Maapallomalli LOVECLIM 1.2 esittelyssä

Ilmastomallien kehityksessä yleisestä virtausmallista seuraava kehitysaskel on maajärjestelmän malli (Earth system model). Maajärjestelmän mallilla voidaan simuloida enemmän asioita kuin virtausmalleissa, kuten esimerkiksi biologisia ja kemiallisia toimintoja. Belgialainen Leuvenin katolinen yliopisto yhteistyökumppaneineen on juuri julkaissut kuvauksen LOVECLIM-mallinsa uusimmasta versiosta, joten tutustumme tässä tähän uuteen versioon ja samalla maajärjestemän malleihin yleensä.


LOVECLIM-mallin alimallit ja niiden keskinäiset rajapinnat.

LOVECLIM on kolmiulotteinen maajärjestelmän malli, jonka monimutkaisuus on keskitasoa (se on ns. EMIC-malli, missä EMIC tulee sanoista Earth system model of intermediate complexity), eli sen tilallinen erottelukyky on heikompi ja fyysisten prosessien esitys yksinkertaisempi kuin parhaimmissa yleisissä virtausmalleissa. Eniten on yksinkertaistettu ilmakehämallia, koska ilmakehän esittäminen ilmastomalleissa on eniten tietokonetehoa syövä osa. Tämän yksinkertaistuksen ansiosta LOVECLIM on paljon nopeampi kuin yleiset virtausmallit (yhdellä 2,5 GHz:n Xeon-prosessorilla on mahdollista suorittaa sadan vuoden simulaatio kaikki komponentit aktivoituna neljässä tunnissa). LOVECLIM sopii siis erityisen hyvin pitkiin simulaatioihin, joita tarvitaan esimerkiksi menneitä ilmastonmuutoksia mallinnettaessa tai tehtäessä tulevaisuuden ennusteita pitkälle ajalle.

Yleisissä virtausmalleissa on yleensä ilmakehä- ja merimallit, mutta niiden lisäksi LOVECLIM sisältää mallit jäätiköille, kasvillisuudelle ja hiilen kierrolle sekä biogeokemialliselle kierrolle. LOVECLIMissa on siis viisi eri komponenttia.

LOVECLIMin kaksi ensimmäistä komponenttia ovat ilmakehämalli ja yhdistetty meren ja merijään malli. Ilmakehän malli perustuu 1990-luvulla kehitettyyn ECBilt-malliin. Merimalli perustuu samaten 1990-luvulla kehitettyyn CLIO-malliin. LOVECLIM-mallissa näihin kahteen on tehty huomattavia parannuksia.

Kasvillisuusmalliksi kehitettiin 2000-luvun alussa VECODE. Sitten merien hiilen kierron malliksi kehitettiin LOCH ja jäätikkömalliksi AGISM. LOVECLIM-nimi muodostettiin näiden kaikkien osamallien nimistä (LOch-Vecode-Ecbilt-CLio-agIsM).

LOVECLIMin uusin versio (1.2) on ollut julkisesti saatavilla jo joulukuusta 2009. Siihen on aiempiin versioihin verrattuna tullut joitakin korjauksia ja parannuksia.

Ilmakehämalli

LOVECLIMin ilmakehämallin ECBiltn erottelukyky on vaakatasossa sekä pituus- että leveyssuuntaan noin 5,6 astetta. Lämpötilat saadaan maan pinnalta sekä korkeuksilta, joissa vallitsee 350 ja 650 hPa:n paine. Malliin sisältyy myös stratosfääri. Malli tarvitsee parametrisointia esimerkiksi konvektiolle, sateisuudelle sekä lumen ja jään albedolle.

Pitkäaaltoisen säteilyn vuo alas ja ylöspäin lasketaan kaikilta mallin tasoilta, eli maan pinnalta, ilmakehän yläosasta ja viidestä ilmakehän kerroksesta. Vuohon vaikuttavat muiden muassa lämpötila, kosteus, pilvisyys ja kasvihuonekaasujen pitoisuudet. Vastaavasti lyhytaaltoisen säteilyn vuo lasketaan maan pinnalta, ilmakehän päältä ja kolmesta kerroksesta ilmakehästä. Lyhytaaltoisen säteilyn vuohon vaikuttavat muiden muassa pilvisyys ja pinnan albedo. Albedo lasketaan sillä perusteella, paljonko yhden mallin pisteen kattamalla alalla on merta, merijäätä, puita, aavikkoa ja ruohoa. Auringon vaikutus määritellään tunnetuista maapallon rataparametreistä.

