 |
The impact of greenhouse warming on the El Niño–Southern Oscillation (ENSO): a new method for ENSO teleconnection analysis
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
124272 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Herein, Mátyás |
| Title in Hungarian |
A klímaváltozás hatása az El Niño–Southern Oscillation (ENSO): az ENSO távkapcsolatainak új megközleítése |
| Title in English |
The impact of greenhouse warming on the El Niño–Southern Oscillation (ENSO): a new method for ENSO teleconnection analysis |
| Keywords in Hungarian |
klímaváltozás, klímadinamika, telekonnekció, El-Nino, ENSO |
| Keywords in English |
climate, change, climate dyanmics, teleconnections, ENSO |
| Discipline |
| Meteorology, atmospheric physics and dynamics (Council of Complex Environmental Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Meteorology |
|
| Panel |
Earth sciences 2 |
| Department or equivalent |
Research Group of Theoretical Physics of the Hungarian Academy of Science (Office for Research Groups Attached to Universities and Other Institutions) |
| Starting date |
2017-11-01 |
| Closing date |
2020-10-31 |
| Funding (in million HUF) |
15.219 |
| FTE (full time equivalent) |
2.10 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A fizika számára a klímaváltozás és annak dinamikája leírható egy tetszőleges külső hajtással rendelkező dinamikai rendszerrel. Bizonyított matematikai tény, hogy ilyen rendszerekben nem elegendő egyetlen trajektória megfigyelése, a trajektória mentén kiértékelt hosszú idejű időátlagok nem relevánsak, hiszen a rendszer paraméterei folyamatosan változnak időben, a folyamat a külső hajtásnak (pl. üvegház-gázok) köszönhetően erősen időfüggő. Ilyen esetben a rendszer, esetünkben a klímarendszer dinamikáját a snapshot (pillanatkép) attraktor írja le matematikai értelemben helyesen, kizárólag akkortól, miután a kezdeti feltételeket a rendszer már elfelejtette. A snapshot kép alapján és egy élvonalbeli klímamodell (Community Earth System Model Large Ensemble (CESM-LE)) segítségével elsőként vizsgálnánk az El Niño–Southern Oscillation (ENSO) jelenség klímaváltozás hatására kialakuló dinamikáját. Fő célunk annak megértése miként reagálnak az ENSO távkapcsolatai a megváltozó klímára. Tervünk a pillanatnyi sokaságátlagból kiszámítható telekonnekciós korrelációs koefficiensek megadása, melyek újszerű módon, időátlagoktól mentesen, minden időpillanatban megadják bolygónk távoli területei között fennálló távkapcsolatainak erősségét. Továbbá meg kívánjuk határozni a sokaságra jellemző wavelet transzformáltakat, melyek újszerű információval szolgáltathatnak az ENSO variabilitásáról, lehetővé téve ezzel olyan aktuális problémák mélyebb megértését, mint pl. az ENSO és az indiai monszun kapcsolata.
A várható eredmények új fejezetet nyithatnak a klímadinamikában, kijelölve a klíma-projekciós vizsgálatok, időátlagok helyett sokaság átlagon nyugvó irányát.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás alapkérdése annak megértése, miként befolyásolja a klímaváltozás az ENSO jelenséget, illetve ennek távkapcsolatait. Általánosan elmondható, hogy a távkapcsolatok Földünk távoli pontjai közötti "telekonnekciók", azaz statisztikai értelemben véve, korrelációs kapcsolatok.
Ugyanakkor a klímaváltozás következtében végbemenő változások érinthetik ezen korrelációs kapcsolatokat, a kapcsolatok gyengülhetnek, vagy akár erősödhetnek is. A távkapcsolatok időbeli fejlődése máig nem tisztázott teljesen. A kérdés megoldásában segít a snapshot (pillanatkép) attraktor alkalmazása. Amennyiben a disszipatív (klíma) rendszer már elfelejtette a kezdeti feltételeit (chaotic memory loss), az ily módon kialakuló sokaság pedig egyértelműen meghatározza a dinamikát, így a távkapcsolatokat is. Elképzelésünk tehát, hogy a projekciós klímamodellekben kialakuló távkapcsolatok vizsgálatát sokaságképben kell elvégezni, a jellemző korrelációs együtthatókat a pillanatnyi sokaságátalagok felett kell kiértékelni.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Korunk egyik legnagyobb problémája a klímaváltozás és annak következményei. A tudomány számára az egyik alapkérdés az, hogy a klímaváltozás hatására hogyan változnak a klímarendszer statisztikus tulajdonságai. Ilyen kérdés az is, miként határozható meg az egyre növekvő üvegház-gázok miatti klímaváltozásra adott dinamikai válasz. Kutatásunk választ kínál a fenti kérdésekre, úgy, hogy újfajta módon; pillanatnyi sokaságként tekinti a klíma dinamikáját, elérhetővé téve ezzel olyan bonyolult folyamatok, mint az ENSO távkapcsolatainak klímaváltozás alatti állapotainak feltérképezését. Az ENSO távkapcsolatainak megértése különösen fontos, hiszen jelentős hatással van az ökoszisztémára, időjárásra, mezőgazdaságra és a világgazdaságra.
