Παγκόσμια Επανάλυση Περιφερειακής Ατμοσφαιρικής Μεταβλητότητας

Από τις πρώτες εποχές της πρόβλεψης του καιρού, ένα υποπροϊόν χύτευε τώρα - καθορίζοντας την κατάσταση της ατμόσφαιρας την ημέρα «0». Χρησιμοποιώντας διάφορες παρατηρήσεις μετεωρολογικών μεταβλητών όπως κατεύθυνση και ταχύτητα ανέμου, θερμοκρασία και πίεση, σχεδιάστηκαν «συνοπτικοί καιρικοί χάρτες». Από το 1900 περίπου, τέτοιοι χάρτες είναι πλέον διαθέσιμοι για ορισμένα μέρη του κόσμου, ιδιαίτερα τη Βόρεια Ευρώπη και τον παρακείμενο Ατλαντικό Ωκεανό.

Αργότερα, όταν έγιναν διαθέσιμα οι υπολογιστές και τα δεδομένα του ανώτερου αέρα, αυτή η διαδικασία «ανάλυσης»  βελτιώθηκε – από πρόσφατες προβλέψεις για την ημέρα «0» συν δεδομένα παρατήρησης την ημέρα «0» κατασκευάστηκαν αρχικά πεδία για την αριθμητική πρόβλεψη καιρού. Αυτές οι σειρές χαρτών εξυπηρέτησαν πολύ καλά το σκοπό να καταστούν δυνατές προβλέψεις καιρού, αλλά ήταν λιγότερο ισχυρές για κλιματικούς σκοπούς, ιδίως για τον προσδιορισμό μακροπρόθεσμων τάσεων, απλώς λόγω των λεγόμενων ανομοιογενειών στη σειρά των χαρτών:λόγω της αλλαγής της πρόβλεψης τα μοντέλα, η μεταβαλλόμενη πυκνότητα των δικτύων παρατήρησης και η διαθεσιμότητα νέων πλατφορμών παρατήρησης (ιδίως προϊόντων που βασίζονται σε δορυφόρους) οδηγούν σε αλλαγή της ποιότητας και της λεπτομέρειας σε αυτές τις «αναλύσεις».

Έτσι, οι αλλαγές στο χρόνο και το χώρο μπορεί να σχετίζονται με διακυμάνσεις στα καιρικά μοτίβα και συχνότητες, αλλά και με μεταβαλλόμενες πρακτικές οργάνων και παρατήρησης. Η χρήση αμετάβλητων μοντέλων για όλη την ώρα βοήθησε λίγο σε αυτό το πρόβλημα – αυτά τα προϊόντα ονομάζονται «επαναναλύσεις» – αλλά το θεμελιώδες πρόβλημα των ανομοιογενειών σε περιφερειακή και τοπική κλίμακα παραμένει.

Ωστόσο, κατά τον σχεδιασμό συντήρησης υπεράκτιων κατασκευών, όταν σχεδιάζονται πλοία για να αντέχουν στις περιβαλλοντικές πιέσεις, όταν αξιολογείται ο κίνδυνος πολύ υψηλών κυμάτων καταιγίδας ή του δυναμικού της αιολικής ενέργειας, της μεταβλητότητας της περιφερειακής ανόδου, επιπτώσεις στη θερμική κατάσταση του μόνιμου παγετού, οικολογία και βιοχημικοί κύκλοι μέσω της κάλυψης και του βάθους του χιονιού – που είναι μόνο μερικά από πολλά ακόμη παραδείγματα – απαιτούνται ρεαλιστικές και ομοιογενείς περιγραφές της περιφερειακής λεπτομερούς ροής του καιρού για αρκετά ομοιογενές μεγάλο χρονικό διάστημα. Τέτοιες περιγραφές δεν μπορούν να κατασκευαστούν απευθείας από παρατηρήσεις απλώς και μόνο λόγω της σπανιότητας των δεδομένων παρατήρησης και των ανομοιογενειών περιφερειακής κλίμακας των αναλύσεων.

Ταινία:Περιγραφή της καταιγίδας μεσαίου γεωγραφικού πλάτους Christian και της τροπικής καταιγίδας Hayan το 2013, όπως παρέχεται από την παγκόσμια μείωση της κλίμακας. Τα δεδομένα παρέχονται από τη Martina Schubert-Frisius και την Frauke Feser, ταινία που συγκεντρώθηκε από τη Felicia Brisc, Climate Visualization Laboratory, CEN/CLISAP, Πανεπιστήμιο του Αμβούργου, Αμβούργο. Πρόσθετες πληροφορίες μπορείτε να βρείτε εδώ.

