I MODELLI DEL CLIMA. Silvio Gualdi. Centro Euro-Mediterraneo per I Cambiamenti Climatici, Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia

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1 I MODELLI DEL CLIMA Silvio Gualdi Centro Euro-Mediterraneo per I Cambiamenti Climatici, Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia IL MUTAMENTO CLIMATICO PROCESSI NATURALI E INTERVENTO UMANO maggio 2012, Accademia delle Scienze di Torino

2 IL SISTEMA CLIMATICO Definizione di Sistema Climatico: GARP (Global Atmosphere Research Programme of the WMO) 1975: as being composed of the atmosphere, hydrosphere, cryosphere, land surface and biosphere FCCC (Framework Convention on Climate Change, UN) 1992: the totality of the atmosphere, hydrosphere, biosphere and geosphere and their interactions The two definitions are very similar, but the emphasis on the interactions has increased since 1975, both in the definition and in the scientific literature

3 IL SISTEMA CLIMATICO The pictorial form 3

4 Possiamo cercare di comprendere (e possibilmente prevedere) l evoluzione del sistema climatico per mezzo delle equazioni che ne descrivono il comportamento. Che cos è un modello del clima? IL SISTEMA CLIMATICO Modelli del clima Un set di equazioni matematiche che rappresentano le leggi della fisica che governano l evoluzione del sistema climatico. A seconda di quanto vogliamo essere inclusivi, i modelli del clima possono essere molto semplici (Energy Balance Model) o molto complessi, includendo tutte le componenti del sistema (Atmosfera, Oceano, Suolo, Criosfera e Biosfera) con I relativi processi fisici e dinamici e le interazioni tra essi.

5 MODELLI DEL CLIMA Simple climate models Energy Balance Models (EMB): (e.g. Budyko 1969, Sellers 1969) Modelling the Earth climate (predict the surface temperature) in terms of its global energy balance. They are zero- or one-dimensional models mostly used for sensitivity studies of the climate system to investigate the possibility of alternative stable climatic states for the Earth (geological time-scales climatic changes) From McGuffie Henderson-Sellers Fi(T)= transfer of energy through latitude zones

6 Radiative-convective (RC) climate models (e.g. Manabe and Strickler 1964) MODELLI DEL CLIMA Simple climate models 1-D models (vertical). Resolve many layers in the atmosphere and seek to compute atmospheric and surface temperature. Can be used for sensitivity tests and offer the opportunity to incorporate a complex radiation treatment From McGuffie Henderson-Sellers

7 IL SISTEMA CLIMATICO The pictorial form 7

8 MODELLI DEL CLIMA Global coupled General Circulation Models (GCMs) From L. Bengtsson, 2005

9 MODELLI DEL CLIMA Le componenti del sistema climatico sono sistemi fisici e quindi descritti dalle leggi della fisica ATMOSFERA Conservation of momentum x y Du Dt Dv Dt fv = φ x F x + fu = φ y F y z 0 = φ p RT p Hydrostatic balance (neglect vertical accelerations) Conservation of mass dρ dt + ρr u = 0 u x + v y + ω p = 0 ω = dp/dt = pressure velocity Conservation of energy Equation of state T dt + u T dx + v T T + ω( dy p + RT ) = J pc p c p p = ρrt

10 Le equazioni del clima sono molto complesse e non ci sono soluzioni analitiche (conosciute) Metodo delle Differenze Finite u t = k 2u 2 2 2x MODELLI DEL CLIMA Metodi numerici basati sulla discretizzazione delle equazioni nei quali i gradienti sono sostituiti da differenze n+1 n U j - U j U n - 2U jn + U n j+1 j-1 = t x 2 treat very complex mathematical equations, paying the price of a enormous number of elementary operations 10 McGuffie and Henderson-Sellers, 2005

11 Model s do not have enough resolution to resolve a number of physical processes. Many of these processes act at scales of 1-10 km or even smaller. So they are represented in terms of the large-scale flow (what gets simulated). MODELLI DEL CLIMA SUB-GRID COMPONENTS PARAMETRIZATION 11 Modified from

12 MODELLI DEL CLIMA Mathematical equations that represent the physical characteristics and processes are entered for each box

13 MODELLI DEL CLIMA Equations are converted to computer code and climate variables are set

14 MODELLI DEL CLIMA A supercomputer solves all the equations, passing results to neighboring boxes and calculating the next set of initial conditions

15 APPLICAZIONI DEI MODELLI DEL CLIMA L USO DEI GLOBAL COUPLED GCMs I modelli sono strumenti che possono essere utilizzati per una varietà di scopi Simulazioni Climatiche: esplorare i meccanismi che governano la variabilità del clima e dei suoi possibili cambiamenti. Esperimenti mirati principalmente a investigare i processi su una grande varietà di scale spaziali e temporali Proiezioni di Cambiamento Climatico: investigare e possibilmente quantificare il segnale di cambiamento climatico associato a prescritti scenari di forzante radiativo. Generalmente lunghe simulazioni mirate ad identificare trend di lungo termine e cambiamenti nella statistica dei parametri climatici. Previsioni Climatiche (stagionali-multiannuali): mirate ad investigare e cercare di prevedere le variazioni dovute sia ai forzanti esterni che alla variabilità interna del sistema climatico

