modeli imaju pregrubu rezoluciju da bi mogli razlučiti pojedinačne oblake. Tada se pomoću klimatoloških podataka izvode statističke veze između varijabli koje nisu razlučive u modelu i onih koje jesu (postupak parametrizacije). Budući da se parametrizacije i pojednostavljenja razlikuju od modela do modela, oni daju različite procjene buduće klime u odnosu na zadani scenarij emisije stakleničkih plinova.
  2. Neizvjesnost scenarija emisije i koncentracije stakleničkih plinova koji se ne mogu sa sigurnošću predvidjeti predstavlja dodatan izvor neizvjesnosti u projekcijama klimatskih promjena.
  3. Unutarnja varijabilnost klimatskog sustava predstavlja također važan izvor neizvjesnosti. Ona je posljedica nelinearnosti procesa u klimatskom sustavu, zbog čega male promjene u početnim uvjetima mogu proizvesti različite rezultate simulacija klime.

Kako bi se uzela u obzir neizvjesnost koja dolazi od različitih konfiguracija (npr. fizikalnih parametrizacija) klimatskih modela, poželjno je ponavljati simulacije klime različitim modelima. Neizvjesnost povezana sa scenarijem emisije stakleničkih plinova istražuje se klimatskim simulacijama temeljenim na različitim scenarijima. Također se simulacije modela prema istom scenariju emisije plinova staklenika mogu ponavljati više puta s različitim početnim uvjetima kako bi se uvažila unutarnja varijabilnost klimatskog sustava. Na taj način stvara se skup (ansambl) simulacija koji omogućava procjenu varijabilnosti rezultata modela s obzirom na malo promijenjene početne uvjete.

Opisanim postupcima dobiva se raspon mogućih stanja klime koji služi za ocjenu neizvjenosti buduće klime. Informacija o neizvjesnosti zatim se može uključiti u istraživanje utjecaja klimatskih promjena na gospodarstvo i u donošenje odluka o prilagodbi na klimatske promjene. Skup klimatskih simulacija također predstavlja osnovu za procjene vjerojatnosti promjena klimatskih parametara u budućnosti.

Projicirane promjene prizemne temperature zraka i oborine na globalnoj razini

Prema posljednjem izvješću Međuvladinog panela za klimatske promjene (engl. Intergovernmental Panel on Climate Change - IPCC) globalni klimatski modeli predviđaju porast globalne prizemne temperature zraka u posljednjem desetljeću 21. stoljeća u odnosu na posljednjih 20 godina 20. stoljeća od 1.8°C do 4°C, ovisno o scenariju emisije plinova staklenika (Meehl i sur. 2007). Sukladno projekcijama koncentracije ugljikovog dioksida (CO2) u atmosferi u različitim scenarijima emisije plinova staklenika u budućoj klimi, očekivani porast globalne prizemne temperature zraka dobiven ansamblom simulacija globalnih klimatskih modela veći je u A2 u odnosu na B1 scenarij.

Globalni srednjaci povećanja prizemne temperature zraka (u odnosu na razdoblje 1980-1999; °C) prema A2, A1B i B1 scenarijima emisije plinova staklenika prikazani su kao nastavak simulacija više modela u 20. stoljeću (pune crte). Osjenčana područja označavaju ± 1 standardnu devijaciju srednjih godišnjih modeliranih temperatura zraka. Narančasta crta predstavlja eksperiment u kojem su koncentracije plinova staklenika konstantne nakon 2000. godine. Sivi stupići predstavljaju mogući raspon zatopljenja s najvjerojatnijom vrijednošću (horizontalna crta unutar svakog stupića) za šest scenarija emisije plinova staklenika. Izvor: IPCC, 2007.

http://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/en/figure-spm-5.html

Promjene temperature zraka u 21. stoljeću

Predviđeni porast temperature zraka u 21. stoljeću globalnog je karaktera pri čemu se najveće zatopljenje može očekivati nad kopnom i u visokim zemljopisnim širinama sjeverne hemisfere zimi. Amplituda zatopljenja najmanja je nad oceanima na južnoj hemisferi.

