Blog poświęcony popularyzacji badań klimatycznych
wtorek, 29 czerwca 2010

Dyskusja o zmianach klimatu prawie zawsze zahacza o problem roli zmian naturalnych i zmian wywołanych przez człowieka. Naturalne zmiany klimatu w skali geologicznej związane są z wpływem planet i gwiazd  (astrometeorologia). Powiedzmy sobie od razu, że żaden z rozsądnych badaczy klimatu nie kwestionuje wpływu na klimat przez zmiany intensywności dochodzącego promieniowania słonecznego. Mimo to warto zrozumieć historię problemu i obecny stan wiedzy w tym zakresie. Istnieje kilka aspektów astrometeorologii

  • astrologia,
  • wpływ planet,
  • hipoteza cykli Milankowicza,
  • (inne aspekty to m.in. zmiany stałej słonecznej, pole magnetyczne słońca, pływy).

Do 17 wieku nie istniały instrumenty meteorologiczne. W związku z tym pogoda była wiązana z astrologicznym opisem wpływu planet. Astrometeorologiczne prognozy pogody tzw. "prognostica" były popularne zwłaszcza w 16 wieku wieku i nie różniły się specjalnie od horoskopów. Sytuacja zmieniła się w 17 wieku kiedy skonstruowano instrumenty meteorologiczne i stworzono pierwsze sieci stacji meteorologicznych.

Jedną z najsłynnieszych w tym czasie sieci meteorologicznych była  założona przez "grupę Mannheim".  Dzięki temu projektowi meteorologia zaczęła swoją drogę w stronę nauki i możliwe było rozwinięcie dziedziny wiedzy jaką jest klimatologia (David C. Cassidy, Meteorology in Mannaheim: The Palatine Meteorological Society, Sudhoffs Archiv, 1983; Cornelia Lüdecke, Astrometeorological Weather Prediction at the Time of the Societas Meteorologica Palatina). Po okresie wojny siedmioletniej (1756-1763) nastąpiła w Europie dekada lat z dużymi opadami i zimnym latem co spowodowało gwałtowne pogorszenie sytuacji ekonomicznej.   W związku z tym, a także ze względu na poprawę technologii pomiarowej 15 września 1780 roku Karl Theodor stworzył międzynarodową sieć obserwacji meteorologiczych  "Societas Meteorologica Palatina".  W najlepszym okresie w sieci uczestniczyło jednocześnie 31 stacji (m.in. Berlin, Bolonia, Bruksela, Budapeszt, Kopenhaga, Dusseldorf, Genewa, Mannheim, Moskwa, Padwa, Praga, Sagan (Żagań, Polska, klasztor augustianów), Sztokholm). Do każdej ze stacji, głównie w klasztorach i uniwersytetach, wysyłano paczkami identyczne i dobrze wykalibrowane instrumenty meteorologiczne - dwa termometry, barometr, hygrometr. Paczki przychodziły często otwarte a intrumenty uszkodzone. Pomiary wykonywano jednocześnie w tych samych godzinach 7, 14, 21 i wprowadzono ujednolicone symbole meteorologiczne i sposób opisu pomiarów.  Projekt skończył swoją działalność w roku 1795 ze względów politycznych. W czasie około 11 lat pomiarów opublikowano dodatkowe obserwacje m.in.  opis wybuchu wulkanu w 1783 roku na Islandii i "krwawe chmury" obserwowane w Europie tego lata. Pierwsza analiza danych polegała na próbie korelacji wyników z pływami i skończyła sie fiaskiem. Inne próby korelacji pogody z położeniem planet także skończyły się fiaskiem. Niezależnie, w 1780 roku, ufundowano specjalną nagrodę na rozwiązanie problemu czy zmiany ciśnienia atmosferycznego są losowe czy nie - pierwsze miejsce wygrał Eberhard Schröter za pracę czysto astrometeorologiczną. Okazało się, na podstawie pomiarów "Societas", że  jego prognoza na luty 1784 była zła.  Był to koniec koncepcji astrometeorologii jaką znano do 17 wieku.

Nie jest to jednak tak do końca koniec koncepcji astrometeorologicznych. Około 1920 roku serbski badacz  Milutin Milankowicz  zaproponował, że zmiany eliptyczności orbity Ziemi, nachylenie ekliptyki i precesja orbity Ziemi odpowiadają za cykle epok lodowcowych.  Milankowicz zauważył, że intensywności dochodzącego promieniowania słonecznego zależy od tych trzech zmiennych. Początkowo hipoteza nosiła nazwę hipotezy insolacji, ale teraz mówimy o "cyklach Milankowicza".  Hipoteza została eksperymentalnie potwierdzona dopiero w roku 1976 chociaż był też okres, kiedy została zarzucona. Obecnie cykle Milankowicza są powszechnie przyjętą teorią zmian natężenia dochodzącego promieniowania słonecznego do Ziemi w skali tysięcy lat,  mimo że istnieje kilka subtelnych problemów związanych z porównaniem danych z teorią (patrz J. Imbrie and K.P.Imbrie, Ice Ages: Solving the Mystery, 1979).

PS. Trudno sobie wyobrazić nowoczesy wykład z klimatologii bez opisu cykli Milankowicza. Nie oznacza to, że zmiany klimatu są (tylko) powodowane przez cykle w skali geologicznej.