Εδώ, η ιδέα της «μείωσης κλίμακας» προσφέρει μια λύση. Μείωση κλίμακας σημαίνει να πλαισιώνουμε το περιφερειακό καιρικό ρεύμα ως «ρυθμισμένο» από την ατμοσφαιρική κατάσταση μεγάλης κλίμακας και τις περιφερειακές και τοπικές φυσιογραφικές λεπτομέρειες, όπως οι ακτές ή οι οροσειρές. Πρακτικά, αυτό γίνεται με την «ώθηση» των στοιχείων μεγάλης κλίμακας των πεδίων που δημιουργούνται από το μοντέλο σε αυτά των αναλύσεων, ενώ τα στοιχεία περιφερειακής κλίμακας αφήνονται εξ ολοκλήρου στο μοντέλο. Προηγούμενες εμπειρίες με ατμοσφαιρικά μοντέλα περιορισμένης περιοχής (περιφερειακής) καταδεικνύουν ότι αυτή η ιδέα λειτουργεί καλά, εφόσον η ποιότητα της περιγραφής της μεγάλης κλίμακας είναι επαρκής. Ειδικότερα, όταν η κατάσταση μεγάλης κλίμακας περιγράφεται ομοιογενώς από τις εκ νέου αναλύσεις, δημιουργείται μια συνεπής και ομοιογενής περιγραφή της περιφερειακής δυναμικής.

Η βασική υπόθεση της ομοιογένειας της ανάλυσης της συνιστώσας μεγάλης κλίμακας φαίνεται να εκπληρώνεται στο μεγαλύτερο μέρος του Βορείου Ημισφαιρίου για τις επανααναλύσεις NCEP από το 1960 περίπου ή ίσως και νωρίτερα. για το Νότιο Ημισφαίριο, η ομοιογένεια επιτυγχάνεται μόνο μετά την έλευση των δορυφορικών δεδομένων, δηλαδή από το 1980 περίπου. Επαναναλύσεις όπως το European ERA-interim ή το JRA55 της Ιαπωνίας είναι διαθέσιμες μόνο από το 1980 ή αργότερα.

Σε διάφορες μελέτες, η προστιθέμενη αξία αυτής της διαδικασίας,  στην περιγραφή περιφερειακών και τοπικών λεπτομερειών, έχει αποδειχθεί χρησιμοποιώντας τοπικά ατμοσφαιρικά μοντέλα που εφαρμόζουν τον περιορισμό μεγάλης κλίμακας («Spectral nudging») (Feser et al., 2011). Το 2008, οι Yoshimura και Kanamitsu πρότειναν την εφαρμογή αυτής της περιοριστικής μεθόδου σε παγκόσμια μοντέλα και απέδειξαν τις δυνατότητες αυτής της προσέγγισης. Ακολουθήσαμε το παράδειγμα του Yoshimura και του Kanamitsu και δημιουργήσαμε φασματική ώθηση στο υψηλής ανάλυσης παγκόσμιο κλιματικό μοντέλο ECHAM6 (T255L95 – τα οριζόντια πεδία επεκτείνονται σε σφαιρικές αρμονικές μέχρι τον συνολικό αριθμό κυμάτων 255, που αντιστοιχεί σε απόσταση σημείου πλέγματος περίπου 55 km. το κάθετο χωρίζεται σε  95 κατακόρυφα επίπεδα). [Τα δεδομένα είναι δημόσια διαθέσιμα εδώ] Παρέχονται λεπτομέρειες, καθώς και για τη δοκιμή διαφορετικών διαμορφώσεων, οι Schubert-Frisius et al. (2017).

Στην πρόσφατη εργασία μας (von Storch et al., 2017) αξιολογήσαμε την απόδοση αυτής της παγκόσμιας ανάλυσης της περιφερειακής δυναμικής σε ορισμένες περιοχές με μειωμένη ή απουσία τοπικής κάλυψης δεδομένων, όπως η Κεντρική Σιβηρία, η Μποχάι και η Κίτρινη Θάλασσα. Νοτιοδυτική Αφρική και Νότιο Ατλαντικό. Συγκρίναμε τα αποτελέσματα των παγκόσμιων προσομοιώσεων με τα διαθέσιμα δεδομένα σε περιορισμένες χρονικές περιόδους και βρήκαμε ικανοποιητικά αποτελέσματα. Επίσης, μια σύγκριση με την έξοδο των περιφερειακών προσομοιώσεων (με παρόμοια χωρική ανάλυση) απέδωσε δεξιότητες στην αναπαραγωγή της παρατηρούμενης μεταβλητότητας. Οι περιπτώσεις μας καταδεικνύουν ότι οι λεπτομερείς χωρικές ανακατασκευές της κλιματικής κατάστασης και η αλλαγή της τις τελευταίες τρεις έως έξι δεκαετίες προσθέτουν ομοιογενώς συμπληρωματικές πληροφορίες στα υπάρχοντα δεδομένα παρατήρησης για μεσαίου γεωγραφικού πλάτους και υποτροπικές περιοχές του κόσμου.