Srednje godišnje zagrijavanje (promjena prizemne temperature zraka u °C) iz simulacija više modela prema B1 (gore), A1B (sredina) i A2 (dolje) scenarijima za tri razdoblja: 2011-2030 (lijevo), 2046-2065 (sredina) i 2080-2099 (desno). Zagrijavanje je izračunato u odnosu na razdoblje 1980-1999. Izvor: Meehl i sur., 2007.

http://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/en/figure-10-8.html

Promjene oborine u 21. stoljeću

Za razliku od globalnog povećanja prizemne temperature zraka, signal promjene oborine nije prostorno koherentan. Primjerice, prema A1B scenariju vrlo je vjerojatan porast oborine u tropskom Pacifiku i u visokim zemljopisnim širinama, dok se smanjenje oborine očekuje u većini kopnenih suptropskih područja. Postoji tendencija porasta ekstremnih dnevnih količina oborine čak i u područjima u kojima projekcije daju smanjenje ukupne količine oborine.

Postotak promjene količine oborine u razdoblju 2090-2099. u odnosu na razdoblje 1980-1999. Prikazane su osrednjene vrijednosti dobivene iz više modela prema A1B scenariju emisije plinova staklenika za zimu (prosinac-veljača; lijeva slika) i ljeto (lipanj-kolovoz; desna slika). Područja u kojima se u predznaku promjene oborine slaže manje of 66% modela obojena su bijelo, dok su područja u kojima se više od 90% modela slaže u predznaku promjene označena točkasto. Izvor: IPCC, 2007.

http://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/en/figure-spm-7.html
Literatura

Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 2007: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 996 str.

Meehl G.A., Stocker T.F., Collins W.D., Friedlingstein P., Gaye A.T., Gregory J.M., Kitoh A., Knutti R., Murphy J.M., Noda A., Raper S.C.B., Watterson I.G., Weaver A.J., Zhao Z.-C. 2007: Global Climate Projections. U: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 996 str.

Rezultati globalnog klimatskog modela ECHAM5/MPI-OM za područje Europe

U Državnom hidrometeorološkom zavodu (DHMZ) analizirani su rezultati združenog globalnog klimatskog modela ECHAM5/MPI-OM (Roeckner i sur. 2003; Marsland i sur. 2003) nad područjem Europe. Ovaj model je razvijen u Max Planck institutu u Hamburgu u Njemačkoj i uključen je u posljednje izvješće Međuvladinog panela za klimatske promjene (engl. Intergovernmental Panel on Climate Change - IPCC).

Integracije ECHAM5/MPI-OM modela sastoje se od 3 člana ansambla koji se međusobno razlikuju u definiciji početnih uvjeta te obuhvaćaju razdoblje 1860-2000. u kojem koncentracije plinova staklenika odgovaraju izmjerenim vrijednostima. U budućoj klimi globalni model integriran je prema nekoliko scenarija emisije plinova staklenika, a u DHMZ-u su korišteni rezultati modela dobiveni prema A2 scenariju koji je jedan od najnepovoljnijih scenarija za okoliš. Rezultati modela za A2 scenarij obuhvaćaju razdoblje 2001-2100. i također su dostupni za 3 realizacije koje se nastavljaju na simulacije modelom do 2001. godine.

Prema rezultatima ovog modela za područje Europe sredinom 21. stoljeća (2041-2070) očekuje se porast prizemne temperature zraka u odnosu na temperaturu u klimi 20. stoljeća (1961-1990). Zimi (prosinac-veljača) je predviđeno zatopljenje najveće u sjeveroistočnoj Europi (više od 3°C), dok je ljeti (lipanj-kolovoz) područje najvećeg porasta prizemne temperature zraka južna Europa gdje na Pirenejskom poluotoku temperature mogu biti više i za 4°C (Branković i sur. 2010).