PS. Opis cykli Milankowicza na polskiej Wikipedii jest bardzo powierzchowny. Jest to hasło, które powinno być rozbudowane, chociażby po to, żeby mogli je przeczytać profesorowie Komitetu Nauk Geologicznych PAN.

http://en.wikipedia.org/wiki/Milankovitch_cycles
http://www.sciencecourseware.org/eec/GlobalWarming/Tutorials/Milankovitch/

czwartek, 24 czerwca 2010

Historia badań nad naturalnym termostatem temperatury oceanu w tropikach jest pasjonująca. Ostatnio hipoteza ta „wpadła w ręce” przeciwnikom zmian klimatu, ale została zaproponowana przez V. Ramanathana (Ram) i Billa Collinsa, którzy z pewnością nie planowali, że ich pomysły będą teraz służyć przeciw badaniom klimatycznym.

W skrócie Ramanathan i Collins zaproponowali (Ramanathan, V., and W. Collins. 1991. Thermodynamic regulation of ocean warming by cirrus clouds deduced from observations of the 1987 El Niño. Nature 351:27-32), że temperatura w ocenie tropikalnym jest regulowana przez burze, a dokładniej przez kowadła chmurowe związane z burzami.  Kowadło chmurowe to górna część rozbudowanej chmury burzowej  (patrz rysunek) a nazywa się kowadło bo wyglada jak kowadło. W pasie szerokości geograficznych pomiędzy równikiem do 30 stopni szerokości (na obu półkulach) około 50%  pomiarów temperatury oceanu ma zadziwiające własności – utrzymuje się w bardzo wąskim przedziale od 27 do 30 stopni Celsiusza.  Tylko w 0.01% przypadków temperatura oceanu w tym rejonie świata jest większa niż 31 stopni Celsiusza. Pomysł Ramanathana i Collinsa polegał na tym,  że przy pewnej temperaturze oceanu powstają gwałtowne burze i z tych burz dużo pary wodnej jest transportowana bardzo wysoko i tworzy  chmury złożone z kryształów lodu.  Od chmur odbija się promieniowanie słoneczne i to powoduje oziębianie powierzchni Ziemi. Hipoteza Ramanathana i Collinsa nigdy nie doczekała się ostatecznego wyjaśnienia. Dla przykładu oceanografowie twierdzili, że kontrola temperatury oceanu jest związana z transportem ciepła z równika na bieguny. W 1993 roku odbył się eksperyment poświęcony termostatowi.
http://www-c4.ucsd.edu/cepex/

i miał za zadanie zweryfikowanie hipotezy termostatu przez wykorzystanie różnic zachmurzenia pomiędzy Zachodnim i Centralnym Pacyfikiem. Tyle tylko, że w 1993 różnice w zachmurzeniu były małe (przyszło El Nino).

 

Sam mechanizm jest teraz miodem na serce przeciwników zmian klimatycznych, którzy twierdzą że termostat powoduje stabilizację temperatury powierzchni Ziemi. Podczas gdy sam pomysł termostatu jest intrygujący to wykorzystanie go przez przeciwników zmian klimatu jest wątpliwe bo  chmury nie zmieniają koncentracji gazów cieplarnianych i przy wzroście temperatury, możemy mieć do czynienia z trudną do przewidzenia sytuacją równowagi.

PS Trochę tu trzeba uważać, bo od „normalnych”, czyli cienkich chmury cirrus promieniowanie słoneczne odbija się w małym stopniu i raczej ocieplają one powierzchnię Ziemi. Piszę "raczej" bo ocieplanie lub oziębianie powierzchni Ziemi przez cienkie chmury lodowe zależy od wielkości kryształków lodu. Termostat działa tylko dla bardzo grubych chmur. Tak przy okazji - chmury blisko powierzchni Ziemi powodują oziębianie.     

środa, 23 czerwca 2010

Ziemia jest jak patelnia. Podgrzewana przez słońce stygnie cały czas, zwłaszcza w nocy. Z drugiej strony ani powietrze ani chmury nie są silnie podgrzewane przez promieniowanie słoneczne, bo gdyby było silne pochłanianie promieniowania słonecznego to atmosfera byłaby czarna.  Innymi słowy atmosfera zarówno w dzień jak i w nocy stygnie. To stygnięcie nazywa się fachowo wypromieniowaniem cieplnym i wynosi około 1 stopnia na dzień i odbywa się wszędzie, na całej kuli ziemskiej.  90 dni zimy powinno dać zmianę temperatury o -90 stopni Celsiusza, a obserwuje się znacznie mniej.  

Deszcz pada po to, żeby zrównoważyć to nieustanne wyziębianie atmosfery. Skraplanie się pary wodnej, czyli deszcz, oddaje energię ciepła utajonego  („utajonego w parze” – fizycy nie lubią tego pojęcia, ale meterolodzy uwielbiają) do atmosfery i pogrzewa ją. Dokładniej – musi spaść około 3mm deszczu dziennie wszędzie na Ziemi, koło 1 metra na rok, żeby wyrównać to nieustanne wychładzanie atmosfery. Szybkie pytanie. Czy więcej deszczu pada w naszych szerokościach w zimie czy w lecie? Pada tyle samo (pytałem o pas szerokości geograficznych wokół Ziemi).  Atmosfera chłodzi się prawie identycznie w każdej porze roku. Jednak w zimie jest mniej deszczu nad lądem.  Z  tego wynika,  że w zimie musi padać znacznie więcej deszczu nad oceanami niż nad lądem.  

