Assessment of the reliability of climate models (in greek)

Διερεύνηση της αξιοπιστίας των κλιματικών μοντέλων μέσω της

σύγκρισής τους με ιστορικές χρονοσειρές

Γρηγόρης Αναγνωστόπουλος

Επιβλέπων καθηγητής: Δημήτρης Κουτσογιάννης

Στόχος της εργασίας• Η επαλήθευση των επιστημονικών θεωριών από εμπειρικά

δεδομένα αποτελεί έναν από τους ακρογωνιαίους λίθους της επιστήμης.

• Η αξιοπιστία των προβλέψεων για το κλίμα, που γίνονται με βάση τα κλιματικά μοντέλα, ελάχιστα έχει διερευνηθεί κυρίως σε χωρικές κλίμακες μικρότερες της ηπειρωτικής.

• Βασικός στόχοςΒασικός στόχος αυτής της εργασίας είναι, εκμεταλλευόμενη το παράθυρο στο παρελθόν που δίνουν κάποιες από τις εκτελέσεις των κλιματικών μοντέλων του TAR (Τhird Assessment Report) και του AR4 (Fourth Assessment Report), να συγκρίνει αρχικά σε σημειακή και στη συνέχεια σε επιφανειακή κλίμακα τα αποτελέσματα των κλιματικών μοντέλων σε σχέση με μακρές ιστορικές χρονοσειρές.

Κλιματικά μοντέλα• Τα κλιματικά μοντέλα είναι

αλγόριθμοι που λύνουν συστήματα διαφορικών εξισώσεων που προκύπτουν από τους θεμελιώδεις νόμους της φυσικής, της μηχανικής των ρευστών και της χημείας.

• Τα μοντέλα γενικής κυκλοφορίας (General Circulation Models – GCMs) είναι αυτά που χρησιμοποιούνται σήμερα για την πρόβλεψη της κλιματικής αλλαγής. Τα μοντέλα αυτά βασίζονται στην αριθμητική ολοκλήρωση των εξισώσεων Navier-Stokes της ρευστομηχανικής.

Μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν στην εργασία

• Xρησιμοποιήθηκαν 3 μοντέλα του TAR και 3 μοντέλα του ΑR4, το καθένα από τα οποία τρέχει με βάση ένα σενάριο το οποίο δίνει μια πιθανή εικόνα του κλίματος στο μέλλον.

• Η επιλογή των σεναρίων έγινε με το κριτήριο της κάλυψης παλαιότερων ιστορικών περιόδων.

• Στο TAR όλα τα σενάρια έχουν τρέξει για παλαιότερες ιστορικές περιόδους, οπότε η επιλογή του σεναρίου δεν έχει τόσο μεγάλη σημασία. Έτσι επιλέγεται το SRES A2 το οποίο καλύπτει τον 20ο αιώνα. Εξαίρεση αποτελεί το μοντέλο ECHAM4 του οποίου οι εκτελέσεις με το SRES A2 δεν καλύπτουν τον 20ο αιώνα και για αυτόν το λόγο χρησιμοποιείται το σενάριο IS92a το οποίο ξεκινάει από το 1860.

• Από τα σενάρια του AR4 το μόνο που είναι κατάλληλο για αυτήν την εργασία είναι το 20C3M.

Σταθμοί σημειακής σύγκρισης

• Για την σημειακή σύγκριση επιλέχθηκαν 55 σταθμοί από όλο τον κόσμο με τα εξής κριτήρια:

• (α) οι σταθμοί να είναι κατανεμημένοι σε όλες τις ηπείρους και σε διαφορετικούς τύπους κλίματος.

• (β) η διαθεσιμότητα των δεδομένων στο διαδίκτυο σε μηνιαία κλίμακα.

• (γ) η ύπαρξη χρονοσειρών που να έχουν τουλάχιστον 100 χρόνια παρατηρήσεων χωρίς καθόλου κενά (ή με όσο το δυνατόν λιγότερα κενά τα οποία συμπληρώθηκαν με τον μηνιαίο μέσο όρο).

Σταθμοί που εξετάστηκε η θερμοκρασία

Σταθμοί που εξετάστηκε η βροχόπτωση

Σταθμοί επιφανειακής σύγκρισης

• Για την επιφανειακή ολοκλήρωση επιλέχθηκαν 70 σταθμοί στις ΗΠΑ ,έτσι ώστε να καλύπτεται ομοιόμορφα όλη η έκτασή τους. Η συγκεκριμένη περιοχή επιλέχτηκε λόγω της αφθονίας των δεδομένων, που ξεπερνά κάθε άλλη περιοχή που εξετάστηκε.

• Για να εξάγουμε την επιφανειακή χρονοσειρά χρησιμοποιούμε την μέθοδο επιφανειακής ολοκλήρωσης Thiessen εξάγουμε μια επιφανειακή χρονοσειρά.