Promjena prizemne temperature zraka (u °C) u Europi u razdoblju 2041-2070. u odnosu na razdoblje 1961-1990. prema rezultatima srednjaka ansambla globalnog klimatskog modela ECHAM5/MPI-OM za A2 scenarij emisije plinova staklenika za zimu (lijevo) i ljeto (desno).

Predviđene promjene oborine u Europi zimi su dvojakog karaktera - sjeverno od 45°N očekuje se povećanje, a južno od 45°N smanjenje oborine. Ljeti model daje smanjenje oborine u umjerenim širinama srednje i zapadne Europe.

Promjena oborine u Europi (u mm/dan) u razdoblju 2041-2070. u odnosu na razdoblje 1961-1990. prema rezultatima srednjaka ansambla globalnog klimatskog modela ECHAM5/MPI-OM za A2 scenarij emisije plinova staklenika za zimu (lijevo) i ljeto (desno).
Literatura

Branković Č., Srnec L., Patarčić M. 2010: An assessment of global and regional climate change based on the EH5OM climate model ensemble. Climatic Change 98, 21-49.

Marsland G.A., Haak H., Jungclaus J.H., Latif M., Röske F. 2003: The Max Planck Institute global/sea-ice model with orthogonal curvilinear coordinates. Ocean Model 5, 91-127.

Roeckner E., Bäuml G., Bonaventura L., Brokopf R., Esch M., Giorgetta M., Hagemann S., Kirchner I., Kornblueh L., Manzini E., Rhodin A., Schlese U., Schulzweida U., Tompkins A. 2003: The atmospheric general circulation model ECHAM5. Part I: model description. Max-Planck Institute for Meteorology Rep. 349, Hamburg, 127 str.

Dinamička prilagodba rezultata globalnih klimatskih modela manjim prostornim skalama

Ukoliko se rezultati simulacija buduće klime iz globalnog klimatskog modela koriste za procjenu rizika od klimatskih promjena na nekom manjem području kao što je država ili sliv rijeke, tada je ono najčešće pokriveno samo s nekoliko ćelija globalnog modela. U tom slučaju rezultati globalnog modela ne mogu dovoljno dobro opisati prostorne varijacije unutar analiziranog područja.

Grubo razlučivanje (rezolucija) globalnog modela najviše utječe na rezultate simulacija prizemnih klimatskih parametara kao što su temperatura zraka i oborina jer su pod velikim utjecajem reljefa. Reljef u točki mreže globalnog modela predstavlja srednju vrijednost za cijelu ćeliju i ne odgovara stvarnom reljefu na Zemlji, osobito u strmim planinskim područjima. Kako je upravo promjena navedenih klimatskih parametara u budućoj klimi najvažnija za planiranje prilagodbe na klimatske promjene na regionalnoj i lokalnoj razini, potrebno je raspolagati njihovim vrijednostima na većoj rezoluciji. Osim toga, modeli za procjenu rizika od klimatskih promjena (primjerice hidrološki modeli) zahtijevaju informacije o klimatskim parametrima na gušćoj mreži točaka od one koju daju globalni modeli.

Jedan od načina da se poveća rezolucija rezultata globalnog klimatskog modela je metoda dinamičke prilagodbe (engl. dynamical downscaling) regionalnim klimatskim modelom koji se koristi nad nekim manjim područjem, ali s višom prostornom rezolucijom, uglavnom od 10-50 km. U postupku dinamičke prilagodbe regionalni model za početne i rubne uvjete uzima vrijednosti klimatskih parametara iz simulacija globalnog klimatskog modela. Budući da je horizontalno razlučivanje u regionalnom veće nego u globalnom modelu, obilježja reljefa u regionalnom modelu bolje odgovaraju stvarnom reljefu.

Reljef u globalnom modelu rezolucije 200 km (gore lijevo), u regionalnom modelu rezolucije 35 km (gore desno) i u digitalnom modelu terena rezolucije 30" (dolje).

