Pokud by se dnes měla vybrat ta nejdiskutovanější oblast meteorologické problematiky, velmi pravděpodobně by vyhrála debata okolo globálních klimatických změn, globálního oteplování a jejich možných důsledků…
Klima (podnebí) je dlouhodobý charakteristický režim počasí podmíněný energetickou bilancí, cirkulací atmosféry, charakterem aktivního povrchu a lidskou činností. Lze ho charakterizovat pomocí průměrných hodnot meteorologických prvků doplněných o extrémy a četnosti jejich výskytu, popřípadě o další statistické charakteristiky. Důležitým aspektem klimatu daného místa je také průměrný roční chod meteorologických prvků a jejich průměrná meziroční variabilita. Integrovaný popis pomocí více proměnných (zejména teploty vzduchu a srážek) vede k tzv. klasifikacím klimatu. Klimatické typy lze definovat např. s ohledem na rozložení vegetačních oblastí.
Pro utváření klimatu je důležité nejen chování atmosféry, ale zásadní význam má i oceán a vzájemné interakce obou těchto systémů. Velkou roli hrají i kryosféra a biosféra. Všechny tyto složky jsou součástí klimatického systému. Zanedbat nelze ani vlivy působící na klimatický systém zvnějšku. Podnebí v určité oblasti se vyznačuje určitou stálostí – dlouhodobé charakteristiky souboru klimatických prvků vypočítané za různě zvolená delší časová období (řádově desítky let) se od sebe příliš neliší. To však nevylučuje výraznější změny podnebí, ke kterým došlo v průběhu geologické minulosti Země, ale ani kolísání podnebí v průběhu stovek či tisíců let. Klimatický systém se neustále proměňuje a vyvíjí.
Obr. 1: Procesy spojené s energetickou rovnováhou systému Země (převzato z Solomon et al., 2007, IPCC AR4, WG1, Chap. 1, FAQ Fig. 1.1)
Skleníkový jev (efekt), dnes často v médiích diskutovaný v souvislosti s pozorovanými globálními změnami klimatu, není nic nepřirozeného. Bez jeho existence by průměrná teplota na povrchu Země byla asi –18 °C místo současných +15 °C. Výsledkem radiační rovnováhy příkonu slunečního záření dopadajícího k zemskému povrchu, příkonu zpětného tepelného záření atmosféry a tepelného vyzařování Země je, při zahrnutí i některých dalších procesů s příspěvkem k celkové energetické bilanci (viz Obr. 1), výše uvedená průměrná teplota povrchu Země. Skleníkový jev je tedy pro současné podmínky a pro život na Zemi nezbytný. Nejdůležitějším skleníkovým plynem je vodní pára. Její množství je v atmosféře, resp. v planetárním systému Země, v podstatě neměnné. Nejdůležitější plyn z hlediska současného zesilování skleníkového efektu je oxid uhličitý (CO2). Ten se po dlouhá období akumuloval ve formě fosilních paliv. Jejich současné spalování a emise CO2 zpět do atmosféry má za následek zesílení skleníkového efektu, což vede ke zvýšení teploty povrchu. To má samozřejmě prostřednictvím řady zpětných vazeb důsledky pro celý klimatický systém Země.
Pozemský klimatický systém představuje jednu z nejkomplexnějších soustav studovaných současnou fyzikou. Základní rysy jeho chování lze popsat pomocí fyzikálně-chemických modelů řešených metodami numerické matematiky. V dnešní době nejrozšířenější typ klimatických modelů jsou tzv. globální klimatické modely (GCM), tedy modely všeobecné cirkulace atmosféry spojené s modelem oceánu, kryosféry, popř. i modelem biosféry či chemickým modelem. Báze modelu je tvořena dynamickým jádrem, reprezentujícím základní fyzikální popis dynamiky a termodynamiky atmosféry. Řada dalších dějů, které nelze v daném rozlišení explicitně popsat, je zachycena pomocí fyzikálních parametrizací. Klimatický model musí zohlednit i další složky klimatického systému a vazby mezi nimi. Zejména se jedná o tepelnou výměnu, přenos hybnosti a vlhkosti mezi atmosférou, oceánem a kryosférou. Tak se původně modely všeobecné cirkulace atmosféry stávají modely systému Země (Earth System Models), jak se jim dnes začíná rovněž říkat, a představují základní nástroj současné klimatologie.
Ukázka výstupů modelu RegCM ze simulace řízené globálním modelem CNRM-CM5 provedené v rámci mezinárodni aktivity Euro-CORDEX. Zobrazena je simulovaná změna průměrné sezónní teploty vzduchu v oblasti Evropy pro období 2021-2050 v porovnání s referenčním obdobím 1961-1990. DJF označuje zimní sezónu, MAM jaro, JJA léto a SON podzim. Barevná škála odpovídá změně teploty ve °C.
Globální klimatické simulace jsou velmi složité s velkými nároky na výpočetní kapacitu. Jejich horizontální rozlišení se v současnosti pohybuje od 1° do 3,5° zeměpisné šířky/délky. Vzhledem k poměrně hrubému horizontálnímu rozlišení je rozložení pevnin a oceánů poněkud odlišné od skutečnosti, stejně jako nadmořská výška povrchu. Je zřejmé, že není možné zachytit vliv méně horizontálně rozlehlých pohoří, různých typů povrchu apod. Vzhledem ke svému hrubému rozlišení nedokáží GCM věrně simulovat klima na menších měřítkách. Proto se používají techniky zmenšování měřítka, tzv. downscalingu. Jednou z možností je použití dynamického downscalingu, tedy regionálního klimatického modelu. Jedná se o model atmosféry, podobný jako atmosférická část GCM, ovšem výpočet v tomto případě neprobíhá pro celou planetu Zemi, ale pouze na omezené oblasti, např. pro území Střední Evropy. Tím je umožněno větší rozlišení modelu, které se v současnosti pohybuje od 50 do 10 km. Okrajové podmínky jsou převzaty z řídícího globálního modelu anebo jsou použity pozorované hodnoty. Globální i regionální klimatické simulace jsou i přes zjemňující se prostorové rozlišení zatíženy mnoha nejistotami. Jednou z možností, jak tyto nejistoty studovat, je použít soubor více simulací různých modelů, ve kterých jsou použity různé zjednodušující předpoklady. Zatímco GCM jsou kvůli svým vysokým výpočetním nárokům doménou velkých výzkumných center, regionální modely lze provozovat i ve skromnějších podmínkách.
Na KMOP MFF UK má výzkum v oblasti klimatologie dlouhou tradici. V současné době je na naší katedře provozován regionální klimatický model RegCM, vyvíjený v International Centre for Theoretical Physics v Terstu. Aktuálně jsou připravovány simulace RegCM pro oblast Evropy podle plánů koordinované mezinárodní aktivity CORDEX. Kromě toho se zabýváme mj. metodami validace výstupů globálních i regionálních klimatických modelů, problematikou tvorby scénářů změny klimatu, hodnocením souvisejících nejistot a metodami lokalizace a post-processingu modelových výstupů. Například se věnujeme validaci výstupů klimatických modelů pomocí výše zmíněných klimatických klasifikací a analýze možných budoucích změn klimatických typů pro různé emisní scénáře (více viz zde). Klimatologický výzkum na KMOP MFF UK probíhá v rámci národních i mezinárodních výzkumných projektů, seznam některých z nich najdete v sekci Výzkum a publikace .