Εξάγουμε τα ακόλουθα γενικά συμπεράσματα από τη μελέτη μας:

1. Παγκόσμιες ομοιογενείς περιγραφές της περιφερειακής μεταβλητότητας μπορούν να κατασκευαστούν με την επεξεργασία μεγάλης κλίμακας μεταβλητότητας και περιφερειακών φυσιογραφικών λεπτομερειών. Αυτό μπορεί να γίνει με καθολικά μοντέλα.
2. Οι σύγχρονοι πόροι υπολογιστών επιτρέπουν τέτοιες προσομοιώσεις για ανάλυση δικτύου περίπου 50 km, και στο άμεσο μέλλον, αυτό το κατώτερο όριο θα μειωθεί, ας πούμε, στα 20 ή ακόμα και στα 10 km.
3. Έτσι, η ανάγκη χρήσης περιφερειακών μοντέλων με τέτοιες αποφάσεις θα μειωθεί. Ωστόσο, για προσομοιώσεις με ρητή περιγραφή της ατμοσφαιρικής μεταφοράς, οι οποίες απαιτούν αναλύσεις πλέγματος 7 και πολύ λιγότερα km's, θα χρειαστούν τοπικά μοντέλα και για το άμεσο μέλλον. Αυτό ισχύει, ειδικότερα, για τις μελέτες του κλίματος των αστικών συγκροτημάτων.
4. Η προσέγγιση της δυναμικής μείωσης κλίμακας επιτρέπει την περιγραφή της παρελθούσας περιφερειακής μεταβλητότητας σε περιοχές χωρίς ή χωρίς ελάχιστα τοπικά στοιχεία παρατήρησης στην ίδια την περιοχή.
5. Η μέθοδος μπορεί επίσης να εφαρμοστεί για την κατασκευή σεναρίων πιθανής μελλοντικής περιφερειακής κλιματικής αλλαγής.
6. Ο θεμελιώδης περιορισμός της επιτυχίας αυτής της διαδικασίας είναι η ομοιογένεια της μεγάλης κλίμακας μεταβλητότητας. Εάν αυτή η ομοιογένεια διακυβεύεται, τότε δεν αναμένεται ισχυρή προστιθέμενη αξία από την προσπάθεια μείωσης της κλίμακας.

Αναφορές

• Feser, F., B. Rockel, H. von Storch, J. Winterfeldt και M. Zahn, 2011: Τα περιφερειακά κλιματικά μοντέλα προσθέτουν αξία. Ταύρος. Amer. Μετέωρο. Soc. 92:1181–1192
• Schubert-Frisius, M., F. Feser, H. von Storch και S. Rast, 2017: Βέλτιστη φασματική ώθηση για παγκόσμια δυναμική μείωση κλίμακας. Δευτ. Wea. Σεβ. , DOI:https://journals.ametsoc.org/action/cookieAbsent
• von Storch, H., F. Feser, B. Geyer, K. Klehmet, 李德磊 (Li D.), B. Rockel, M. Schubert-Frisius, N. Tim, and E. Zorita, 2017: Περιφερειακή εκ νέου ανάλυση χωρίς τοπικά δεδομένα – αξιοποίηση του παραδείγματος μείωσης κλίμακας. J. Geophys. Res. – Ατμόσφαιρες , DOI:10.1002/2016JD026332, νωρίς στο διαδίκτυο
• Yoshimura K, Kanamitsu M (2008) Dynamical Global Downscaling of Global Reanalysis. Mon Weather Rev 136:2983–2998. doi:10.1175/2008MWR2281.1

Αυτή η μελέτη, Περιφερειακή εκ νέου ανάλυση χωρίς τοπικά δεδομένα:Αξιοποίηση του παραδείγματος μείωσης κλίμακας δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Journal of Geophysical Research:Atmospheres . Μπορείτε να μάθετε περισσότερα για τον συγγραφέα Hans von Storch μέσω της προσωπικής του ιστοσελίδας, Academia.edu και ResearchGate.