16 APPLICAZIONI DEI MODELLI DEL CLIMA SIMULAZIONI CLIMATICHE: CLIMA PRESENTE Sea-Surface Temperature (SST) mean OBS (HadISST) MODEL MODEL - OBS JFM OBS (HadISST) MODEL MODEL - OBS JAS C C

17 APPLICAZIONI DEI MODELLI DEL CLIMA SIMULAZIONI CLIMATICHE: CLIMA PRESENTE PRECIPITATION (annual mean) mean OBS MODELS From IPCC AR4 WG1, 2007

18 APPLICAZIONI DEI MODELLI DEL CLIMA SIMULAZIONI CLIMATICHE: CLIMA PRESENTE Near surface temperature anomaly (wrt ) Assess the capability of the model (simulation) to reproduce the observed trend once the observed forcing is prescribed From IPCC AR4 WG1, 2007

19 APPLICAZIONI DEI MODELLI DEL CLIMA SIMULAZIONI CLIMATICHE: CLIMA PRESENTE SST anomaly Equatorial cold tongue is weaker than average or absent during El Niño, resulting in positive SST anomalies Equatorial cold tongue is stronger than average during La Niña, resulting in negative SST anomalies From A. Capotondi

20 APPLICAZIONI DEI MODELLI DEL CLIMA SIMULAZIONI CLIMATICHE: CLIMA PRESENTE Evolution of the Niño3.4 index Observations CCSM3 (NCAR) MODELS GFDL NASA GISS From A. Capotondi

21 APPLICAZIONI DEI MODELLI DEL CLIMA PROIEZIONI DI CAMBIAMENTO CLIMATICO Global Atmosphere Climate projections: assess the climate change signal according to prescribed scenarios of radiative forcing. Generally long simulations starting from spin-up initial conditions. Heat Flux Water Flux Momentum SST Sea-ice Identify long-term trends and changes in the statistics of parameters of interest. Global Ocean Courtesy of S. Somot

22 APPLICAZIONI DEI MODELLI DEL CLIMA PROIEZIONI DI CAMBIAMENTO CLIMATICO Deviation of the global mean surface temperature (wrt mean) T2m trend DJF Prec trend DJF T2m trend JJA 10*( C/decade) Prec trend JJA (mm/day)/decade T2m and Precipitation projected trends

23 APPLICAZIONI DEI MODELLI DEL CLIMA PREVISIONI CLIMATICHE: PREVISIONI STAGIONALI Global Atmosphere Seasonal predictions: assess the climate variations mostly due to the internal variability of the climate system. 6-to-12 month simulations initialized with observed conditions (specific start date). Heat Flux Water Flux Momentum SST Sea-ice Prediction of possible anomalous conditions (e.g. ENSO). Global Ocean Both ocean (sea-ice) and atmosphere (soil) initialized with observed conditions Courtesy of S. Somot

24 APPLICAZIONI DEI MODELLI DEL CLIMA PREVISIONI CLIMATICHE: PREVISIONI STAGIONALI Anomalies of near-surface temp. and precipitation - JJA mean TEMP anomalies Starting date 1 st May 2010 Ref. Climatology JJA anomalies significantly different from climatology assessed through a bootstrap procedure. NINO-3 SSTA C PREC anomalies mm/season

25 APPLICAZIONI DEI MODELLI DEL CLIMA PREVISIONI CLIMATICHE: PREVISIONI STAGIONALI Assessment of the skill of the forecasts (decadal or seasonal) FORECASTS OF PAST EVENTS (Forecasts in the past = HINDCASTS) Anomaly correlations between predicted and observed T2m

26 SUMMARY Dai primi passi degli anni 60 enormi progressi sono stati fatti nella modellistica del clima (grazie anche allo sviluppo delle risorse computazionali e dei metodi numerici). mid-1960s 1970s-1980s 1990s 2000s present day I modelli climatici stato-dell arte sono in grado di riprodurre molte delle principali caratteristiche del clima osservato e possono essere utilizzati per cercare di capirne i meccanismi e prevederne l evoluzione. I problemi principali rimangono quelli legati al trattamento dei fenomeni a piccola scala, non esplicitamente risolti e rappresentati per mezzo di parametrizzazioni (es. nubi, convezione, ecc.) la cui trattazione è in larga misura legata ad assunzioni ad hoc (importanti implicazioni per gli studi di cambiamento climatico). modified from Washington et al. 2009

27 Five Dimensions of Climate Prediction (T. Palmer, ECMWF) Simulation complexity Resolution Timescale Ensemble size Data assimilation/ Initial value forecasts All require much greater computer resource and more efficient modeling infrastructures

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