Vapaa lämpöenergia ja latenttilämpö maan pinnalla määritellään lämpötilan, kosteuden, tuulen nopeuden ja pinnan ominaisuuksien perusteella. ECBiltiin kuuluu myös maanpinnan malli, jonka avulla määritellään esimerkiksi maanpinnan lämpötila, kosteus ja lumipeite.

Meri- ja merijäämalli

Meri- ja merijäämallissa CLIOssa on erikseen merimalli ja merijäämalli. Merimallin erottelukyky on vaakatasossa 3 x 3 astetta. Pystysuunnassa tasoja on 20. Merijäämalli käyttää samaa horisontaalista ruudukkoa kuin merimalli. Merijäämallissa on kolme kerrosta pystysuunnassa: yksi lumipeitteelle ja kaksi jäälle.

Merimallissa on parametrisointi muun muassa coriolisilmiölle ja erilaisille veden ominaisuuksille, kuten viskositeetille. Myös jotkin maapallon ominaispiirteet joudutaan ottamaan huomioon erikseen. Esimerkiksi Beringinsalmen läpivirtaukselle tarvitaan parametrisointia. Myös merijäämallissa tarvitaan joitakin parametrisointeja esimerkiksi jään joillekin ominaisuuksille.

Kasvillisuusmalli

LOVECLImin kasvillisuusmalli VECODE on varta vasten suunniteltu toimimaan pitempiin simulaatioihin tarkoitetun heikomman erottelukyvyn ilmakehämallin kanssa. VECODEssa on kolme alimallia: kasvillisuuden rakenteen malli (ilmastoon liittyen), muun muassa nettoperustuotantoa laskeva biogeokemiallinen malli ja kasvipeitettä kuvaava kasvillisuusdynamiikan malli.

Kasvillisuuden rakenteen mallissa on kaksi perusmallia kasvillisuudelle: puut ja ruohot. Biogeokemiallisessa mallissa kasvillisuuden hiili on jaettu kahteen osaan: vihreä biomassa (lehdet) sekä rakenteellinen biomassa (juuret, varsi ja oksat). Kuollut orgaaninen hiili jaetaan myös kahteen eri osaan: puiset jätteet ja humus. Kasvillisuusmallissa otetaan myös huomioon ilmakehän hiilidioksidin lisäyksen vaikutus nettoperustuotantoon.

Hiilen kierron malli

LOVECLIMin hiilen kierron malli LOCH on oikeastaan vain meren hiilen kierron malli. LOCH laskee muun muassa liuenneen epäorgaanisen hiilen pitoisuutta, meriveden emäksisyyttä, happipitoisuutta, orgaanisten aineiden pitoisuutta ja hiilen isotooppien pitoisuutta. Meren pinnalla liukenevan hiilidioksidin määrää kontrolloidaan sekä fyysisillä (liuekenevuus) että biologisilla (biologiset pumput) prosesseilla. Biologinen pumppu perustuu kasviplanktoniin ja sen mukana pohjaan vajoavaan hiileen (kasviplanktonin kuollessa se yleensä vajoaa meren pohjaan). Mallissa kasviplanktonin elämänkiertoa simuloidaan alusta loppuun. Meren emäksisyyttä ja liuenneen epäorgaanisen hiilen pitoisuutta lasketaan, koska ne vaikuttavat ilmakehästä mereen liukenevan hiilidioksidin määrään.

Hiilen kierron malliin tarvitaan parametrisointia muun muassa planktonin kasvun ja kuolleisuuden kuvaamiseen sekä pohjaan vajoavan aineksen määrän kuvaamiseen. Lisäksi malliin kuuluu oma ilmakehämoduuli, jolla kuvataan ilmakehän kaasujen pitoisuuksien muuttumista.

Jäätikkömalli

LOVECLIMin jäätikkömalli AGISM sisältää kaksi erillistä jäätikkömallia, yksi kummallekin napa-alueelle. Mallit ovat periaatteessa samanlaisia, mutta etelänavan malli sisältää jäähyllyjen kuvauksen. Grönlannissa ei ole nykyään kovin paljon kelluvia jäähyllyjä, eikä niiden osuus aiemminkaan ilmeisesti ole ollut merkittävä, joten pohjoisnavan jäätikkömalliin ei sisälly jäähyllyjen kuvausta.

Molemmissa jäätikkömalleissa kuvataan jään virtausta ja massatasapainoa sekä maankuoren reaktiota jäämassan muutoksiin. Näiden yhteydessä lasketaan muun muassa jään paksuutta, jään lämpötilaa ja jään virtausnopeuteen liittyviä parametrejä.