 

Reszta tylko dla meteorologów.  Jak powinna wyglądać ogólna cyrkulacja atmosfery w zimie, żeby nad oceanami padało dużo deszczu?  Sprzyjającym układem jest transport pary wodnej z obszarów tropikalnych nad oceanem i opad po wschodniej stronie oceanu. Żeby nastąpił opad musi następować ruch wstępujący co istotnie dzieje się w układzie ciśnienia (wiatr wieje wzdłuż izobar) takim jak na rysunku.  Nad lądem jest ruch zstępujący i stabilna sytuacja bez opadów. Gdyby cały przepływ był przesunięty w fazie (wyż po wschodniej stronie kontynentu) to deszcz musiałby padać w zimie nad lądem. Elegancja tych argumentów polega na tym,  że z tego gdzie  pada deszcz jesteśmy w stanie zgadnąć jaka musi być ogólna cyrkulacja atmosfery.

PS Wiele lat temu klimatologia była nudnym przedmiotem, bardziej "klimatokartografią" niż fizyką - opisem klimatu w poszczególnych miejscach na Ziemi.  Profesor Janusz Borkowski, który prowadził zajęcia z klimatologii na Wydziale Fizyki UW ostatnio mi opowiadał, że starał się temu zaradzić wprowadzając elementy statystyki. Obecnie wykłada się na UW "Fizykę pogody i klimatu".  Klimat można opisać na podstawie prostych fizycznych argumentów.  W końcu właśnie pokazaliśmy, że z termodynamiki (deszcz) i prawa Stefana-Boltzmana (wypromieniowanie cieplne) wynika gdzie w zimie pada deszcz.

PS2. Ten blog jest oparty na jednym z wykładów ogólnej cyrkulacji atmosfery (AT605) profesora Billa Gray z Colorado State University w Fort Collins.  

Tagi: deszcz
01:22, pcirrus
Link Dodaj komentarz »
poniedziałek, 21 czerwca 2010

Dziś o empirycznych funkacjach ortogonalnych i Oscylacji Arktycznej.  Wyobraźmy sobie szereg zdjęć twarzy tej samej osoby w czasie dnia, lub kilku tygodni.  Z pewnością pewne szczegóły w kolejnych zdjęciach będą podobne. Można sobie wyobrazić, że mamy jakieś podstawowe jedno zdjęcie a wszystkie inne wyrazy twarzy (płacz, zmartwienie, uśmiech) są modyfikacją tego podstawowego. Można to trochę skomplikować i założyć, że podstawowych zdjęc jest kilka (normalny wyraz, płacz, zmartwienie, uśmiech) a wszystkie inne sytuacje (przejście pomiędzy uśmiechem a zmartwieniem) to warianty tych kilku podstawowych. Stan atmosfery w danej chwili czasu, np. rozkład ciśnienia na Ziemi jest podobny do fotografii twarzy. Rozkład ciśnienia na Ziemi zmienia się w czasie dnia, miesiąca, czy lat. Ale istnieją podstawowe fotografie rozkładu ciśnienia na Ziemi, jest ich może kilka lub kilkanaście. Takie fotografie stanu atmosfery na Ziemi nazywają się fachowo empirycznymi fukcjami ortogonalnymi (w statystyce ta sama metoda nazywa się  analizą głównych składowych). Idea ortogonalnych funkcji empirycznych jest szalenie prosta, mając kilka podstawowych zdjęć, możemy z dobrą dokładnością odtworzyć wszystkie możliwe wyrazy twarzy czy stanu atmosfery.  Jak znaleźć te podstawowe zdjęcia?  Możemy je sobie wymyśleć, dla przkładu wziąć byle jaką fotografię.  Lepiej jednak wziąć sekwencję kilkunastu zdjęć intresującej nas osoby i przeanalizować korelację pomiedzy kolejnymi zdjęciami.

Zróbmy „fotografię” stanu  ciśnienia blisko powierzchni Ziemi na całym globie od bieguna do 20 stopni szerokości (czyli prawie całej półkuli pólnocnej Ziemi) za wyjątkiem pasa wokół równika.  Zbieramy te fotografie przez 30 lat co miesiąc i wyznaczamy jeden stan podstawowy. Każdy inny stan jest atmosfery jest identyczny do tego stanu podstawowego ale pomnożony przez jedną liczbę (dodatnią, zero, lub ujemną).  

  

 

Takie zdjęcie będzie wyglądało tak jak na rysunku powyżej. Na tym rysunku jest zdjęcie ciśnienia atmosferycznego, a  dokładniej fotografia typowego odchylenia tego ciśnienia od średniej z 30 lat. Niebieskimi kolorami zaznaczone jest ciśnienie mniejsze, a czerwonymi kolorami ciśnienie większe niż średnia.  Każda inna sytuacja jest kombinacją średniego ciśnienia na powierzchni Ziemi a do niego jest dodane lub odjęte zdjęcie takie jak powyżej. Liczba jaką trzeba użyć, żeby dostać ciśnienie w konkretnym dniu nazywa się indeksem Oscylacji Arktycznej (AO)  Ten indeks  zmienia się w czasie. Fizycznie indeks AO opisuje oscylację ciśnienia na prawie całej półkuli północnej pomiędzy obszarami biegunowymi i około tropikalnymi. Indeks Oscylacji Arktycznej może zależeć od wielu czynników - od tego jaki jest stan atmosfery w pasie blisko równika lub od tego co się dzieje bardzo wysoko w atmosferze (w stratosferze). Stan indeksu Oscylacji Arktycznej ciśnienia jest wyznaczany każdego dnia i jest dostępny tutaj