Σταθμοί επιφανειακής σύγκρισης

• Για τα δεδομένα της θερμοκρασίας προέκυψε ότι υπάρχει συσχέτιση μεταξύ της θερμοκρασίας και του υψομέτρου.

• Πραγματοποιήσαμε υψομετρική αναγωγή των δεδομένων.• Για τα δεδομένα της βροχόπτωσης δεν φαίνεται να προκύπτει

συσχέτιση μεταξύ βροχόπτωσης και υψομέτρου για τους συγκεκριμένους σταθμούς.

• Το μέσο υψόμετρο των ΗΠΑ δεν διαφέρει πολύ από το μέσο σταθμισμένο υψόμετρο των σταθμών και κατά συνέπεια δεν κάνουμε κάποια υψομετρική διόρθωση στα δεδομένα της βροχής.

R2 = 0.1848

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

0 500 1000 1500 2000 2500Elevation (m)A

ve

rag

e T

em

pe

ratu

re (

oC

)

Σχέση υψομέτρου - θερμοκρασίας

Επαλήθευση επιφανειακών δεδομένων• Μετά την εξαγωγή των επιφανειακών

χρονοσειρών θεωρήθηκε αναγκαία η σύγκριση τους με επιφανειακά δεδομένα άλλων φορέων προκειμένου να διαπιστωθεί η αξιοπιστία τους.

• Οι φορείς που προσφέρουν επιφανειακά στοιχεία για τις ΗΠΑ είναι η ΝΟΑΑ (National Oceanic and Atmospheric Administration) και η NASA (National Aeronautics and Space Administration).

• Στο πλαίσιο αυτής της εργασίας εξαγάγαμε τις δικές μας επιφανειακές χρονοσειρές καθώς επιθυμούσαμε η σύγκριση με τα κλιματικά μοντέλα να γίνει με βάση πρωτογενή δεδομένα, που δεν θα έχουν υποστεί κανενός είδους προσαρμογή.

10.00

10.50

11.00

11.50

12.00

12.50

13.00

1890 1910 1930 1950 1970 1990 2010

An

nu

al M

ean

Tem

per

atu

re (

oC

)

Thiessen NOAA

550.00

600.00

650.00

700.00

750.00

800.00

850.00

900.00

1890 1910 1930 1950 1970 1990 2010

An

nu

al P

reci

pit

atio

n -

Th

iess

en (

mm

)

590

640

690

740

790

840

890

940

An

nu

al P

reci

pit

atio

n -

NO

AA

(m

m)Thiessen NOAA

Διαγράμματα σύγκρισης των επιφανειακών χρονοσειρών που προκύπτουν από τη μέθοδο Thiessen με τα δεδομένα της

NOAA.

Εξαγωγή τιμών από τα μοντέλαΕξαγωγή σημειακών τιμών:• Xρησιμοποιούνται οι χρονοσειρές από τα τέσσερα κοντινότερα

σημεία του καννάβου και κατασκευάζεται η χρονοσειρά του μοντέλου που αντιστοιχεί στο σταθμό με βάση το βέλτιστο αμερόληπτο γραμμικό συνδυασμό.

• Η βελτιστοποίηση έγινε με βάση τον συντελεστή αποτελεσματικότητας (coefficient of efficiency).

• Με αυτή τη μέθοδο η χρονοσειρά που προκύπτει από τα μοντέλα αφήνεται να προσαρμοστεί όσο το δυνατόν καλύτερα στα ιστορικά δεδομένα.

Εξαγωγή επιφανειακών τιμών:• Για την εξαγωγή των επιφανειακών τιμών δεν χρειάζεται να κάνουμε

κανενός είδους στατιστική βελτιστοποίηση.• Κατά την εξαγωγή της επιφανειακής χρονοσειράς υπολογίζεται ένας

σταθμισμένος μέσος όρος των χρονοσειρών των σημείων του καννάβου που βρίσκονται μέσα στα γεωγραφικά όρια των ΗΠΑ.

Τρόπος σύγκρισης• Η σύγκριση γίνεται σε τρεις χρονικές κλίμακες: μηνιαία, ετήσια, κλιματική,

όπου η τελευταία προκύπτει από τον 30-ετή (κινούμενο) μέσο όρο. • Δύο βασικοί δείκτες χρησιμοποιούνται σε όλες τις χρονικές κλίμακες: ο

συντελεστής αποτελεσματικότητας (coefficient of efficiency), και ο συντελεστής συσχέτισης (correlation coefficient).

• Για όλες τις χρονικές κλίμακες και για όλες τις χρονοσειρές υπολογίζουμε και συγκρίνουμε την μέση τιμή και την τυπική απόκλιση.

• Στην ετήσια κλίμακα εξετάζονται ο συντελεστής αυτοσυσχέτισης 1ης τάξης και ο συντελεστής Hurst.

