De hydrologische cyclus en klimaatmodellen

(1)

De hydrologische cyclus en klimaatmodellen

Bart van den Hurk

(KNMI/IMAU)

(2)

HOVO hydrologische cyclus en klimaatmodellen

De energiebalans van de atmosfeer

•  Brontermen:

–  67 kortgolvig zon

–  26 langgolvig oppervlak –  24 thermisch

–  78 latent

•  Totaal:

–  195 W/m

²

Water(damp) en latente warmte

spelen belangrijke

rol

(3)

Water als energiepomp

energie

ver damping

energie

condensatie neerslag Transport

oceaan land

(4)

De watercyclus

Peixoto & Oort, 1992

10

¹²

m

³

= 1000 km

³

verblijftijd

•  in atmosfeer: ~10 dagen

•  in oceaan: ~3000 jaar

•  land: ~ 1-5 jaar

(5)

Schattingen van E en P

redelijk stabiel variaties 15-20%

variaties 15-20%

(6)

Transport door de atmosfeer

} circulatie: ^Hadley convectie gedreven door

instraling

} wervels (eddies) en fronten gedreven door

temperatuur-

gradienten

(7)

Noord-zuid transport

Totaal transport:

bewegende eddies (depressies) stationaire eddies (moesson) grootschalige circulatie

Noor dw aarts Zuidw aarts

(8)

West Africaanse Moesson

www.amma-international.org

(9)

De noord-zuid verdeling van neerslag

•  Sterke afname met breedtegraad

•  Sterke signatuur van Hadley-circulatie

•  P _land < P _oceaan

•  (Seizoensafhankelijke) tropische convergentie boven land

uitgesprokener

oceaan

land

totaal

(10)

Noord-zuid verdeling van verdamping

•  Afname met breedtegraad

•  Relatief minimum boven evenaar –  wolken

–  lage SST

Peixoto & Oort, 1992

Oceaan verdamping

(11)

Zonale verdeling van P, E, P-E

P = neerslag

E = verdamping

P-E = convergentie

(12)

P & E voor verschillende continenten

Region P

(mm/yr)

E

(mm/yr)

P-E

(mm/yr)

E/P (P-E)/P

(runoff fractie)

Europe 657 375 282 0.57 0.43

Asia 696 420 276 0.60 0.40

Africa 696 582 114 0.84 0.16

Australia 447 420 27 0.94 0.06

North

America 645 403 242 0.62 0.38

South

America 1564 946 618 0.60 0.40

Antarctica 169 28 141 0.17 0.83

All land 746 480 266 0.64 0.36

All oceans 1066 1176 -110 1.10 -0.10

Peixoto & Oort, 1992

(13)

Klimaatmodellen

begintoestand (wind, T, q, druk,

zoutgehalte)

externe forcering

(zon, samenstelling atm., vulkanen)

beweging, transport, fase-overgangen

nieuwe toestand

belangrijk voor weersverwachting

belangrijk voor

klimaatprojecties

(14)

Algemene structuur van

General Circulation Models (GCMs) (1)

•  Wat bepaalt de toestand van de atmosfeer?

–  Wind

•  Bewegingsvergelijking

–  U, V = f (druk gradient, wrijving)

–  Temperatuur

•  Behoud van energie:

–  T = f (thermodynamica, straling)

–  Vocht

•  Behoud van massa

–  q = f (evaporatie, condensatie)

(15)

Algemene structuur van

General Circulation Models (2)

•  Basisvergelijken worden op een grid opgelost –  Computer limitaties

•  Typisch 100-500 km horizontaal

–  1 × 1°: 65,000 punten

•  Typisch 20-50 verticale niveaus

–  1 – 5 millioen grid punten

–  Numerieke limitaties

•  Numerieke stabiliteit beperkt time step van integratie

–  10 – 60 minuten/time step

–  Een jaar = 10

⁵

time steps, een eeuw = 10

⁷

(16)

De werkelijkheid is complexer

(17)

Algemene structuur van

General Circulation Models (3)

•  Veel processen zijn sub-grid, en worden beschreven met een parameterisatie

–  Kleinschalige processen (fluxen) uitgedrukt in

termen van opgeloste (grootschalige) variabelen met behulp van (semi-)empirische relaties, gebaseerd op waarnemingen

•  Voorbeeld: voelbare warmte in een turbulent veld

θ _s θ _a

H = voelbare warmte [W/m

²

] ρ = luchtdichtheid [kg/m

³

]

c

_p

= specifieke warmte [J/kg K]

U = windsnelheid [m/s]

θ _s θ _a

H

(18)

Voorbeelden van parametrisaties en enkele belangrijke parameters

•  Straling

–  kortgolvig: aborptie/reflectie van wolken –  langgolvig: emissie door GHG

•  Condensatie en wolken

–  ‘kritische’ relatieve vochtigheid (RH) –  aanwezigheid aerosolen

•  Convectie

–  verticale beweging en menging –  hoeveelheid condensatiewarmte

•  Land processen

–  reflectie van straling (albedo) –  sneeuwbedekking (en albedo) –  ‘effectieve’ worteldiepte

•  Oceaan

–  dikte van de menglaag

–  dikte van zee-ijs

(19)

Van klimaatmodellen naar Earth System

Models (ESMs)

(20)

Evolutie van ESMs

(21)

Zijn de modellen goed genoeg?