Kao i u globalnim modelima, procesi u pojedinim komponentama klimatskog sustava i njihova međudjelovanja u regionalnim klimatskim modelima prikazani su matematičkim jednadžbama. Kako bi regionalni model mogao započeti sa simulacijama, potrebne su vrijednosti varijabli klimatskog sustava u svim točkama mreže regionalnog modela na početku simulacije. Osim početnih uvjeta, tijekom cijele integracije regionalni model zahtijeva vrijednosti varijabli na rubovima domene. Rubove domene čine donja i gornja granica atmosfere te lateralne granice koje su određene područjem nad kojim se regionalni model koristi. Iz početnog stanja jednadžbama se proračunavaju vrijednosti varijabli u sljedećem vremenskom koraku (npr. u sljedećih 0.5-3 minute) te se proračuni nastavljaju u idućim vremenskim koracima do kraja simulacije.

Shematski prikaz mreže globalnog modela i mreže regionalnog klimatskog
modela koji za rubne uvjete uzima rezultate globalnog modela.

Regionalno klimatsko modeliranje u Državnom hidrometeorološkom zavodu

U Državnom hidrometeorološkom zavodu koristi se regionalni klimatski model RegCM (Pal i sur. 2007) iz Međunarodnog centra za teorijsku fiziku (engl. International Centre for Theoretical Physics) u Trstu u Italiji. Za dosadašnje simulacije klimatskih promjena model uzima početne i rubne uvjete iz združenog globalnog klimatskog modela ECHAM5/MPI-OM (Roeckner i sur. 2003; Marsland i sur. 2003).

Dinamička prilagodba regionalnim modelom RegCM napravljena je za sve tri realizacije ECHAM5/MPI-OM modela za dva odvojena razdoblja sadašnje i buduće klime (engl. time-slice experiment). Sadašnja klima predstavljena je razdobljem 1961-1990., dok je buduća klima prema A2 scenariju definirana razdobljem 2011-2070. Domena regionalnog modela obuhvaća veći dio Europe i područje Sredozemlja s prostornim korakom mreže od 35 km.

Domena RegCM modela s reljefom (m).
Literatura

Marsland G.A., Haak H., Jungclaus J.H., Latif M., Röske F. 2003: The Max Planck Institute global/sea-ice model with orthogonal curvilinear coordinates. Ocean Model 5, 91-127.

Pal J. i 19 suradnika (2007): Regional climate modeling for the developing world. The ICTP RegCM3 and RegCNET. Bulletin of the American Meteorological Society 88, 1395-1409.
http://www.stanford.edu/~omramom/Pal_BAMS_07.pdf

Roeckner E., Bäuml G., Bonaventura L., Brokopf R., Esch M., Giorgetta M., Hagemann S., Kirchner I., Kornblueh L., Manzini E., Rhodin A., Schlese U., Schulzweida U., Tompkins A. 2003: The atmospheric general circulation model ECHAM5. Part I: model description. Max-Planck Institute for Meteorology Rep. 349, Hamburg, 127 str.

Projicirane promjene prizemne temperature zraka i oborine u Hrvatskoj

Klimatske promjene u budućoj klimi na području Hrvatske dobivene simulacijama klime regionalnim klimatskim modelom RegCM prema A2 scenariju analizirane su za dva 30-godišnja razdoblja:

  1. Razdoblje od 2011. do 2040. godine predstavlja bližu budućnost i od najvećeg je interesa za korisnike klimatskih informacija u dugoročnom planiranju prilagodbe na klimatske promjene.
  2. Razdoblje od 2041. do 2070. godine predstavlja sredinu 21. stoljeća u kojem je prema A2 scenariju predviđen daljnji porast koncentracije ugljikovog dioksida (CO2) u atmosferi te je signal klimatskih promjena jači.