• Για την κλιματική κλίμακα εξετάζονται τρεις επιπλέον δείκτες: (1) η διακύμανση του 30-ετούς κινούμενου μέσου για τη θερμοκρασία ή τη βροχόπτωση στον 20ο αιώνα (που είναι η περίοδος που καλύπτουν τα περισσότερα μοντέλα εκτός από το HadCM3-A2, που ξεκινά από το 1950), (2) η διαφορά μεταξύ του πρώτου και του τελευταίου έτους κάθε χρονοσειράς, (3) η μέγιστη διακύμανση κατά την εξεταζόμενη περίοδο.

Διαγράμματα επιφανειακής σύγκρισης (θερμοκρασία)

10.00

11.00

12.00

13.00

14.00

15.00

16.00

1850 1870 1890 1910 1930 1950 1970 1990 2010

An

nu

al M

ean

Te

mp

era

ture

(oC

)

Observed CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M

20.00

21.00

22.00

23.00

24.00

25.00

26.00

1850 1870 1890 1910 1930 1950 1970 1990 2010M

ax

Mo

nth

ly T

em

pe

ratu

re (

oC

)


-6.00

-4.00

-2.00

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

1850 1870 1890 1910 1930 1950 1970 1990 2010

Min

Mo

nth

ly T

em

pe

ratu

re (

oC

)


• Κανένα μοντέλο δεν μπορεί να τις αναπαραστήσει τις διακυμάνσεις της ετήσιας μέσης θερμοκρασίας των ΗΠΑ. Τα περισσότερα μοντέλα προβλέπουν μια μονοτονική αύξηση της θερμοκρασίας.

• Το μόνο μοντέλο που δίνει αποτελέσματα σχετικά κοντά στην πραγματικότητα για τη μέση θερμοκρασία είναι το PCM-20C3M, αλλά και αυτό βέβαια έχει πολύ χαμηλό συντελεστή αποτελεσματικότητας στην 30-ετή κλίμακα (μόλις 0.05).

• Υποεκτιμά τη μέγιστη μηνιαία θερμοκρασία, ενώ υπερεκτιμά την μέγιστη μηνιαία θερμοκρασία και πλησιάζει τη μέση ετήσια θερμοκρασία.

500.00

600.00

700.00

800.00

900.00

1000.00

1100.00

1200.00

1850 1870 1890 1910 1930 1950 1970 1990 2010

An

nu

al P

reci

pit

atio

n (m

m)


60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

110.00

120.00

1850 1870 1890 1910 1930 1950 1970 1990 2010M

ax

Mo

nth

ly P

rec

ipita

tion

(m

m)


100.00

120.00

140.00

160.00

180.00

200.00

220.00

240.00

260.00

280.00

300.00

1850 1870 1890 1910 1930 1950 1970 1990 2010

Se

aso

nal

Pre

cip

itati

on

DJF

(mm

)


Διαγράμματα επιφανειακής σύγκρισης (βροχόπτωση)

• Το μοντέλο που πλησιάζει περισσότερο τις ιστορικές χρονοσειρές είναι το CGCM3-20C3M-T47. Ο συντελεστής αποτελεσματικότητας στην 30-ετή κλίμακα είναι -5.11 και ο συντελεστής συσχέτισης 0.171.

• Ακόμη και στις χρονοσειρές όπου το μοντέλο πλησιάζει περισσότερο τα ιστορικά δεδομένα ο συντελεστής αποτελεσματικότητας είναι αρνητικός και ο συντελεστής συσχέτισης κοντά στο μηδέν.

• Υπάρχουν μοντέλα του TAR και του ΑR4 που υπερεκτιμούν τη μέση θερμοκρασία των ΗΠΑ κατά 4 έως 5 βαθμούς και την συνολική ετήσια βροχόπτωση των ΗΠΑ κατά 300 έως 400 χιλιοστά ετησίως.

Συγκεντρωτικά αποτελέσματα σημειακής σύγκρισης

• Στην μηνιαία χρονική κλίμακα τα μοντέλα γενικά αναπαράγουν την ακολουθία θερμών – ψυχρών και ξηρών – υγρών περιόδων σε όλους τους σταθμούς που εξετάστηκαν. Ο μέσος συντελεστής συσχέτισης είναι 0.909 και 0.256, ενώ ο μέσος συντελεστής αποτελεσματικότητας είναι 0.721 και -0.433.

• Στην ετήσια κλίμακα, στη θερμοκρασία και στη βροχόπτωση, οι μέσοι συντελεστές συσχέτισης είναι μικρότεροι από την μηνιαία κλίμακα, ενώ ο μέσος συντελεστής αποτελεσματικότητας είναι αρνητικός ανεξάρτητα της στατιστικής παραμέτρου που εξετάζεται.

• Στην 30-ετή κλίμακα η συσχέτιση αυξάνεται ελαφρώς για την θερμοκρασία και την βροχόπτωση σε όλες τις χρονοσειρές που εξετάστηκαν σε αντίθεση με τον συντελεστή αποτελεσματικότητας που παίρνει έντονα αρνητικές τιμές.