(22)

Wereldgemiddelde temperatuur

14 modellen, 58 realisaties

gemiddelde van deze modelruns waarnemingen

IPCC, 2007

(23)

Patronen van jaargemiddelde

oppervlakte temperatuur

(24)

Fout in Top-Of-Atmosphere (TOA) straling

IPCC, 2007

Kortgolvig

Langolvig

Root Mean Square fout tov

1985-1989 satellietwaarnemingen

Kleurtjes: individuele modellen

Zwart: gemiddelde van modellen

(25)

Jaarsom neerslag

waarnemingen (1980-1999)

gemiddelde van modellen

(26)

Verbetering in de laatste 5 jaar

IPCC, 2007

(27)

Validatie van de feedbacks

•  Voorbeeld: sneeuw → hogere albedo → minder straling → lagere temperatuur → meer sneeuw

•  Feedback parameter: Δalb/ΔT [%/°C]

•  Vergelijk verandering binnen seizoen met verandering tgv geprojecteerde opwarming verandering tussen

De hydrologische cyclus en klimaatmodellen

De hydrologische cyclus en klimaatmodellen

Bart van den Hurk

(KNMI/IMAU)

De energiebalans van de atmosfeer

• Brontermen:

– 67 kortgolvig zon

– 26 langgolvig oppervlak – 24 thermisch

– 78 latent

• Totaal:

– 195 W/m

Water(damp) en latente warmte

spelen belangrijke

rol

Water als energiepomp

energie

ver damping

energie

condensatie neerslag Transport

oceaan land

De watercyclus

Peixoto & Oort, 1992

10

m

= 1000 km

verblijftijd

• in atmosfeer: ~10 dagen

• in oceaan: ~3000 jaar

• land: ~ 1-5 jaar

Schattingen van E en P

redelijk stabiel variaties 15-20%

variaties 15-20%

variaties 15-20%

Transport door de atmosfeer

} circulatie: Hadley convectie gedreven door

instraling

} wervels (eddies) en fronten gedreven door

temperatuur-

gradienten

Noord-zuid transport

Totaal transport:

bewegende eddies (depressies) stationaire eddies (moesson) grootschalige circulatie

Noor dw aarts Zuidw aarts

West Africaanse Moesson

www.amma-international.org

De noord-zuid verdeling van neerslag

• Sterke afname met breedtegraad

• Sterke signatuur van Hadley-circulatie

• P land < P oceaan

• (Seizoensafhankelijke) tropische convergentie boven land

uitgesprokener

oceaan

land

totaal

Noord-zuid verdeling van verdamping

• Afname met breedtegraad

• Relatief minimum boven evenaar – wolken

– lage SST

Peixoto & Oort, 1992

Oceaan verdamping

Zonale verdeling van P, E, P-E

P = neerslag

E = verdamping

P-E = convergentie

P & E voor verschillende continenten

Region P

(mm/yr)

E

(mm/yr)

P-E

(mm/yr)

E/P (P-E)/P

(runoff fractie)

Europe 657 375 282 0.57 0.43

Asia 696 420 276 0.60 0.40

Africa 696 582 114 0.84 0.16

Australia 447 420 27 0.94 0.06

North

America 645 403 242 0.62 0.38

South

•  Brontermen:

–  67 kortgolvig zon

–  26 langgolvig oppervlak –  24 thermisch

–  78 latent

•  Totaal:

–  195 W/m

•  in atmosfeer: ~10 dagen

•  in oceaan: ~3000 jaar

•  land: ~ 1-5 jaar

} circulatie: ^Hadley convectie gedreven door

•  Sterke afname met breedtegraad

•  Sterke signatuur van Hadley-circulatie

•  P _land < P _oceaan

•  (Seizoensafhankelijke) tropische convergentie boven land

•  Afname met breedtegraad

•  Relatief minimum boven evenaar –  wolken

–  lage SST

•  Wat bepaalt de toestand van de atmosfeer?

–  Wind

•  Bewegingsvergelijking

–  U, V = f (druk gradient, wrijving)

–  Temperatuur

•  Behoud van energie:

–  T = f (thermodynamica, straling)

–  Vocht

•  Behoud van massa

–  q = f (evaporatie, condensatie)

•  Basisvergelijken worden op een grid opgelost –  Computer limitaties

•  Typisch 100-500 km horizontaal

–  1 × 1°: 65,000 punten

•  Typisch 20-50 verticale niveaus

–  1 – 5 millioen grid punten

–  Numerieke limitaties

•  Numerieke stabiliteit beperkt time step van integratie

–  10 – 60 minuten/time step

–  Een jaar = 10

•  Veel processen zijn sub-grid, en worden beschreven met een parameterisatie

–  Kleinschalige processen (fluxen) uitgedrukt in

•  Voorbeeld: voelbare warmte in een turbulent veld

θ _s θ _a

θ _s θ _a

•  Straling

–  kortgolvig: aborptie/reflectie van wolken –  langgolvig: emissie door GHG

•  Condensatie en wolken

–  ‘kritische’ relatieve vochtigheid (RH) –  aanwezigheid aerosolen

•  Convectie

–  verticale beweging en menging –  hoeveelheid condensatiewarmte

•  Land processen

–  reflectie van straling (albedo) –  sneeuwbedekking (en albedo) –  ‘effectieve’ worteldiepte

•  Oceaan

–  dikte van de menglaag

–  dikte van zee-ijs