Klimatologia - Climatology

Klimatologia to naukowa nauka o klimacie.

Klimatologia (z greckiego κλίμα , klima , "miejsce, strefa"; i -λογία , -logia ) lub nauka o klimacie to naukowa nauka o klimacie , naukowo zdefiniowana jako warunki pogodowe uśrednione w czasie. Ta nowoczesna dziedzina nauki jest uważana za gałąź nauk o atmosferze i poddziedzinę geografii fizycznej , która jest jedną z nauk o Ziemi . Klimatologia obejmuje obecnie aspekty oceanografii i biogeochemii .

Główne metody stosowane przez klimatologów to analiza obserwacji i modelowanie praw fizycznych determinujących klimat. Głównymi tematami badań są badania zmienności klimatu , mechanizmów zmian klimatycznych oraz współczesnych zmian klimatycznych . Podstawowa wiedza o klimacie może być wykorzystana w krótkoterminowych prognozach pogody , na przykład o cyklach klimatycznych, takich jak oscylacja El Niño-Southern (ENSO), oscylacja Maddena-Julian (MJO), oscylacja Północnoatlantycka (NAO), oscylacja Arktyczna (AO), oscylacja dekadowa pacyficzna (PDO) i oscylacja międzydekadowa pacyficzna (IPO).

Modele klimatyczne są wykorzystywane do różnych celów, od badania dynamiki systemu pogodowego i klimatycznego po prognozy przyszłego klimatu. Pogoda jest znana jako stan atmosfery w pewnym okresie czasu, podczas gdy klimat ma związek z warunkami atmosferycznymi przez dłuższy czas do nieokreślonego czasu.

Historia

Grecy rozpoczęli formalne studia nad klimatem; w rzeczywistości słowo klimat pochodzi od greckiego słowa klima, oznaczającego „nachylenie”, odnoszącego się do nachylenia lub nachylenia osi Ziemi. Prawdopodobnie najbardziej wpływowych klasyczny tekst na klimat był On Airs, woda i miejsca napisane przez Hipokratesa około 400 pne . W pracy skomentowano wpływ klimatu na zdrowie człowieka oraz różnice kulturowe między Azją a Europą. Ta idea, że ​​kontrola klimatu, które kraje przodują w zależności od ich klimatu, lub determinizmu klimatycznego , pozostawała wpływowa przez całą historię. Chiński naukowiec Shen Kuo (1031–1095) wywnioskował, że klimat zmieniał się w sposób naturalny na przestrzeni czasu, po zaobserwowaniu skamieniałych bambusów znalezionych pod ziemią w pobliżu Yanzhou (dzisiejsza Yan'an , prowincja Shaanxi ), na obszarze o suchym klimacie, który nie nadaje się do wzrostu bambus.

Wynalezienie termometru i barometru podczas rewolucji naukowej umożliwiło systematyczne prowadzenie zapisów, które rozpoczęło się już w latach 1640–1642 w Anglii . Wcześni badacze klimatu to Edmund Halley , który opublikował mapę pasatów w 1686 roku po podróży na półkulę południową. Benjamin Franklin (1706-1790) po raz pierwszy opisał przebieg Prądu Zatokowego, aby wykorzystać go w wysyłaniu poczty ze Stanów Zjednoczonych do Europy . Francis Galton (1822-1911) wymyślił termin antycyklon . Helmut Landsberg (1906–1985) sprzyjał wykorzystaniu analizy statystycznej w klimatologii, co doprowadziło do jej ewolucji w naukę fizyczną.

Na początku XX wieku klimatologia koncentrowała się głównie na opisie klimatów regionalnych. Ta opisowa klimatologia była głównie nauką stosowaną, dającą rolnikom i innym zainteresowanym osobom statystyki dotyczące normalnej pogody i szans na wystąpienie ekstremalnych zdarzeń. W tym celu klimatolodzy musieli zdefiniować klimat normalny , czyli średnią pogody i ekstremalnych warunków pogodowych w okresie zazwyczaj 30 lat.

Mniej więcej w połowie XX wieku wiele założeń meteorologicznych i klimatologicznych uważało klimat za mniej więcej stały. Chociaż naukowcy wiedzieli o przeszłych zmianach klimatu, takich jak epoki lodowcowe , koncepcja klimatu jako niezmiennego była przydatna w opracowaniu ogólnej teorii tego, co determinuje klimat. Zaczęło się to zmieniać w następnych dziesięcioleciach i chociaż historia nauki o zmianach klimatu zaczęła się wcześniej, zmiany klimatyczne stały się tylko jednym z przeciętnych tematów badań klimatologów w latach siedemdziesiątych i później.

Podpola

Mapa średniej temperatury na przestrzeni 30 lat. Zbiory danych utworzone z wieloletniej średniej historycznych parametrów pogodowych są czasami nazywane „klimatologią”.

Różne poddziedziny klimatologii badają różne aspekty klimatu. W klimatologii istnieją różne kategorie dziedzin. Na przykład Amerykańskie Towarzystwo Meteorologiczne identyfikuje klimatologię opisową, klimatologię naukową i klimatologię stosowaną jako trzy podkategorie klimatologii, kategoryzację opartą na złożoności i celu badań. Stosowani klimatolodzy stosują swoją wiedzę w różnych branżach, takich jak produkcja i rolnictwo .

Paleoklimatologia stara się zrekonstruować i zrozumieć dawne klimaty poprzez badanie zapisów, takich jak rdzenie lodowe i słoje drzew ( dendroklimatologia ). Paleotempestologia wykorzystuje te same zapisy, aby pomóc określić częstotliwość huraganów na przestrzeni tysiącleci. Klimatologia historyczna to nauka o klimacie w powiązaniu z historią ludzkości, a zatem skupia się tylko na ostatnich kilku tysiącach lat.

Klimatologia warstwy przyściennej zajmuje się wymianą wody, energii i pędu przy powierzchni. Dalsze zidentyfikowane poddziedziny to klimatologia fizyczna, klimatologia dynamiczna, klimatologia tornado, klimatologia regionalna, bioklimatologia i klimatologia synoptyczna . Badanie cyklu hydrologicznego w długich skalach czasowych jest czasami nazywane hydroklimatologią, w szczególności przy badaniu wpływu zmian klimatycznych na cykl wodny.

Metody

Badanie współczesnego klimatu obejmuje dane meteorologiczne gromadzone przez wiele lat, takie jak dane dotyczące opadów, temperatury i składu atmosfery. Wiedza o atmosferze i jej dynamice jest również zawarta w modelach , zarówno statystycznych, jak i matematycznych , które pomagają integrować różne obserwacje i sprawdzać, jak do siebie pasują. Modelowanie służy do zrozumienia przeszłych, obecnych i potencjalnych przyszłych klimatów.

Badania klimatyczne są utrudnione ze względu na dużą skalę, długie okresy czasu i złożone procesy rządzące klimatem. Klimatem rządzą prawa fizyczne, które można wyrazić równaniami różniczkowymi . Równania te są sprzężone i nieliniowe, dzięki czemu przybliżone rozwiązania uzyskuje się za pomocą metod numerycznych do tworzenia globalnych modeli klimatu . Klimat jest czasami modelowany jako proces stochastyczny, ale ogólnie przyjmuje się to jako przybliżenie procesów, które poza tym są zbyt skomplikowane do analizy.

Dane klimatyczne

Zbieranie długich zapisów zmiennych klimatycznych jest niezbędne do badania klimatu. Klimatologia zajmuje się zagregowanymi danymi zebranymi przez meteorologię. Naukowcy wykorzystują zarówno bezpośrednie, jak i pośrednie obserwacje klimatu, od satelitów obserwujących Ziemię i instrumentów naukowych, takich jak globalna sieć termometrów , po prehistoryczny lód wydobywany z lodowców . Ponieważ technologia pomiarowa zmienia się w czasie, zapisów danych nie można bezpośrednio porównywać. Ponieważ miasta są na ogół cieplejsze niż otaczające je obszary, urbanizacja wymusiła ciągłe korygowanie danych pod kątem efektu miejskiej wyspy ciepła .

Modele

Modele klimatyczne wykorzystują metody ilościowe do symulacji interakcji atmosfery, oceanów, powierzchni lądu i lodu. Są one wykorzystywane do różnych celów, od badania dynamiki systemu pogodowego i klimatycznego po prognozy przyszłego klimatu. Wszystkie modele klimatyczne równoważą lub prawie równoważą energię przychodzącą do Ziemi jako krótkofalowe (w tym widzialne) promieniowanie elektromagnetyczne z energią wychodzącą jako długofalowe (podczerwone) promieniowanie elektromagnetyczne z Ziemi. Wszelkie niezrównoważenie powoduje zmianę średniej temperatury ziemi. Większość modeli klimatycznych uwzględnia radiacyjny wpływ gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla . Modele te przewidują tendencję wzrostową temperatury powierzchni , a także szybszy wzrost temperatury na wyższych szerokościach geograficznych.

Modele mogą wahać się od stosunkowo prostych do złożonych:

  • Prosty model wymiany ciepła przez promieniowanie, który traktuje ziemię jako pojedynczy punkt i uśrednia energię wychodzącą
  • można ją rozszerzyć w pionie (modele radiacyjno-konwekcyjne) lub poziomo
  • Połączone modele globalnego klimatu atmosfera-ocean-lód morski dyskretyzują i rozwiązują pełne równania przenoszenia masy i energii oraz wymiany promieniowania.
  • Modele systemu Ziemi obejmują ponadto biosferę.

Tematyka badań

Tematy badane przez klimatologów dzielą się z grubsza na trzy kategorie: zmienność klimatu , mechanizmy zmian klimatu i współczesne zmiany klimatu .

Procesy klimatyczne

Na przeciętny stan atmosfery w danym miejscu wpływają różne czynniki. Na przykład na średnich szerokościach geograficznych występuje wyraźny cykl sezonowy temperatury, podczas gdy regiony tropikalne wykazują niewielkie wahania temperatury w ciągu roku. Inną ważną kontrolą klimatu jest kontynentalizm: odległość od głównych zbiorników wodnych, takich jak oceany . Oceany działają jako czynnik łagodzący, dlatego na lądzie w ich pobliżu panują zazwyczaj łagodne zimy i umiarkowane lata. Atmosfera oddziałuje z innymi sferami systemu klimatycznego , przy czym wiatry generują prądy oceaniczne, które roznoszą ciepło na całym świecie.

Klasyfikacja klimatyczna

Klasyfikacja jest ważnym aspektem wielu nauk jako narzędzie upraszczania skomplikowanych procesów. Na przestrzeni wieków powstały różne klasyfikacje klimatyczne , z pierwszymi w starożytnej Grecji . Sposób klasyfikacji klimatów zależy od aplikacji. Wiatrowa energia producent będzie wymagać różnych informacji (wind) w klasyfikacji niż ktoś zainteresowany rolnictwem, bo kto opadów i temperatura są ważniejsze. Najczęściej stosowana klasyfikacja, klasyfikacja klimatu Köppena , została opracowana pod koniec XIX wieku i opiera się na roślinności. Wykorzystuje miesięczne dane dotyczące temperatury i opadów .

Zmienność klimatu

Uderzenia El Niño

Istnieją różne tryby zmienności: powtarzające się wzorce temperatury lub inne zmienne klimatyczne. Są one określane ilościowo za pomocą różnych wskaźników. W dużej mierze w sposób, w jaki Dow Jones Industrial Average , który opiera się na cenach akcji 30 spółek, jest używany do przedstawiania wahań na rynku akcji jako całości, indeksy klimatyczne są wykorzystywane do przedstawiania podstawowych elementów klimatu. Wskaźniki klimatyczne są na ogół opracowywane z podwójnymi celami prostoty i kompletności, a każdy wskaźnik zazwyczaj reprezentuje stan i czas czynnika klimatycznego, który reprezentuje. Ze swej natury indeksy są proste i łączą wiele szczegółów w uogólniony, całościowy opis atmosfery lub oceanu, który można wykorzystać do scharakteryzowania czynników wpływających na globalny system klimatyczny.

El Niño-Southern Oscillation (ENSO) to zjawisko związane z atmosferą oceaniczną na Oceanie Spokojnym, odpowiedzialne za większość globalnej zmienności temperatury, którego cykl trwa od dwóch do siedmiu lat. Oscylacji Północnoatlantyckiego jest sposób zmienności, która znajduje się głównie w niższych warstwach atmosfery, w troposferze . Warstwa atmosfery powyżej stratosfera jest również zdolna do tworzenia własnej zmienności, przede wszystkim w oscylacji Maddena-Juliana (MJO), która ma cykl około 30-60 dni. Oscylacja Interdecadal Pacific mogą tworzyć zmiany w Oceanie Spokojnym i niższych warstwach atmosfery na decadal skalach czasowych.

Zmiany klimatyczne

Zmiana klimatu ma miejsce, gdy zmiany w systemie klimatycznym Ziemi powodują powstawanie nowych wzorców pogodowych , które utrzymują się przez dłuższy czas. Czas ten może trwać od kilku dekad do nawet milionów lat. System klimatyczny otrzymuje prawie całą swoją energię ze słońca. System klimatyczny oddaje również energię do przestrzeni kosmicznej . Bilans energii przychodzącej i wychodzącej oraz przepływ energii przez system klimatyczny określa budżet energetyczny Ziemi . Kiedy energia przychodząca jest większa niż energia wychodząca, budżet energetyczny Ziemi jest dodatni, a system klimatyczny się ociepla. Jeśli zniknie więcej energii, budżet energetyczny jest ujemny, a ziemia ochładza się. Zmiany klimatyczne wpływają również na średni poziom morza .