Projicirane promjene temperature zraka

Prema rezultatima RegCM-a za područje Hrvatske, srednjak ansambla simulacija upućuje na povećanje temperature zraka u oba razdoblja i u svim sezonama. Amplituda porasta veća je u drugom nego u prvom razdoblju, ali je statistički značajna u oba razdoblja. Povećanje srednje dnevne temperature zraka veće je ljeti (lipanj-kolovoz) nego zimi (prosinac-veljača).

U prvom razdoblju buduće klime (2011-2040) na području Hrvatske zimi se očekuje porast temperature do 0.6°C, a ljeti do 1°C (Branković i sur. 2012).

Promjena prizemne temperature zraka (u °C) u Hrvatskoj u razdoblju 2011-2040. u odnosu na razdoblje 1961-1990. prema rezultatima srednjaka ansambla regionalnog klimatskog modela RegCM za A2 scenarij emisije plinova staklenika za zimu (lijevo) i ljeto (desno).

U drugom razdoblju buduće klime (2041-2070) očekivana amplituda porasta u Hrvatskoj zimi iznosi do 2°C u kontinentalnom dijelu i do 1.6°C na jugu, a ljeti do 2.4°C u kontinentalom dijelu Hrvatske, odnosno do 3°C u priobalnom pojasu (Branković i sur. 2010).

Promjena prizemne temperature zraka (u °C) u Hrvatskoj u razdoblju 2041-2070. u odnosu na razdoblje 1961-1990. prema rezultatima srednjaka ansambla regionalnog klimatskog modela RegCM za A2 scenarij emisije plinova staklenika za zimu (lijevo) i ljeto (desno).

Projicirane promjene oborine

Promjene količine oborine u bližoj budućnosti (2011-2040) su vrlo male i ograničene samo na manja područja te variraju u predznaku ovisno o sezoni. Najveća promjena oborine, prema A2 scenariju, može se očekivati na Jadranu u jesen kada RegCM upućuje na smanjenje oborine s maksimumom od približno 45-50 mm na južnom dijelu Jadrana. Međutim, ovo smanjenje jesenske količine oborine nije statistički značajno.

Promjena oborine u Hrvatskoj (u mm/dan) u razdoblju 2011-2040. u odnosu na razdoblje 1961-1990. prema rezultatima srednjaka ansambla regionalnog klimatskog modela RegCM za A2 scenarij emisije plinova staklenika za jesen.

U drugom razdoblju buduće klime (2041-2070) promjene oborine u Hrvatskoj su nešto jače izražene. Tako se ljeti u gorskoj Hrvatskoj te u obalnom području očekuje smanjenje oborine. Smanjenja dosižu vrijednost od 45-50 mm i statistički su značajna. Zimi se može očekivati povećanje oborine u sjeverozapadnoj Hrvatskoj te na Jadranu, međutim to povećanje nije statistički značajno.

Promjena oborine u Hrvatskoj (u mm/dan) u razdoblju 2041-2070. u odnosu na razdoblje 1961-1990. prema rezultatima srednjaka ansambla regionalnog klimatskog modela RegCM za A2 scenarij emisije plinova staklenika za zimu (lijevo) i ljeto (desno).
Literatura

Branković Č., Güttler I., Patarčić M., Srnec L. 2010: Climate Change Impacts and Adaptation Measures - Climate Change scenario. U: Fifth National Communication of the Republic of Croatia under the United Nation Framework Convention on the Climate Change, Ministry of Environmental Protection, Physical Planning and Construction, 152-166.
http://unfccc.int/resource/docs/natc/hrv_nc5.pdf
http://klima.hr/razno/publikacije/klimatske_promjene.pdf

Branković Č., Patarčić, M., Güttler I., Srnec L. 2012: Near-future climate change over Europe with focus on Croatia in an ensemble of regional climate model simulations. Climate Research, 52, 227-251.
http://www.int-res.com/articles/cr_oa/c052p227.pdf

mr. sc. Mirta Patarčić