http://www.cpc.noaa.gov/products/precip/CWlink/daily_ao_index/ao.shtml

Można wyznaczyć inne indeksy, np indeks stanu atmosfery tropikalnej (tzw. indeks Oscylacji Maddena Juliana - MJO), lub indeks oscylacji antarktycznej (AAO), lub indeks oscylacji ciśnienia tylko na Atlantyku (tzw index oscylacji północnoatlantyckiej - NAO).  Obecnie wszystkie indeksy - MJO, AO, AAO, NAO liczone są na podstawie empirycznych funkcji ortogonalnych. Istnieją zależności pomiędzy indeksami. Mówimy wtedy o telekonekcjach - deszcz w Polsce (indeks AO)  może zależeć od stanu atmosfery tropikalnej (indeks MJO).

 

PS. Empiryczne funkcja ortogonalne są "w środku" kontrowersji dotyczących tzw. krzywej hokejowe (rekonstrukcji temperatury). Przeciwnicy zmian klimatu krytykują M. Manna za nieprawidłowe ich użycie. Bardzie ogólnie chodzi im o to, że klimatolodzy powinni konsultować oszacowania klimatyczne ze statystykami. Jednak duża ilość metod statystycznych została rozwinięta (czasami zapoczątkowana) przez naukowców zajmujących się naukami o Ziemi. Dla przykładu,  podstawowy podręcznik "Principal Component Analysis in Meteorology and Oceanography" został napisany przez Rudolpha  Preisendorfera, oceanografa z Instytutu Oceanografii imienia Scripps (sama metoda została zaproponowana w 1901 roku przez statystyka Karla Pearsona)
http://en.wikipedia.org/wiki/Karl_Pearson

PS. Jest więcej podobieństw pomiędzy cyfrową obróbką zdjęć  i "klimatem". Wszystkie indeksy meteorologiczne początkowo liczono na podstawie dwóch punktow - np. różnicy ciśnienia pomiedzy Islandią i Azorami, ale po wprowadzeniu globalnego systemu zbierania danych i po zbudowaniu klimatologii można było zrobić EOFy.  Fotografia przeszła z kliszy na zdjęcia cyfrowe i dało to możliwosc obrabiania cyfrowego zdjęć.  Od kilku lat obróbka zdjęć fotograficznych bardzo przypomina przetwarzanie danych satelitarnych - nie ma dużej różnicy pomiedzy "Photoshopem" i znalezieniem z danych satelitarych indeksu chlorofilu; ten indeks wyznacza się  jako proporcja koloru niebieskiego do zielonego. Podobnie kompresja (jpg, gif) zdjęć jest podobna do kompresji danych meteorologicznych.

Wstęp do PCA
http://neurobot.bio.auth.gr/Tutorials/Documents/pca_tut_3.pdf

poniedziałek, 14 czerwca 2010

Wiedźmy przygotowują wywar w celu sprowadzenia gradu.

 

W nowej książce Eli Kintich, “Majstruj Ziemią. Nadzieja lub zmora nauki - wszystko po to żeby nie doszło do katastrofy klimatycznej” ( “Hack the Planet: Science's Best Hope - or Worst Nightmare - for Averting Climate Catastrophe”, 2010, Willey)  i na stronie sieciowej
http://hacktheplanetbook.com/category/featured/opisuje

opisuje inżynierię klimatu i pogody. Dodam na początku, że wraz z dużą ilością naukowców, jestem bardzo sceptyczny, ale temat nie jest taki prosty –  część z pomysłów już realizujemy np. latając samolotami.  Hipoteza spowodowania opadu poprzez tajemnicze samoloty (ostatnio dyskutowana w Polsce) rozpylające tajemnicze substancje jest z pogranicza inżynierii pogody i teorii spiskowych - inną sprawą jest to czy jest realistyczna.  

Od 2007 roku Bill Gates, były szef Mikrosoftu,  inwestuje w metody inżynierii pogody i klimatu.  M.in. w projekt wprowadzenia małych cząstek do stratosfery - z firmą Intellectual Ventures. Z pomysłem tym wystąpił w 2006 roku laureat Nagrody Nobla Paul Crutzen (Paul bardzo lubi sałatkę z pomidorów) a o wiele lat wcześniej słynny klimatolog rosyjski Budyko. Gates inwestuje też w project Armanda Neukermansa zwiększający odbijalność słońca of chmur nad oceanami. Ten pomysł pochodzi m.in. od fizyka chmur Lathama, który pisał o wielkich rozpylaczach. Wiele z projektów inżynierii pogody i klimatu ma „analogie w naturze”. Np. zwiększenie odbijalności poprzez wprowadzenie aerozoli siarczanowych do stratosfery jest z swoim zamyśle podobne do procesu obserwowanego w czasie wybuchów wulkanów, stąd nazwa "opcja Pinatubo".  Pomysł ma też negatywne konsekwencje – zmniejszenie ozonu w stratosferze. Inną techniką inzynierii pogody jest zasiewanie żelaza w oceanie. Okazuje się, że w wielu miejscach w oceanie dodanie związków żelaza powoduje zakwity fitoplanktonu. Ma to obniżyć ilość dwutlenku węgla (fotosynteza). W ubiegłym roku grupa badaczy z Niemiec i Indii przeprowadziła taki eksperyment na oceanie południowym na dość dużą skalę. Nastąpił istotnie zakwit, ale innego rodzaju fitoplanktonu niż się spodziewano.  Inne pomysły geoinżynierii polegają na ustawienu luster lub parasoli w przestrzeni kosmicznej.

Mimo, że wszystko to jest traktowane przez pomysłodawców jako ostatnia deska ratunku, to pewna część zamysłów jest realizowanych - np zasiewanie oceanu żelazem. My sami już teraz realizujemy kilka metod geoinżynieryjnych - np smugi kondensacyjne za samolotami powstają w czasie komercyjnych lotów. Podobnie jest ze zwiększaniem odbijalności chmur  przez drobne cząstki zanieczyszczeń pozostawiane przez statki.

Przeglądowy artykuł na ten temat, napisany z pozycji sceptyka, napisał mój promotor – Bill Cotton (Weather and climate engeenering w J Heintzenberg, Robert J Charlson, Clouds in the perturbed climate system: their relationship to energy balance, atmospheric dynamics, and precipitation, Strüngmann Forum reports, 2009).

Napisałem o tym wszystkim na Wikipedii, ale jest tam jeszcze dużo do napisania (np całe hasło o modyfikacji pogody)
http://pl.wikipedia.org/wiki/Inżynieria_pogody_i_klimatu

Istnieją już próby (chyba słuszne) nałożenia embarga na eksperymenty tego typu.

 

Rozplylacze i autonomiczny statek oparty na efekcie Magnusa.

sobota, 12 czerwca 2010

Dziś o Billu Gates’ie, kondukcie pogrzebowym, cyklonach tropikalnych, i naściślej strzeżonej tajemnicy meteorologów tropikalnych. 

W lecie 2009 roku Bill Gates, były szef Mikrosoftu,  wystąpił o 5 patentów na kontrolę cyklonów tropikalnych poprzez obniżenie temperatury warstwy oceanu bliskiej powierzchni.  Idea tego pomysłu jest taka, ze cyklony tropikalne czerpią swoją energię z oceanu. Energia jednego dużego cyklonu tropikalnego jest równoważna bombie jądrowej (można to wyliczyć z ilości deszczu jaki spada)  i większość z tej energii pochodzi od oceanu.  Ta historia jest jednym z przykładów  aktywnie obecnie rozwijanej dziedziny inżynierii pogody i klimatu.

Zdradzę sekret. Istnieje tajemnicza lista, do której dostęp mają zawodowi meteorolodzy, która nazywa się "listą tropikalną".  Każdy email z tej listy ma informację "Nie przekazuj tej informacji do osób bez odpowiedniego wykształcenia" ("Please do not forward this message to non-qualified individuals"). Jej strona sieciowa to
http://www.tstorms.org/tropical-storms/

W Polsce jest tylko jedna osoba (nie ja), która jest członkiem tej listy. Oczywiście pomysł Gates’a zaraz był na tej liście omawiany - i skrytykowany. Ale jak dobrze pójdzie, Gates będzie miał kontrolę nad cyklonami tropikalnymi przez 18 lat.  Jak każdy dobry pomysł z inżynierii klimatu i pogody istnieją przesłanki fizyczne dlaczego może to działać. W przyrodzie obserwuje się ślad zimnej wody po przejściu cyklonu tropikalnego.   Co to jest zimny ślad cyklonu? Ze zdjęć satelitarnych widać, że temperatura oceanu po przejścu cyklonu obniża się. Ma to sens, bo energia cieplna pobierana przez cyklon wychładza ocean. Dość długo nie bardzo było wiadomo jak głęboko te zmiany sięgają - bo było trudno robić ze statku pomiary bezpośrednio pod cyklonem - trochę wieje.  W ostatnich dziesięciu latach opracowano specjalne techniki pomiarowe, m.in dryfujące swobodnie w oceanie boje z łańcuchem pomiarów temperatury na różnych głębokościach, które wrzuca się do wody z samolotów przed przejściem cyklonu tropikalnego. Takich pomiarow było do tej pory stosunkowo niewiele, może 3-4 pomiary w róznych cyklonach.  Z tych pomiarów udało się ocenić, że temperatura nie tylko powierzchni oceanu, ale też pod powierzchnią oceanu, nawet do 100 metrów jest oziębiana i tworzy dobrze wymieszaną warstwę. Istnieje anomalia i okazuje się, ze często po prawej stronie trajektorii cyklonu to wyziębienie jest większe.   

PS Bawi mnie tłumaczenie na polski angielskich terminów. Dość często się z tym borykam (i wielu innych wikipedystów) wpisując coś na Wikipedii.   W tym krótkim blogu są trzy nowe terminy, które przetłumaczyłem z angielskiego i warto napisać jak to się robi. Pierwszy termin to „cold wake” - bardzo chcieliśmy z moim magistrantem, Darkiem Baranowskim, żeby polskim odpowiednikiem była "procesja zimnej wody", bo "wake" ma też angielskie znaczenie "procesja (kondukt) pogrzebowa".  Wydawało nam sie, że nazwa jest fajna. Ale zostaliśmy zakrzyczeni (lekko) przez Szymona Malinowskiego i w końcu zostało "zimny ślad".  I taką nazwę wpisałem wczoraj do polskiej Wikipedii
http://pl.wikipedia.org/wiki/Zimny_ślad_cyklonu

Drugim terminem jest "geoengineering". To nowy dział badań klimatycznych i sam termin funkcjonuje w meteorologii dopiero od czterech lat.  Poprzednio używano nazwy "modyfikacja pogody", ale miało to głównie konotację wywoływania zmian w celu zwiększenia/zmniejszenia opadów deszczu. Obecny termin "geoinżynieria"  jest znacznie szerszy, ale z kolei jest ograniczany do zmian pogody w celu kontroli klimatu.  Termin "geoinżynieria" jest dobry, ale na polskiej Wikipedii istnieje już takie hasło w innym kontekście. Dlatego  wpisałem na Wikipedię "inżynieria klimatu"
http://pl.wikipedia.org/wiki/Inżynieria_pogody_i_klimatu

bo taki tytuł ma artykuł przeglądowy Billa Cottona z 2009 roku na ten temat. Trzeci nowy termin w tym blogu to ang. "drifters". Terminy oceaniczne tłumaczę często pytając się Jacka Piskozuba, z Instytutu Oceanologii PAN w Sopot, który wie wszystko.  Stąd zostało "dryftery" od "dryfować", to było proste.

czwartek, 10 czerwca 2010

Dziś prosty kawałek. Jak zostać biurem prognoz pogody dla żeglarzy regatowych, którzy podróżują w rózne miejsca Świata? Popatrzymy na trzy wybrane przykłady. Jednym jest słynna na wybrzeżu Willa Augustyna, gdzie można znaleźć prognozę wiatru, temperatury, zachmurzenia i opadu którą Andrzej Jóżwik pobiera z amerykańskiego narodowego serwisu meteorologicznego NCEP/NOAA
http://augustyna.pl/prognozy/jastarnia.php

Pan Andrzej ma też wiatromierz i kamerę, z której można ogladać przez cały rok zdjęcia. Kamera nazywa się malowniczo  “Widok na Zatokę Pucką z okien OW Augustyna w Jastarni na Półwyspie Helskim” i działa już 11 lat. Najfajniesze zdjęcia są po sezonie w zimie.
http://augustyna.pl/widok.php

Czasami dane pogodowe z jego serwisu używane są w zawodach deskarzy. 

Najbardziej znanym serwisem dla żeglarzy w Europie jest Windguru (zdradzę tajemnicę, że jest używany przez polska kadrę żeglarską)
http://www.windguru.cz/int/

Działa w Czechach. p. Vaclav także pobiera dane z narodowego centrum prognoz w USA, z modelu, który ma rozdzielczośc 50km. Innymi słowy prognozuje pogodę dla Warszawy a następnym punktem może być np Łódź. Natomiast nie daje dokładnej prognozy w skali poszczególnych dzielnic. Prognoza jest na 180 godzin i jest uaktualniana  4 razy dziennie. p. Vaclav wykorzystuje także model o lepszej rozdzielczości przestrzennej niż model z narodowego centrum prognoz w USA.  Te wyniki są udostępniane z rozdzielczością przestrzenną  9 kilometrów.  Model jest też amerykański i nazywa się WRF (wymawiaj „łorf”). Podobna prognozę w San Francisco można znależć na stronie
http://www.windfinder.com/forecast/san_francisco

używają jej wszyscy deskarze w Zatoce San Francisco i kiedyś używałem jej do prognoz na Mistrzostwach Świata w klasie 470.  Ten serwis różni się nieco od dwóch o jakich pisałem, że firma ma lokalne pomiary i uwzględnia je w modelu prognozy.

Dlaczego w Polsce, Europie, Stanach amatorzy używają amerykańskich danych pogodowych i amerykańskich modeli numerycznych?  Pisałem już o tym z okazji danych klimatycznych, ale napiszę jeszcze raz. W USA uważa się, że dane metorologiczne i oceaniczne, które są zbierane z pieniędzy podatników,  powinny być dostępne bezpłatnie. Narodowa służba meteorologiczna (NCEP) udostępnia zarówno dane  i wyniki prognoz numerycznych bezpłatnie na swoich stronach sieciowych. Przy okazji udostępnia wyniki prognoz na cały świat. Tę furtkę wykorzystuje się w Europie i w Stanach. Natomiast narodowe służby meteorologiczne w Europie wykorzystują możliwość blokady danych  jaką daje rezolucja Światowej Organizacji Meteorologicznej numer 40.  Dają wprawdzie swoje prognozy, ale staraja się uniemożliwić swobodny dostęp do danych.  Jest jednak subtelny problem z prognozami amatorskimi w tej skali kilku kilometrów. Otóż amatorskie modele wykorzystują tylko wyniki z modeli globalnych (nacisk w tym zdaniu jest na "tylko").  

Ciekawą historię ma też amerykański model mezoskalowy WRF.  Przez wiele lat w USA mezoskalowe modele pogody były rozwijane przez ośrodki uniwersyteckie: dwa najsłynniesze to MM5 z Uniwersytetu Penn State i model RAMS z Uniwersytetu Colorado State (nad tym drugim pracowałem jako student więc wiem co piszę).  Narodowe centrum prognoz USA miało  swoje własne modele przewidujące pogodę na obszarze USA.  Kilka lat temu tego typu modele prognoz przestały być  przedmiotem intesywnych badań naukowych i stały się bardziej narzędziem (już czuje, że za to zdanie dostanie mi się od zawodowych meteorologów). Wtedy postanowiono połączyć wiele istniejących modeli. Stąd powstał model WRF. Każdy może ten model uruchomić na swoim komputerze domowym.

PS. Pierwszy z prawdziwego zdarzenia model mezoskalowym (model UKMO) w Polsce ustwiony był w ICM przez Bogumiła Jakubiaka. Napisalem kiedyś o nim na polskiej wikipedii
http://pl.wikipedia.org/wiki/Bogumił_Jakubiak
Razem z Bogumiłem używaliśmy jednego z modeli używanych w ICMie (COAMPSa) do prognozy na regatach przedolimpijskich w Chinach w 2006. Napisałem kiedyś o tym w "Gazecie Wyborczej".  Obecnie w Polsce są inne modele mezoskalowe m.in. w  IMGW. Ta historia to inny świat, na inny wpis.

środa, 09 czerwca 2010

Blog o babim lecie i złotej jesieni jest na rozweselenie przy powodzi. Pytanie o mechanizm babiego lata zadałem ostatnio na egzaminie doktorskim swojego studenta (M.W.), a sam rozmawiałem o nim z Arntem Elliasenem, wybitnym norweskim meteorologiem, jadąc wiele lat temu - w czasie babiego lata - z Warszawy do Krakowa. Babie lato jest okresem  kiedy na jesieni występuje  kilkanaście letnich dni.  

Lśni pogody blask błękitnozłoty:
Zda się, jakby wiosna pełnej treści
Nie zużywszy, minąwszy niecała,
Swe ostatki w wrześniu przeżywała
I że lato oszczędzeń w dnie słoty
Czar swój w środku jesieni dziś mieści.
(Babie lato, Leopold Staff)

Związane jest ze zmianą  sposobu przepływu powietrza w zimie i lecie.  Te zmiany nazywają się wascylacjami (ang. vascillations).  Są dwa sposoby myślenia o przepływie powietrza w atmosferze, jeden polega na rozważaniu układów ciśnienia na powierzchni Ziemi (wyże, niże), a drugi na zrozumieniu co sie dzieje nad powierzchnią Ziemi, np. na wysokości gdzie ciśnienie jest około 500 mb (500mb to  około 5km ponad powierzchnią Ziemi). Rasowy synoptyk myśli najpierw o tym co sie dzieje wysoko nad Ziemią dlatego bo jej  skomplikowany wpływ - góry, ocean, nagrzewanie od lądu, drzewa – jest tam mały. Dzieki temu widać ogólny obraz tego co się dzieje i co się wydarzy. Podobnie jest ze zmianami klimatu. Efekt zmian klimatu jest mierzony najczęściej na powierzchni  Ziemi – poziom wody w oceanach, temperatura na powierzchni Ziemi – ale znacznie lepszy obraz daje zrozumienie tego co się może zdarzyć powyżej. A co się może zdarzyć? Jak przez kilka dni na jesieni dostać lato?  Wyobraźmy sobie płynącą rzekę powietrza z zachodu na wschód wysoko nad Ziemią.  Ta rzeka może płynąć bezpośrednio z Paryża przez Berlin do Warszawy – mówimy, że przepływ jest „strefowy” i taki przepływ jest typowy dla lata.  Ale powietrze może też popłynąć meandrami z Paryża najpierw do Włoch a dopiero wtedy do Warszawy, tak jak rzeka zataczająca półkola.  Meandry powietrza są potrzebne w zimie bardziej niż w lecie bo przynoszą ciepło i wilgoć z obszarów podtropikalnych,  ale są też związane  z gwałtowniejszą jesienną pogodą.  W lecie  meandry mają znacznie mniejszą amplitudę bo słońce i tak ociepla atmosferę nad Polską.  Babie lato to okres chwilowej cyrkulacji powietrza podobnej do letniej, w której meandry powietrza uspokajają się. Patrząc na ciśnienie na powierzchni (drugi sposób myślenia) babie lato to okres przeskoku pomiędzy sytuacją dominowaną przez Wyż Azorski w lecie i Wyż Syberyjski w zimie. W tym okresie tworzy sie wyż w Niemczech, który przynosi ciepłe powietrze do Polski. Ale to tak na marginesie.

Dla zmian klimatu wnioski  z babiego lata są takie.  W zmianach klimatu nie chodzi tylko o ocieplenie. Chodzi też o zmianę kontrastu temperatury pomiędzy obszarami tropiklanymi i biegunowymi i związane z tym zjawiska meteorologiczne.   

A tak przy okazji – powodzie związane są z sytuacją podobną do babiego lata. Okresu przejścia z cyrkulacji zimowej na letnią.

niedziela, 06 czerwca 2010

Dziś blog dla tych, których interesuje pogoda.  Bloguję o słynnym diagramie Wheelera-Kiladisa z roku 1999. 

Wyobraźmy sobie, że leżymy na leżaku na Mauritius lub na jednym z atoli na Malediwach. Słoneczko świeci, czasami spadnie deszczyk, czasami przyjdzie cyklon tropikalny, czasami jest burza (a my leżymy).  W ostatnich dekadach okazało się, że olbrzymia ilość zjawisk w atmosferze tropikalnej ma charakter falowy podobnie jak fale na wodzie.  Obserwując fale w wannie czy na jeziorze można zauważyć, że ich grzbiety przychodzą co jakiś czas, i że mogą mieć różny zasięg (fala może być krótka lub długa).  Pogoda w obszarze tropików, deszczyk, burza, zachmurzenie, cyklon tropikalny - to fale rozchodzące się w obszarze olbrzymiego pasa wzdłuż równika. Fale wędrują wokół równika, wracają w to samo miejsce, i tak w kółko.  Wyobraźmy sobie, że  poruszyliśmy delikatnie napiętym sznurkiem. Powstanie wtedy  fala z jedną doliną i jednym wybrzuszeniem - fala numer 1.  W pasie wokół równika fala numer 1 wygląda identycznie; w połowie długości równika są (dla przykładu) chmury, a w drugiej połowie długości równika niebo jest bezchmurne.  Fala numer 2 ma dwa wybrzuszenia i doliny wzdłuż całego równika – np dwa obszary gdzie pada deszcz  i dwa obszary gdzie jest sucho. Fala numer zero to taka, w której pogoda wzdłuż równika jest wszędzie taka sama, tak jak płaskie jezioro.   Fale mogą się przesuwać na zachód lub na wschód i mogą płynąć wolno lub szybko. Innymi słowy mogą obleciec kulę ziemską z różnym okresem.  Fale można zaobserwować na zdjęciach chmur. Takie obserwacje prowadzi się z satelitów położonych nad kilkoma miejscami nad równikiem. Zdjęcia wykonuje się co kilka godzin i z kolejnych zdjęć można zaobserwowac jak fale przesuwają się w pasie równikowym.  Analizę fal tropikalnych ze zdjęć satelitarnych przeprowadzili po raz pierwszy Wheeler i Kiladis w 1999 roku. Użyli zdjęć chmur z kilkunastu lat a wyniki pokazali na jednym diagramie.  Na rysunku na osi horyzontalnej jest zaznaczona liczba fal wokół równika.  Po prawej stronie są fale rozchodzące się na wschód, a po lewej stronie fale rozchodzące się na zachód. W środku osi są fale najdłuższe, o liczbie falowej bliskiej zero a dalej są fale krótkie, które maja wiele wybrzuszeń wzdłuż równika, czyli dużą liczbę falową. Na osi pionowej jest  zaznaczone jak szybko te fale przychodzą. Z  rysunku widać, że w atmosferze tropikalnej występują zjawiska falowe o różnych okresach i długościach. Zdumiewające jest jednak to, że  nie wszystkie kombinacje okresu i długości fal są możliwe. Z niektórymi falami związane są bardzo dobrze znane zjawiska. Dla przykładu – fale Rossbiego, które na diagramie widać po lewej stronie osi poziomej, zaznaczone są grubą czarną linią, to cyklony tropikalne, które przemieszczają się zawsze na zachód. Widać, że mają długi okres czyli pojawiaja się rzadko. Fale wędrujące na wschód (zaznaczone zieloną linią) to tzw. fale Kelvina, czasami szybko przemieszczające się wzdłuż równika.  Niebieską linią  zaznaczone są fale Maddena-Juliana. Przychodzą co 60-90 dni.  Fale te zapoczątkowują zjawisko El Nino i mają znaczenie w początkach Monsunu Indyjskiego.

 

Podsumowując: (1) Fale w tropikach  mają kolosalne znaczenie w zjawiskach pogodowych – opadach, powstawaniu cyklonów tropikalnych, zapoczątkowaniu monsunu.  Prognoza pogody oparta na pracach Wheelera i Kiladisa znajduje sie na stronie sieciowej
http://www.cawcr.gov.au/bmrc/clfor/cfstaff/matw/maproom/OLR_modes/

i jest obiecującą techniką przewidywania pogody w tropikach.

(2) Diagram Wheelera-Kiladisa jest używany w ocenie globalnych modeli pogody i klimatu. Podobny diagram można stworzyć na podstawie modeli numerycznych, które są niezależne od obserwacji satelitarnych.  Jeżeli wyniki są podobne, to znaczy że model dobrze prognozuje zjawiska w tropikach. Jest to jeden z testów diagnostycznych globalnych modeli. Warto o tym pamiętać,  słuchając wypowiedzi przeciwników zmian klimatu, którzy krytykują modele numeryczne klimatu nie zdając sobie sprawy z tego, że są one sprawdzane z istniejącymi danymi o pogodzie. 

(3) Uwaga tylko dla studentów fizyki atmosfery. Podstawowym artykułem dotyczącym fal w atmosferze tropikalnej jest praca T. Matsuno z roku 1966: Quasi-geostrophic motions in the equatorial area. J. Meteorol. Soc. Jpn. Ser. II., 44, 2341–2348. Bez zrozumienia tego artykuł nie można zrozumieć dynamiki tropikalnej.

PS.  A na koniec trochę krytyki ignorancji na polskiej Wikipedii. Myśląc o tym blogu dodałem link do strony Wheelera dotyczącej prognozy oscylacji Maddena-Juliana  na wikipedii (zresztą sam to hasło kiedyś napisałem)
http://pl.wikipedia.org/wiki/Oscylacje_Maddena-Juliana

Ten link do strony twórcy prognoz oscylacji Maddena-Juliana został usunięty z dopiskiem, że to „angielska strona, nic praktycznie nie wnosząca do artykułu”.