Ετήσια Κλίμακα/

Θερμοκρασία

Μέσος

συντελεστής

συσχέτισης

Μέσος


αποδοτικότητας

Μέση θερμοκρασία 0.122 -5.157

Μέγιστη μηνιαία θερμοκρασία 0.062 -5.254

Ελάχιστη μηνιαία θερμοκρασία 0.033 -3.748

Ετήσιο θερμοκρασιακό εύρος 0.008 -4.068

Εποχιακή θερμοκρασία ΔΙΦ 0.051 -3.865

Εποχιακή θερμοκρασία ΙΙΑ 0.073 -7.495

30-ετής Κλίμακα/


Μέσος


συσχέτισης

Μέσος


αποδοτικότητας

Ετήσια Μέση θερμοκρασία 0.328 -89.001

Μέγιστη Μηνιαία θερμοκρασία 0.207 -118.499

Ελάχιστη Μηνιαία θερμοκρασία 0.177 -117.408

Ετήσιο θερμοκρασιακό εύρος 0.027 -107.350

Εποχιακή θερμοκρασία ΔΙΦ 0.243 -91.957

Εποχιακή θερμοκρασία ΙΙΑ 0.208 -180.427

• Η απόδοση των μοντέλων ποικίλλει ανάλογα με το σταθμό που εξετάστηκε.

• Ο σταθμός του De Bilt (Ολλανδία) είναι ένας από τους σταθμούς που τα μοντέλα του ΤΑR δίνουν αρκετά καλά αποτελέσματα για την μέση ετήσια θερμοκρασία. Ενώ τα μοντέλα αναπαριστούν ικανοποιητικά τη χρονοσειρά της μέσης ετήσιας θερμοκρασίας, δεν μπορούν να αναπαραστήσουν το ίδιο ικανοποιητικά τις χρονοσειρές των άλλων στατιστικών παραμέτρων.

• Στο σταθμό του Durban (Νότια Αφρική) κανένα από τα μοντέλα δεν μπορεί να αναπαραστήσει την πτώση της θερμοκρασίας κατά 1.5 βαθμό κατά τα έτη 1920-1960 και όλα προβλέπουν μια μονοτονική αύξηση της μέσης θερμοκρασίας.

7.00

8.00

9.00

10.00

11.00

12.00

1850 1870 1890 1910 1930 1950 1970 1990 2010

An

nu

al M

ea

n T

em

pe

ratu

re (

oC

)

Observed CGCM2-A2 HADCM3-A2 ECHAM4-GG

19.00

19.50

20.00

20.50

21.00

21.50

22.00

22.50

1850 1870 1890 1910 1930 1950 1970 1990 2010

An

nu

al M

ea

n T

em

pe

ratu

re (

oC

)


Ετήσια μέση θερμοκρασία στο De Bilt .

Ετήσια μέση θερμοκρασία στο Durban.

Συντελεστής Hurst και τυπική απόκλιση

Θερμοκρασία Βροχόπτωση Ποσοστό περιπτώσεων υποεκτίσησης

συντελεστή Hurst και τυπικής

απόκλισης Hurst

(%)

St Dev

(%)

Hurst

(%)

St Dev

(%)

Μέση θερμοκρασία/συνολική βροχόπτωση 74.24 70.30 79.09 89.39

Μέγιστη μηνιαία θερμοκρασία/βροχόπτωση 72.12 59.70 67.27 95.45

Ελάχιστη μηναία θερμοκρασία/βροχόπτωση 66.36 72.42 67.58 35.45

Ετήσιο θερμοκρασιακο εύρος 68.79 68.48 - -

Εποχιακή Θερμοκρασία/βροχόπτωση ΔΙΦ 68.79 70.00 66.97- 77.27

Εποχιακή Θερμοκρασία/βροχόπτωση ΙΙΑ 76.97 58.18 59.09 84.24

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

Hurst Coef Of Observed Temperature Series

Hu

rst

Co

ef o

f M

od

eled

Tem

per

atu

re

Ser

ies

(An

nu

al T

emp

Am

plit

ud

e)

CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M

CGCM2-A2 HADCM3-A2 ECHAM4-GG

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

5.00

5.50

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50

St Dev Of Observed Temperature Series

St

Dev

of

Mo

del

ed T

emp

erat

ure

S

erie

s (A

nn

ual

Tem

p A

mp

litu

de

)



Συντελεστής Hurst για την ετήσια μέση θερμοκρασία και τη ετήσια

βροχόπτωση.

Τυπική απόκλιση για την ετήσια μέση θερμοκρασία και την ετήσια βροχόπτωση.

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

Hurst Coef Of Observed Precipitation Series

Hu

rst

Co

ef o

f M

od

eled

Pre

cip

itat

ion

S

erie

s (A

nn

ual

Pre

cip

itat

ion

)



0.00

25.00

50.00

75.00

100.00

125.00

150.00

0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 125.00 150.00

St Dev Of Observed Precipitation Series

St

Dev

of

Mo

del

ed P

reci

pit

atio

n

Ser

ies

(Max

Mo

nth

ly P

reci

pit

atio

n)



0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00

Latitude

St

Dev

(T

emp

erat

ure

)

Obserbed

CGCM2-A2

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

350.00

400.00

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00

Latitude

St

Dev

(P

reci

pit

atio

n)

Obserbed

CGCM2-A2

• Τα αποτελέσματα των μοντέλων δίνουν καλύτερη εικόνα για την τυπική απόκλιση σε σύγκριση με τον συντελεστή Hurst.