Współczesna zmiana klimatu jest napędzana przez ludzkie emisje gazów cieplarnianych ze spalania paliw kopalnych, które podnoszą średnią globalną temperaturę powierzchni . Rosnące temperatury to tylko jeden z aspektów współczesnej zmiany klimatu, w tym obserwowane zmiany w opadach , śladach burz i zachmurzeniu. Wyższe temperatury powodują dalsze zmiany w systemie klimatycznym , takie jak rozległe topnienie lodowców , podnoszenie się poziomu morza oraz zmiany flory i fauny.

Różnice z meteorologią

W przeciwieństwie do meteorologii , która skupia się na krótkoterminowych systemach pogodowych trwających do kilku tygodni, klimatologia bada częstotliwość i trendy tych systemów. Bada okresowość zdarzeń pogodowych na przestrzeni lat do tysiącleci, a także zmiany w długoterminowych przeciętnych wzorcach pogodowych w odniesieniu do warunków atmosferycznych. Klimatolodzy badają zarówno charakter klimatu – lokalny, regionalny lub globalny – jak i czynniki naturalne lub wywołane przez człowieka, które powodują zmiany klimatu. Klimatologia uwzględnia przeszłość i może pomóc w przewidywaniu przyszłych zmian klimatu .

Zjawiska o znaczeniu klimatologicznym obejmują warstwę przyścienną atmosfery , wzorce cyrkulacji , przenoszenie ciepła ( promieniste , konwekcyjne i utajone ), interakcje między atmosferą a oceanami i powierzchnią lądu (w szczególności roślinność, użytkowanie gruntów i topografię ) oraz skład chemiczny i fizyczny atmosfera.

Użyj w prognozowaniu pogody

Bardziej skomplikowany sposób tworzenia prognozy, technika analogowa, wymaga zapamiętania poprzedniego zdarzenia pogodowego, które ma być naśladowane przez nadchodzące zdarzenie. To, co sprawia, że ​​jest to trudna w użyciu technika, to fakt, że rzadko istnieje idealny odpowiednik wydarzenia w przyszłości. Niektórzy nazywają ten typ rozpoznawaniem wzorców prognozowania, które pozostaje przydatną metodą obserwacji opadów deszczu w lukach danych, takich jak oceany, z wiedzą o tym, jak zdjęcia satelitarne odnoszą się do prędkości opadów na lądzie, a także prognozowania ilości i dystrybucji opadów w przyszłości. Odmiana tego tematu jest wykorzystywana w prognozowaniu średniego zasięgu, które jest znane jako telepołączenia , gdy systemy w innych lokalizacjach są wykorzystywane do pomocy w ustaleniu lokalizacji systemu w otaczającym systemie. Jedną z metod wykorzystania telepołączeń jest wykorzystanie wskaźników klimatycznych, takich jak zjawiska związane z ENSO.

Zobacz też

Bibliografia

Książki

  • Robinson, Peter J. Robinson; Henderson-Sprzedawcy, Ann (1999). Współczesna Klimatologia . Harlow, Anglia: Pearson Prentice Hall. Numer ISBN 0582276314.
  • Rohli, Robercie. W.; Vega, Anthony J. (2018). Klimatologia (wyd. czwarte). Nauka Jonesa i Bartletta. Numer ISBN 9781284126563.
  • Rohli, Robercie. W.; Vega, Anthony J. (2011). Klimatologia (wyd. drugie). Nauka Jonesa i Bartletta.
  • Wang, Shih-Yu; Gillies, Robert R., wyd. (2012). Nowoczesna Klimatologia . Rijeka, Chorwacja: InTech. Numer ISBN 978-953-51-0095-9.

Dalsza lektura

  • Jenny Uglow , „What the Weather Is” (recenzja Sarah Dry, Waters of the World: The Story of the Scientists, którzy rozwikłali tajemnice naszych oceanów, atmosfery i pokrywy lodowej oraz uczynili planetę całością , University of Chicago Press, 2019 , 332 s.), The New York Review of Books , tom. LXVI, nie. 20 (19 grudnia 2019), s. 56–58.

Zewnętrzne linki