Jelen kutatás minden bizonnyal hozzájárulhat, hogy a tudományos közösség és a döntéshozók tisztán lássák a tényt; ameddig a mögöttes összetett folyamatokat meg nem értjük a priori módon, addig az egyetlen mért idősorból aligha vonhatunk le messzemenő következtetéseket, aligha leszünk képesek a trendek és fluktuációk szétválasztására. Kutatásunk jelentősége éppen abban rejlik, hogy olyan új, matematikailag igazolt eszközt kínál a fenti problémák orvoslására, mely nélkülöz minden szubjektivitást, matematikailag alkalmas a trendek és fluktuációk objektív szétválasztására és többek között felhasználható az ENSO jövőbeni távkapcsolatainak vizsgálatára is.
Hasonló témákon dolgozó külföldi kapcsolataink: V. Lucarini (Reading, UK), F. Lunkeit and E. Kirk (Hamburg, Germany).
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A mai kor egyik legnagyobb kihívását a klímaváltozás jelenti. Ahhoz, hogy megértsük mi is történik, mik a klímaváltozás hatásai, következményei, elengedhetetlen, hogy képesek legyünk a trendek fluktuációktól való megkülönböztetésére. Alapvető fontosságú, az ökoszisztémát, időjárást, mezőgazdaságot, világgazdaságot globálisan befolyásoló kérdés, hogy miként válaszol az El Niño (pontosabban az ENSO) a klímaváltozásra? A klímaváltozás miként befolyásolja az El Niño távkapcsolatait? Kutatásunk választ kínál a fenti kérdésekre: egy sokaságon alapuló módszer segítségével a trend és a fluktuációk szétválaszthatók, így a klímarendszer mindenkori állapota meghatározható. Ez az ún. pillanatkép attraktorok elmélete, melynek alapján a korunkban zajló klímaváltozás fontos vonásait megérthetjük, akkor, ha ahelyett, hogy csakis az egyetlen megfigyelt Földünket vizsgálnánk, elképzelünk sok együtt létező, hasonló földi klímarendszert, melyek nincsenek egymással kölcsönhatásban. Ezek éghajlatai időben párhuzamosan, de nem azonos módon fejlődnek, ámbár mind ugyanazon fizikai törvényeknek engedelmeskednek. A különbségek abból adódnak, hogy a néhány évszázaddal korábban megválasztott kiindulási adataik (hőmérséklet, szél, csapadék stb. eloszlásai) mások. A különböző kezdeti állapotokból kifejlődő földi klímák egy sokaság elemeinek tekinthetők. Ez az újszerű klímakép, megfelelő klímamodellbe építve, lehetővé teszi az El Niño és távkapcsolatainak jövőbeli, valószínűségi alapon történő feltérképezését.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
From a physical point of view the dynamics of the climate change can be described as a time-dependent dynamical system with an arbitrary forcing. It has been proven that in such systems on the one trajectory based long temporal averages are not relevant for characterizing the system, since the relevant parameters are shifting in time due to the external forcing (e.g. greenhouse gases).