• Η τυπική απόκλιση τόσο της θερμοκρασίας όσο και της βροχόπτωσης μεταβάλλεται με το γεωγραφικό πλάτος, αλλά εξαρτάται επίσης από το αν ο σταθμός είναι ηπειρωτικός ή παραθαλάσσιος.

• Οι δύο αυτοί παράγοντες αντιπροσωπεύονται ικανοποιητικά από τα μοντέλα και εφόσον η τυπική απόκλιση εξαρτάται από αυτούς είναι λογικό να παρατηρείται αυτή η σχετικά καλύτερη εικόνα.

Εξάρτηση τυπικής απόκλισης από το γεωγραφικό πλάτος

Τυπική απόκλιση της θερμοκρασίας και της βροχόπτωσης σε σχέση με το

γεωγραφικό πλάτος

Συντελεστής συσχέτισης και αποτελεσματικότητας σε 30-ετή κλίμακα

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

<0 0-0.5 0.5-1.0Efficiency in 30-year scale

Pe

rce

nt

(%)

Annual Mean Temperature Max Monthly TemperatureMin Monthly Temperature Annual Temperature AmplitudeSeasonal Temperature DJF Seasonal Temperature JJA

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

<0 0-0.5 0.5-1.0Efficiency in 30-year scale

Pe

rce

nt

(%)

Annual Precipitation Max Monthly Precipitation Min Monthly Precipitation

Seasonal Precipitation DJF Seasonal Precipitation JJA

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

[-1.0

0,-0

.75]

[-0.7

5,-0

.5]

[-0.5

,-0.2

5]

[-0.2

5,0]

[0,0.

25]

[0.25

,0.50

]

[0.50

,0.75

]

[0.75

,1.00

]

Correlation in 30-year scale

Per

cen

t (%

)

Annual Mean Temperature Max Monthly TemperatureMin Monthly Temperature Annual Temperature AmplitudeSeasonal Temperature DJF Seasonal Temperature JJA

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

[-1.0

0,-0

.75]

[-0.7

5,-0

.5]

[-0.5

,-0.2

5]

[-0.2

5,0]

[0,0.

25]

[0.25

,0.50

]

[0.50

,0.75

]

[0.7

5,1.00

]

Correlation in 30-year scale

Per

cen

t (%

)

Annual Precipitation Max Monthly Precipitation Min Monthly Precipitation

Seasonal Precipitation DJF Seasonal Precipitation JJA

• Η πλειονότητα των εξεταζόμενων σταθμών παρουσιάζει αρνητικό συντελεστή αποτελεσματικότητας.

• Μεγάλο ποσοστό των σταθμών έχει χαμηλές τιμές του συντελεστή συσχέτισης, ακόμη και αρνητικές στη θερμοκρασία και στη βροχόπτωση.

Διακύμανση του 30-ετούς μέσου στον 20ο αιώνα

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Ad

ela

ide

Ak

ure

yri

Bah

ia B

lan

ca

Bar

na

ul

Be

evile

Be

rlin

Bis

ma

rck

Bu

da

pes

t

Ca

lcu

tta

Ca

lga

ry

Co

rdo

ba

Co

rpu

s C

hri

st

Cu

iab

a

Cu

riti

ba

De

Bil

t

Du

bb

o

Du

rban

Fo

rt M

ye

rs

Fu

nc

ha

l

Ge

ne

ve

Ha

ma

ma

tsu

Hay

Mil

ler

Hel

sin

ki

Ho

bar

t R

egio

na

l Off

ice

Ind

ore

Jeru

sal

em

Key

We

st

Kh

arto

um

Kim

be

rley

Kyo

to

Lah

ore

Lu

qa

Ma

hac

kala

Mu

nc

hen

Na

nte

s

Na

po

leo

n

No

me

Os

aka

Par

is

Ply

mo

uth

Po

rt E

liza

bet

h

Pu

nta

Are

na

s

Sai

nt

Le

o

Sal

eh

ard

Sa

n A

nto

nio

Sw

ift

Cu

rre

nt

Ta

sh

ken

t

To

kyo

Ucc

le

Vo

log

da

Wie

n

Win

nip

eg

Wro

cla

w

Zag

reb

Zu

ric

h

DT

(1

900

-20

00)