Jäätikkömallien erottelutarkkuus on 10 x 10 kilometriä vaakatasossa. Pystysuunnassa jäätasoja on 31 ja lisäksi on yhdeksän maakuoren tasoa (joita käytetään lämmön johtumisen laskentaan). Pystysuunnassa tasojen paksuus ohenee maan pintaa lähestyttäessä. Maankuoressa lämpötiloja lasketaan neljän kilometrin syvyyteen saakka.

Yllä mainittujen lisäksi LOVECLIMiin on liittettävissä optionaalinen jäävuorimalli. Sillä simuloidaan jäävuorien ajelehtimista ja sulamista. Sitä on toistaiseksi käytetty vain muutamassa tutkimuksessa.

Mallien yhteistoiminta

Voidakseen toimia kokonaisuutena on eri mallien kommunikoitava keskenään. LOVECLIMissä esimerkiksi CLIO antaa ECBiltille meren pintalämpötilan, merijään lämpötilan, merijään osuuden sekä merijään ja lumen paksuuden. ECBilt taas antaa CLIOlle tuulen voimakkuuden, lyhytaaltoisen säteilyn aiheuttaman lämpövuon, nettolämpövuon ja sateisuuden (sekä vetenä että jään eri muotoina). LOCHin ilmakehäkomponentin laskemaa hiilidioksidipitoisuutta käytetään ECBiltissä ja VECODEssa.

Muiden mallien välillä tapahtuu tiedonvaihtoa samaan tapaan. Kaikkien mallien erottelukyky ei sovi suoraan toisiinsa, vaan joissakin tapauksissa on tehtävä erikoisjärjestelyitä siirrettävän tiedon muuntamisessa sopivaksi toisen mallin erottelukyvylle.

Kokonaismallin toimivuus

Mallin toimintaa esitellään joidenkin menneiden ja nykyisen ajan ilmastonmuutoksien simuloinneilla. Yleisesti ottaen LOVECLIM näyttää sopivan tarkoitukseensa, eli pitkien aikojen ilmaston simulointiin, melko hyvin. Lyhyen ajan ilmastoa se ei luonnollisesti osaa kuvata niin hyvin kuin paremman erottelukyvyn mallit. Silti se näyttää tuottavan viime vuosikymmenien ilmaston ainakin pääpiirteissään oikein, vaikka toki monin paikoin on suuria eroja havaittuun.

Pitemmän ajan simulaatioissa on myös hiukan parantamisen varaa, vaikka menneen ajan ilmaston kuvaaminen onnistuukin melko hyvin. Esimerkiksi esiteollisen ajan hiilidioksidipitoisuus on mallissa liian vakaa, joten se ei pysty tuottamaan joitakin suhteellisen lyhytaikaisia muutoksia hiilidioksidipitoisuudessa. Esimerkkeinä tuotetaan viimeisen tuhannen vuoden ilmasto, holoseenin keskivaiheiden ilmasto ja viimeisin jääkausi.

LOVECLIM kuvaa menneisyyden ilmastoja melko hyvin. Yleisesti ottaen toiminta on parempaa matalilla leveysasteilla, kun taas korkeilla leveysasteilla malli poikkeaa herkemmin havainnoista.

Lähde: Goosse, H., Brovkin, V., Fichefet, T., Haarsma, R., Huybrechts, P., Jongma, J., Mouchet, A., Selten, F., Barriat, P.-Y., Campin, J.-M., Deleersnijder, E., Driesschaert, E., Goelzer, H., Janssens, I., Loutre, M.-F., Morales Maqueda, M. A., Opsteegh, T., Mathieu, P.-P., Munhoven, G., Pettersson, E. J., Renssen, H., Roche, D. M., Schaeffer, M., Tartinville, B., Timmermann, A., and Weber, S. L.: Description of the Earth system model of intermediate complexity LOVECLIM version 1.2, Geosci. Model Dev., 3, 603-633, doi:10.5194/gmd-3-603-2010, 2010. [tiivistelmä, koko artikkeli (yli 8MB)]

Lisätietoa: LOVECLIM-kotisivu (Leuvenin katolinen yliopisto). Asiasta kiinnostuneille sivustolta löytyy myös LOVECLIMin ohjelmistokoodi (288 MB kokoisena pakattuna tiedostona), joka on kaikkien vapaasti ladattavissa ja kokeiltavissa. Ohjelmistopaketista kuitenkin puuttuvat LOCH ja AGISM kyseisten alimallien tekijöiden pyynnöstä. Niitä on pyydettävä tekijöiltä erikseen. Ohjelmistopaketti toimii kuitenkin myös ilman näitä kahta alimallia, vaikka sovelluskohteet ovat luonnollisesti rajallisemmat kuin koko mallin tapauksessa.

Advertisements

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s

%d bloggers like this: