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
)
Observed CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M
-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
)
Observed CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M
• 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)
Observed CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M
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)
Observed CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M
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
)
Observed CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M
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
συντελεστής
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/
Θερμοκρασία
Μέσος
συντελεστής
συσχέτισης
Μέσος
συντελεστής
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
)
Observed CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M
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
)
CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M
CGCM2-A2 HADCM3-A2 ECHAM4-GG
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
)
CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M
CGCM2-A2 HADCM3-A2 ECHAM4-GG
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)
CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M
CGCM2-A2 HADCM3-A2 ECHAM4-GG
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
)
CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M
CGCM2-A2 HADCM3-A2 ECHAM4-GG
-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
CGCM2-A2 HADCM3-A2 ECHAM4-GG
-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
)
CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M
CGCM2-A2 HADCM3-A2 ECHAM4-GG
-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
)
CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M
CGCM2-A2 HADCM3-A2 ECHAM4-GG
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
Ετήσια Κλίμακα/
Θερμοκρασία
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
CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M CGCM2-A2 HADCM3-A2 ECHAM4-GG
Difference from observed Standard Deviation
Pe
rce
nt
( ±
% )
Annual Mean Temperature Max Monthly Temperature Min Monthly Temperature
Annual Temperature Amplitude Seasonal Temperature DJF Seasonal Temperature JJA
Ετήσια Κλίμακα/
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
CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M CGCM2-A2 HADCM3-A2 ECHAM4-GG
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
CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M CGCM2-A2 HADCM3-A2 ECHAM4-GG
Difference from observed Standard Deviation
Pe
rce
nt
( ±
% )
Annual Precipitation Annual Max Precipitation Annual Min Precipitation
Winter Precipitation Summer Precipitation
Διακυμάνσεις του 30-ετούς μέσου όρου (θερμοκρασία)
30-ετής Κλίμακα/
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
CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M CGCM2-A2 HADCM3-A2 ECHAM4-GG
Difference from observed DT (All period)
Pe
rcen
t (
±%
)
Annual Mean Temperature Max Monthly Temperature Min Monthly Temperature
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 (
±%
)
Annual Mean Temperature Max Monthly Temperature Min Monthly Temperature
Seasonal Temperature DJF Seasonal Temperature JJA
-100.00
-50.00
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M CGCM2-A2 HADCM3-A2 ECHAM4-GG
Difference from observed maxDT
Pe
rce
nt
( ±
% )
Annual Mean Temperature Max Monthly Temperature Min Monthly Temperature
Seasonal Temperature DJF Seasonal Temperature JJA
Διακυμάνσεις του 30-ετούς μέσου όρου (βροχόπτωση)
30-ετής Κλίμακα/
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
CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M CGCM2-A2 HADCM3-A2 ECHAM4-GG
Difference from observed DP (All period)
Pe
rcen
t (
±%
)
Annual Precipitation Annual Max Precipitation Annual Min Precipitation
Winter Precipitation Summer Precipitation
-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 (
±%
)
Annual Precipitation Annual Max Precipitation Annual Min Precipitation
Winter Precipitation Summer Precipitation
-200.00
-150.00
-100.00
-50.00
0.00
CGCM3-20C3M-T47 PCM-20C3M ECHAM5-20C3M CGCM2-A2 HADCM3-A2 ECHAM4-GG
Difference from observed maxDP
Per
cen
t (
±%
)
Annual Precipitation Annual Max Precipitation Annual Min Precipitation
Winter Precipitation Summer Precipitation
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.
Top Related