(oC

), A

nn

ua

l Mea

n T

em

pe

ratu

re Climatic models

Observations

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Ad

ela

ide

Aku

reyr

i

Ba

hia

Bla

nc

a

Bar

nau

l

Bee

vile

Be

rlin

Bis

ma

rck

Bu

dap

est

Ca

lcu

tta

Ca

lga

ry

Co

rdo

ba

Co

rpu

s C

hri

st

Cu

iab

a

Cu

riti

ba

De

Bilt

Du

bb

o

Du

rban

Fo

rt M

yer

s

Fu

nch

al

Gen

eve

Ha

mam

atsu

Ha

y M

ille

r

Hel

sin

ki

Ho

ba

rt R

egio

nal

Off

ice

Ind

ore

Jeru

sale

m

Key

We

st

Kh

art

ou

m

Kim

be

rley

Ky

oto

Lah

ore

Lu

qa

Mah

ack

ala

Mu

nc

hen

Nan

tes

Nap

ole

on

No

me

Os

aka

Pa

ris

Ply

mo

uth

Po

rt E

liza

bet

h

Pu

nta

Are

na

s

Sai

nt

Leo

Sal

eh

ard

Sa

n A

nto

nio

Sw

ift

Cu

rre

nt

Tas

hke

nt

To

kyo

Uc

cle

Vo

log

da

Wie

n

Win

nip

eg

Wro

cla

w

Za

gre

b

Zu

rich

DT

(190

0-2

000

) (o

C),

S

eas

on

al T

em

per

atu

re J

JA Climatic models

Observations

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

Ad

dis

Ab

eba

Ad

ela

ide

Ba

hia

Bla

nc

a

Be

evill

e

Be

iru

t

Bis

ma

rck

Bis

trit

a

Bu

dap

est

Ca

lcu

tta

Cal

gar

y

Cas

abla

nca

Co

nst

an

tin

e

Co

rpu

s C

hri

st

Co

rrie

nte

s

Cu

iab

a

Cu

riti

ba

De

Bilt

En

teb

be

(a

irp

ort

)

Far

ina

Fo

rt M

yers

Gab

es

Gau

hat

i

Ga

vle

He

lsin

ki

He

nb

ury

Hir

os

him

a

Jaka

rta

Jer

us

alem

Key

Wes

t

Kh

arto

um

Kim

be

rle

y

Kz

yl-O

rda

La

go

s

Lah

ore

Lu

qa

Ma

dri

d

Man

aus

Ma

nc

he

ste

r

Ma

ree

Po

st O

ffic

e

Na

po

leo

n

No

me

Ob

s M

et

Nac

ion

al

Os

aka

Ph

ilip

sto

wn

Po

sad

as

Pu

nta

Are

nas

Rio

Bra

nca

Str

asb

ou

rg

Stu

ttg

art

Tar

tu

Tim

oso

ara

To

kyo

Ucc

le

Val

div

ia

Wie

n

DP

(19

00

-20

00

) (m

m),

A

nn

ua

l Pre

cip

itati

on

Climatic models

Observations

-400

-300

-200

-100

0

100

200

Ad

dis

Ab

eb

a

Ad

ela

ide

Bah

ia B

lan

ca

Be

evill

e

Bei

rut

Bis

mar

ck

Bis

trit

a

Bu

dap

est

Cal

cutt

a

Ca

lgar

y

Cas

abla

nca

Co

ns

tan

tin

e

Co

rpu

s C

hri

st

Co

rrie

nte

s

Cu

iab

a

Cu

riti

ba

De

Bilt

En

teb

be

(air

po

rt)

Far

ina

Fo

rt M

yers

Gab

es

Gau

hat

i

Ga

vle

Hel

sin

ki

He

nb

ury

Hir

osh

ima

Jak

art

a

Jer

us

ale

m

Ke

y W

est

Kh

arto

um

Kim

ber

ley

Kzy

l-O

rda

La

go

s

Lah

ore

Lu

qa

Mad

rid

Man

aus

Ma

nch

este

r

Mar

ee

Po

st

Off

ice

Na

po

leo

n

No

me

Ob

s M

et N

aci

on

al

Osa

ka

Ph

ilip

sto

wn

Po

sad

as

Pu

nta

Are

nas

Rio

Bra

nc

a

Str

asb

ou

rg

Stu

ttg

art

Tar

tu

Tim

oso

ara

To

kyo

Ucc

le

Va

ldiv

ia

Wie

n

DP

(19

00-

200

0) (

mm

),

Se

aso

nal

Pre

cip

itat

ion

JJ

A Climatic models

Observations

• Τα κλιματικά μοντέλα στην πλειονότητα των σταθμών που εξετάστηκαν αδυνατούν να προβλέψουν την διακύμανση του 30-ετούς μέσου στον 20ο αιώνα.

• Σε πολλές περιπτώσεις τα μοντέλα προβλέπουν αντίθετη μεταβολή από αυτήν που στην πραγματικότητα έχει συμβεί.

