Mallinnuksella tietoa ilmastosta
Ilmastomallit kuvaavat ilmastojärjestelmää matemaattisten yhtälöitten avulla. Yhtälöt muodostetaan fysiikan lakien perusteella. Malleissa ovat mukana ilmakehää, valtameriä sekä maaperää simuloivat osat.
Ilmastomalli on ilmastojärjestelmä tietokoneessa
Ilmastomallissa ilmastojärjestelmä esitetään matemaattisten yhtälöitten avulla, ja nämä yhtälöt kirjoitetaan edelleen tietokoneohjelman muotoon. Ilmastomalli rakentuu siis puhtaasti maapallon ilmastoa säätelevien fysiikan lakien pohjalle, joita toki joudutaan tietokoneohjelmaa laadittaessa yksinkertaistamaan. Ilmaston mallittamisessa ei siten ole kysymys tulevaisuuden ennustamisesta tilastollisin keinoin ilmaston tähänastisten havaittujen vaihtelujen perusteella.[1]
Mallia rakennettaessa pyritään ottamaan mukaan mahdollisimman suuri osa erilaisista ilmastojärjestelmän palauteilmiöistä.
Nykyisissä ilmastomalleissa ovat mukana omat erilliset alimallinsa ilmakehälle, maaperälle ja valtamerille (kuva 1). IPCC:n vuonna 2007 julkaiseman ilmastonmuutosraportin ilmastoennusteet perustuvat valtaosin juuri tämäntyyppisten mallien tuloksiin.[2]
Kuva 1. Ilmastomallin osat ja osien väliset vuorovaikutukset: lämpöenergian vaihto alustan ja ilmakehän välillä, veden haihtuminen, alustan aiheuttama ilman virtauksia jarruttava kitka, veden virtaus jokia myöten manneralueilta meriin jne.
Mallin ilmakehäosio kattaa koko maapallon
Ilmastomallissa ilmakehäosio on samantapainen kuin säänennustusmalleissakin. Ilmakehän käyttäytymistä kuvataan termo- ja hydrodynaamisten yhtälöitten avulla.
Ilmakehää kuvaavat yhtälöt ovat niin monimutkaisia, ettei niitä pystytä ratkaisemaan analyyttisesti, ts. suoraan kynän ja paperin avulla. Malleissa yhtälöille käytetään ns. numeerista ratkaisutekniikkaa. Tällöin liikenopeuden, lämpötilan, paineen ym. kolmiulotteiset jakaumat esitetään säännöllisessä hilapisteikössä (kuva 2). Kussakin hilapisteessä voidaan laskea mallin yhtälöitten avulla kullekin suureelle muutosnopeus ajan suhteen. Tämä riippuu eri suureitten arvoista kyseisessä hilapisteessä ja naapuripisteissä.
Kuva 2. Ilmastomallin ilmakehäosan hilapisteikköä. Todellisuudessa hilapisteikkö kattaa koko maapallon ja jatkuu myös pystysuunnassa maanpinnalta n. 30-50 km:n korkeuteen. Kuvan mallissa hilapisteiden välimatka vaakasuunnassa on noin 180 km.
Tietokoneitten suorituskyky asettaa rajansa sille, kuinka paljon hilapisteitä malliin voidaan ottaa mukaan. Tällä hetkellä useimmissa maailmanlaajuisissa ilmastomalleissa hilapisteitten välimatka on vaakasuunnassa n. 200 km ja pystysuunnassa yhden kilometrin luokkaa. Ilmakehässä on kuitenkin paljon niin pienimittaisia ilmiöitä, ettei niitä voida suoraan esittää näin harvassa hilapisteikössä. Esimerkiksi kuuro- tai ukkospilven tyypillinen läpimitta on kymmenen kilometrin luokkaa. Tällaisten hilaväliä pienempien ilmiöitten vaikutus kuvataan epäsuorasti hilapisteikössä esitettyjen arvojen avulla. Tätä menettelyä kutsutaan parametrisoinniksi.
Merivirrat virtaavat ilmastomallin meriosiossa
Ilmastomallin valtameriosion rakenne on monessa suhteessa samanlainen kuin ilmakehäosionkin. Merimalli simuloi veden lämpötilan, suolapitoisuuden ja virtausten käyttäytymistä. Mallissa syntyy merivirtoja - ihan niin kuin luonnossakin - meriveden tiheyserojen vaikutuksesta. Toinen merivirtojen aiheuttaja on tuuli. Mallit siis pystyvät ennustamaan merivirtojen muutoksia ilmaston lämmetessä. Mallin meriosiossa on oma alimallinsa myös merenpinnan jääpeitteelle.
Maaperäosio sisältää kasvipeitteen ja lumipeitteen
Ilmastomallin maaperäosio simuloi lämpötilaa ja veden määrää (sekä nestemäistä että jäätynyttä) eri syvyyksillä maaperässä, tyypillisesti noin viidessä kerroksessa. Maaperäosioon on sisällytetty myös pitkälle yksinkertaistettu kasvipeitemalli. Tämän osamallin tehtävänä on kuvata kasvien kykyä imeä juurillaan vettä maaperästä, jolloin haihtuminen voi jatkua vielä silloinkin, kun aivan maan pinta on kuivunut.
Maaperäosioon sisältyy myös malli lumen määrälle. Satava lumi kasvattaa, lumen sulaminen ja höyrystyminen syö lumipeitettä. Lumipeitteen simuloiminen on ilmaston kannalta keskeisen tärkeää, koska lumi heijastaa auringonsäteilyä tehokkaasti. Lumisilla alueilla auringon säteilyn lämmittävä vaikutus jää selvästi pienemmäksi kuin lumettomilla alustoilla.