In this case the concept of snapshot attractors are appropriate candidates to describe the climate system during the climate change. Against the widely used long temporal averages, trends can be identified from the ensemble averages of dynamical variables, and higher order momenta can be used to characterize internal variability, without any subjectivity. With the help of the snapshot method, taking care to converge to a dynamical attractor and using the data of the state of the art climate model, the Community Earth System Model (CESM-LE) we will be the first who can investigate the dynamics of the El Niño–Southern Oscillation (ENSO) in a new mathematically totally supported way. In principal our aim is to explore how ENSO and its teleconnections should be characterized in a changing climate. Using the snapshot method we can calculate the instantaneous ensemble based correlation coefficients, which represent well the temporal evolution of the teleconnection. As a novel approach we will use instantaneous ensemble based wavelet analysis to detect the impact of the climate change to the variability of ENSO. All these investigations serve a better understanding of climate dynamics, particularly the globally -weather, ecosystem and economy- influencing ENSO.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
This research is motivated by the question, how ENSO and its teleconnections should be characterized during the climate change. In general teleconnections are striking features of the Earth climate system which appear as statistically correlated climate-related patterns between remote geographical regions of the globe. In a changing climate, however, the strength of teleconnections might change, and an appropriate characterization of these correlations and their change is lacking. We claim that the climate dynamics, as well as ENSO teleconnections can be better understood if one uses snapshot ensemble method. Due to the dissipative nature of the climate dynamics, the ensemble behaviour becomes independent of the initial data and defines, within a basin of attraction, a unique distribution. So our working hypothesis is that studying the ENSO teleconnection phenomena, ensembles of parallel realizations should be monitored, and it is the average (representing the response to external forcing, like greenhouse gases) and other statistics (representing internal fluctuations) taken over the ensemble what provides the most appropriate characterization.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
These days one of the biggest challenges humankind facing is climate change. For the climate science one of the basic questions is how the statistical properties of the climate system change due to the global forcing, namely due to the increasing greenhouse gas content?
This research intends to provide a novel, ensemble-based framework to answer these questions and to understand the climate change and its impact on ENSO teleconnections. The ENSO is especially important as it has a global influence on weather thereby on ecosystem and economy as well. Our approach requires taking many parallel copies of the same climate system, instead of focusing only on a single realization. These parallel evolving realizations constitute an ensemble, and this allows us to quantify the internal variability as well as the forced response of the system. This project will certainly contribute to increase the awareness in the climate science community (and policymakers) of the following fact: As long as the underlying complex processes are not properly understood a priori, fluctuations and deterministic trends can hardly be separated from a single observed time series, and therefore they may well yield statistical artifacts in projections that can easily be misinterpreted. The relevance of our investigations is expected even to provide a novel ensemble based picture, which lacks any subjectivity and thus to quantify correlation coefficients in climate projections for characterize appropriately ENSO teleconnections, during climate change. There is a scientific contact with the following people: V. Lucarini (Reading, UK), F. Lunkeit and E. Kirk (Hamburg, Germany).
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Today one of the biggest challenges humankind facing is climate change. In order to be able to have a reliable view on climate change and its impact one must be able to distinguish between the trend due to external changes and the internal variability, i.e. fluctuations about the trend due to the internal dynamics of the system. One really crucial question is how will the globally weather, ecosystem and economy influencing El Niño change due to the greenhouse warming? Due to the chaotic nature of climate using single observation, this question can hardly be answered. But in numerical climate simulations, the ensemble view, followed in this proposal, offers an answer. Our ensemble approach, the snapshot view implies that, the observed climate change can be better understood if we imagine many parallel Earth systems, instead of the one real Earth, all of them controlled by the same physics. From some different initial conditions, these different realizations of the Earth system are evolving in parallel, and after some time, when the particular initial conditions are forgotten, the ensemble characterizes correctly the plethora of the possible weathers weather situations permitted in the Earth system. Individual members of the ensemble produce different results reflecting the internal variability of the climate of the Earth. This approach used with a proper climate model, enables one to study the impact of the El Niño phenomena in a new, mathematically totally supported way.
Answering the questions proposed in this research can provide a new, clearer picture about climate change and its impact, especially the teleconnections of El Niño.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Haszpra T, Herein M, Bódai T: Investigating ENSO and its teleconnections under climate change in an ensemble view – a new perspective, EARTH SYSTEM DYNAMICS 11: (1) pp. 267-280., 2020 | | Haszpra T, Topál D, Herein M: On the time evolution of the Arctic Oscillation and related wintertime phenomena under different forcing scenarios in an ensemble approach, JOURNAL OF CLIMATE 33: (8) pp. 3107-3124., 2020 | | Haszpra T, Topál D., Herein M.: Detecting forced changes in internal variability useing Large Ensembles: On hte use of methods baased on the "snapshot view", CLIVAR NEWSLETTER EXCHANGES 18: (2) p. 36-43., 2020 | | Topál D, Ding Q, Mitchell J, Baxter I, Herein M, Haszpra T, Luo R, Li Q: An Internal Atmospheric Process Determining Summertime Arctic Sea Ice Melting in the Next Three Decades: Lessons Learned from Five Large Ensembles and multiple CMIP5 climate simulations, JOURNAL OF CLIMATE 33: (17) pp. 7431-7454., 2020 | | Kaszás B., Haszpra T., Herein M.: The snowball Earth transition in a climate model with drifting parameters: Splitting of the snapshot attractor, CHAOS 29: (11) 113102, 2019 | | Bódai T., Drótos G., Herein M., Lunkeit F., Lucarini V.: The forced response of the El Niño–Southern Oscillation-Indian monsoon teleconnection in ensembles of Earth System Models, JOURNAL OF CLIMATE, 2020 | | Bódai T, Herein M, Drótos G, Lucarini V., Lunkeit F: Looking for relationships between the ENSO and the Indian summer monsoon in MPI-ESM and CESM ensembles under increasing greenhouse-gas forcing, European Geosciences Union, 2018 | | Tímea Haszpra, Mátyás Herein: Investigation of the relationship between the intensity of pollutant spread and the vorticity during a climate change in an ensemble approach, Geophysical Research Abstracts, Vol. 20, EGU 2018, 2018 | | Tímea Haszpra, Mátyás Herein: Investigation of the stretching of pollutant clouds during climate change in an ensemble approach, EMS Annual Meeting Abstracts Vol. 15, 2018 | | Dániel Topál, Mátyás Herein, Tímea Haszpra: Characteristics of the Arctic Oscillation and related teleconnection phenomena under climate change in the snapshot attractor picture, EMS Annual Meeting Abstracts Vol. 15, 2018 | | Herein M., Drótos G., Bódai T., Lunkeit F., Lucarini V: Reconsidering the relationship of the El Niño--Southern Oscillation and the Indian monsoon using ensembles in Earth system models, Climate Dynamics (under review), 2018 | | Tímea Haszpra, Mátyás Herein: Ensemble-based analysis of the pollutant spreading intensity induced by climate change, Scientific Reports (submitted), 2018 | | Herein M, Drótos G, Haszpra T, Márfy J, Tél T: The theory of parallel climate realizations as a new framework for teleconnection analysis, SCI REP INPRINT: , 2017 | | Herein M, Drótos G, Haszpra T, Márfy J, Tél T: The theory of parallel climate realizations as a new framework for teleconnection analysis, SCI REP INPRINT:, 2017 | | Bálint Kaszás, Tímea Haszpra, Mátyás Herein: Global cooling: the Snowball Earth transition in a climate model with drifting parameters, In: Geophysical Research Abstracts, (2019) p. 1496., 2019 | | Haszpra T., Herein M.: Ensemble-based analysis of the pollutant spreading intensity induced by climate change, SCIENTIFIC REPORTS 9: 3896, 2019 | | Herein M, Haszpra T, Topál D: A new perspective on studying climate teleconnections, GEOPHYSICAL RESEARCH ABSTRACTS 21: EGU2019-1018, 2019 | | Herein M., Drótos G., Bódai T., Lunkeit F., Lucarini V.: Reconsidering the relationship of the El Niño--Southern Oscillation and the Indian monsoon using ensembles in Earth system models, ARXIV, 2018 | | Bódai T, Herein M, Drótos G, Lucarini V., Lunkeit F., European Geosciences Union: Looking for relationships between the ENSO and the Indian summer monsoon in MPI-ESM and CESM ensembles under increasing greenhouse-gas forcing, , 2018 | | Haszpra Tímea, Herein Mátyás: Investigation of the relationship between the intensity of pollutant spread and the vorticity during a climate change in an ensemble approach, In: Geophysical Research Abstracts, Vol. 20, EGU 2018, (2018) p. 13498., 2018 | | Haszpra Tímea, Herein Mátyás: Investigation of the stretching of pollutant clouds during climate change in an ensemble approach, In: EMS Annual Meeting Abstracts Vol. 15, (2018) EMS2018-206, 2018 | | Topál D, Herein M, Haszpra T: Characteristics of the Arctic Oscillation and related teleconnection phenomena under climate change in the snapshot attractor picture, In: EMS Annual Meeting Abstracts Vol. 15, (2018) EMS2018-429, 2018 | | Tél T., Bódai T., Drótos G., Haszpra T., Herein M., Vincze M., Kaszás B.: The theory of parallel climate realizations: A new framework of ensemble methods in a changing climate - an overview, Journal of Statistical Physics, 2020 | | Bódai T., Drótos G., Herein M., Lunkeit F., Lucarini V.: The forced response of the El Niño–Southern Oscillation-Indian monsoon teleconnection in ensembles of Earth System Models, JOURNAL OF CLIMATE, 2020 | | Haszpra T., Herein M.: Ensemble-based analysis of the pollutant spreading intensity induced by climate change, SCIENTIFIC REPORTS 9: 3896, 2019 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