Μέγιστη διακύμανση του 30-ετούς μέσου

-4.0

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

-4.0 -2.0 0.0 2.0 4.0 6.0

Max. fluctuation of observed temperature series

Max

. flu

ctu

atio

n o

f m

od

elle

d s

eri

es

(Sea

son

al T

emp

erat

ure

DJF

)



-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

-1.5 -0.5 0.5 1.5 2.5 3.5

Max. fluctuation of observed temperature series

Max

. flu

ctu

atio

n o

f m

od

elle

d s

erie

s (A

nn

ua

l Mea

n T

emp

era

ture

)CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M


-1000.0

-500.0

0.0

500.0

-1000.0 -500.0 0.0 500.0

Max. fluctuation of observed precipitation series

Max

. flu

ctu

ati

on

of

mo

del

led

ser

ies

(A

nn

ual

Pre

cip

itai

on

)



-200.0

-150.0

-100.0

-50.0

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

-200.0 -100.0 0.0 100.0 200.0

Max. fluctuation of observed precipitation series

Max

. flu

ctu

atio

n o

f m

od

elle

d s

erie

s (S

easo

nal

Pre

cip

itai

on

DJF

)



Συγκεντρωτικά αποτελέσματα επιφανειακής σύγκρισης

• Στην μηνιαία χρονική κλίμακα τα μοντέλα γενικά αναπαράγουν την ακολουθία θερμών – ψυχρών και ξηρών – υγρών περιόδων. Ο μέσος συντελεστής συσχέτισης είναι 0.976 και 0.169, ενώ ο μέσος συντελεστής αποτελεσματικότητας είναι 0.876 και -2.072.

• Η εικόνα βέβαια αλλάζει στην ετήσια κλίμακα. Ο μέσος συντελεστής συσχέτισης για όλες τις χρονοσειρές που εξετάστηκαν είναι κοντά στα μηδέν ενώ ο συντελεστής αποτελεσματικότητας παίρνει αρνητικές τιμές. Σημαντική απόκλιση παρατηρείται στην εκτίμηση του συντελεστή Hurst και της τυπικής απόκλισης.

• Στην 30-ετή κλίμακα, ο μέσος συντελεστής συσχέτισης αυξάνεται ελαφρώς, αλλά ο μέσος συντελεστής αποτελεσματικότητας είναι έντονα αρνητικός ενώ παράλληλα υπάρχει μεγάλη απόκλιση στην εκτίμηση της διακύμανσης του 30-ετούς μέσου κατά τον 20ο αιώνα και της μέγιστης διακύμανσης του 30-ετούς μέσου καθ` όλη τη διάρκεια μελέτης.

Συντελεστής Hurst και τυπική απόκλιση



Συντελεστής

Hurst

Τυπική

απόκλιση

Ετήσια Μέση θερμοκρασία 0.765 0.442

Μέγιστη Μηνιαία θερμοκρασία 0.762 0.621

Ελάχιστη Μηνιαία θερμοκρασία 0.515 1.450

Ετήσιο θερμοκρασιακό εύρος 0.555 1.519

Εποχιακή θερμοκρασία ΔΙΦ 0.662 0.990

Εποχιακή θερμοκρασία ΙΙΑ 0.787 0.500

-50.0-40.0-30.0-20.0-10.0

0.010.020.030.040.050.0

CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M CGCM2-A2 HADCM3-A2 ECHAM4-GG

Difference form observed Hurst Coefficient

Pe

rce

nt

( ±

% )

Annual Mean Temperature Max Monthly Temperature Min Monthly Temperature

Annual Temperature Amplitude Seasonal Temperature DJF Seasonal Temperature JJA

-50.0-40.0-30.0-20.0-10.0

0.010.020.030.040.050.0


Difference from observed Standard Deviation

Pe

rce

nt

( ±

% )


Annual Temperature Amplitude Seasonal Temperature DJF Seasonal Temperature JJA


Βροχόπτωση

Συντελεστής

Hurst

Τυπική

απόκλιση

Συνολική βροχόπτωση 0.628 52.175

Μέγιστη Μηνιαία βροχόπτωση 0.420 8.897

Ελάχιστη Μηνιαία βροχόπτωση 0.469 7.252

Εποχιακή βροχόπτωση ΔΙΦ 0.412 20.666

Εποχιακή βροχόπτωση ΙΙΑ 0.522 19.414

-40.00

-20.00

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00


Difference from observed Hurst Coefficient

Per

cen

t ( ±

% )

Annual Precipitation Annual Max Precipitation Annual Min Precipitation

Winter Precipitation Summer Precipitation

-60.00-50.00-40.00-30.00-20.00-10.00

0.0010.0020.0030.00


Difference from observed Standard Deviation

Pe

rce

nt

( ±

% )



Διακυμάνσεις του 30-ετούς μέσου όρου (θερμοκρασία)


Θερμοκρασία DT (All Period) DT (1900-2000) maxDT

Ετήσια Μέση θερμοκρασία 0.55 0.32 0.56

Μέγιστη Μηνιαία θερμοκρασία 0.64 0.37 0.73

Ελάχιστη Μηνιαία θερμοκρασία 0.38 0.19 -0.81

Εποχιακή θερμοκρασία ΔΙΦ 0.75 0.45 0.89

Εποχιακή θερμοκρασία ΙΙΑ 0.56 0.43 0.58

-100.00

-50.00

0.00

50.00

100.00

150.00


Difference from observed DT (All period)

Pe

rcen

t (

±%

)


Seasonal Temperature DJF Seasonal Temperature JJA

-200.00

-100.00

0.00

100.00

200.00

300.00

400.00

CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M CGCM2-A2 ECHAM4-GG

Difference from observed DT (1900-2000)P

erc

en

t (

±%

)



-100.00

-50.00

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00


Difference from observed maxDT

Pe

rce

nt

( ±

% )



Διακυμάνσεις του 30-ετούς μέσου όρου (βροχόπτωση)


Βροχόπτωση DP (All Period) DP (1900-2000) maxDP

Συνολική βροχόπτωση 28.17 34.68 53.72

Μέγιστη Μηνιαία βροχόπτωση 2.57 3.96 4.89

Ελάχιστη Μηνιαία βροχόπτωση 2.12 1.34 3.70

Εποχιακή βροχόπτωση ΔΙΦ -5.58 1.41 -8.75

Εποχιακή βροχόπτωση ΙΙΑ 3.32 5.51 13.63

-200.00

-150.00

-100.00

-50.00

0.00

50.00


Difference from observed DP (All period)

Pe

rcen

t (

±%

)



-200.00

-150.00

-100.00

-50.00

0.00

CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M CGCM2-A2 ECHAM4-GG

Difference from observed DP (1900-2000)P

erc

en

t (

±%

)



-200.00

-150.00

-100.00

-50.00

0.00


Difference from observed maxDP

Per

cen

t (

±%

)



Συνοψίζοντας…• Η επιστήμη της κλιματολογίας κυριαρχείται σήμερα πλήρως από

ντετερμινιστικά στερεότυπα τα οποία υπαγορεύουν ότι τα GCM μπορούν να προβλέψουν με αξιοπιστία το μελλοντικό κλίμα.

• Τέθηκαν τα εξής ερωτήματα: (1) επιβεβαιώνεται το επιχείρημα των υποστηρικτών των κλιματικών μοντέλων ότι τα μοντέλα δίνουν αξιόπιστα αποτελέσματα σε ηπειρωτική κλίμακα και άνω; (2) Οι γεωγραφικά κατανεμημένες προβλέψεις είναι αρκετά αξιόπιστες προκειμένου να χρησιμοποιηθούν σε περαιτέρω μελέτες;

• Η απάντηση στην πρώτη ερώτηση επιχειρήθηκε να δοθεί πραγματοποιώντας επιφανειακή ολοκλήρωση των αποτελεσμάτων των μοντέλων και των ιστορικών δεδομένων. Η απάντηση στην δεύτερη ερώτηση επιχειρήθηκε να δοθεί συγκρίνοντας τα αποτελέσματα των κλιματικών μοντέλων με ιστορικές χρονοσειρές 55 σταθμών από όλο τον κόσμο.

Συμπεράσματα• Στην μηνιαία χρονική κλίμακα τα κλιματικά μοντέλα αναπαράγουν

αποτελεσματικά την ακολουθία υγρών/ξηρών ή θερμών/ψυχρών περιόδων σε όλους τους σταθμούς που εξετάστηκαν αλλά και στην επιφανειακή σύγκριση που πραγματοποιήθηκε στις ΗΠΑ.

• Στην ετήσια και την κλιματική (30-ετή) κλίμακα τα πράγματα είναι απογοητευτικά. Τα κλιματικά μοντέλα αδυνατούν να αναπαράγουν τις διακυμάνσεις μεγάλης κλίμακας των ιστορικών χρονοσειρών και στις περισσότερες περιπτώσεις υποεκτιμούν τον συντελεστή Hurst και την τυπική απόκλιση τους.

• Οι έντονα αρνητικές τιμές του συντελεστή αποτελεσματικότητας υποδεικνύουν ότι οι προβλέψεις των μοντέλων είναι πολύ χειρότερες ακόμη και από μία πολύ στοιχειώδη πρόβλεψη βασισμένη στη μέση τιμή.

• Κανένα από τα μοντέλα δεν φαίνεται να αποδίδει καλύτερα από το άλλο σε κανέναν από τους στατιστικούς δείκτες και παραδόξως τα μοντέλα του AR4 δεν αποδίδουν καλύτερα από αυτά του TAR.

• Οι κλιματικές διεργασίες είναι πολύ πολύπλοκες και μπορούν να περιγραφούν αποτελεσματικότερα κάτω από ένα πιθανοτικό – στοχαστικό πλαίσιο παρά με ντετερμινιστικά μοντέλα που αδυνατούν να προσομοιώσουν τις χαοτικές αλληλεπιδράσεις των κλιματικών συνιστωσών.

Assessment of the reliability of climate models (in greek)

Documents

Transcript of Assessment of the reliability of climate models (in greek)