Éghajlatváltozás hatása a Föld konvektív áramlási rendszereire  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »
 

Projekt adatai

  
azonosító
135115
típus FK
Vezető kutató Herein Mátyás
magyar cím Éghajlatváltozás hatása a Föld konvektív áramlási rendszereire
Angol cím Convective circulations in the Earth system under changing climate
magyar kulcsszavak klímaváltozás, klímadinamika, klímamodellek
angol kulcsszavak climate change, climate dynamics, climate modelling
megadott besorolás
Éghajlattan, éghajlatváltozás-kutatás (Komplex Környezettudományi Kollégium)100 %
zsűri Földtudományok 2
Kutatóhely Elméleti Fizikai Tanszék (Eötvös Loránd Tudományegyetem)
résztvevők Bozóki Tamás
Pálfy József
Topál Dániel
Vincze Miklós Pál
projekt kezdete 2020-11-01
projekt vége 2023-10-31
aktuális összeg (MFt) 29.706
FTE (kutatóév egyenérték) 4.05
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Földünk éghajlati rendszerének távkapcsolatai (telekonnekciói) olyan klimatikus mintázatok, melyek egymástól távol eső földrajzi helyek éghajlati jelenségei között létesítenek statisztikailag szignifikáns korrelációkat. Az éghajlat változása ezen távkapcsolatok jellegét és erősségét is befolyásolhatja. Egy érdekes kutatási kérdést jelent tehát, hogy egy klímaváltozás-szerűen időfüggő helyzetben miképpen írható le a telekonnekciók időfejlődése. Korábbi, távkapcsolatokkal foglalkozó kutatásaink során megmutattuk, hogy ilyen esetekben szükségessé válik a hagyományosan alkalmazott klimatikus indexek (mérőszámok) újraértelmezése egy ún. sokaság-alapú módszertani megközelítés szellemében. Ebben a snapshot-módszernek nevezett leírásban minden éghajlati statisztikai paramétert az éghajlati rendszer "párhuzamos" (csak a kezdeti feltételekben különböző) klímamodellekkel szimulált "realizációiból" álló sokaság egészén értékelünk ki. Ez a módszer újszerű lehetőséget biztosít a távkapcsolatok klímaváltozás hatására történő átrendeződésének módszertanilag helyes vizsgálatához, s ezzel javíthatja előrejelzéseik pontosságát is. A közelmúltban kifejlesztett "snapshot empirikus ortogonális függvények" (SEOF) módszerünk korábbi kutatásainkban alkalmasnak bizonyult a telekonnekciók időfüggésének elemzéséhez. Az egyik fő célunk az északi sarkvidék és a Csendes-óceán térsége között fennálló ilyen kapcsolatok, és időbeli változásuk felderítése. A Csendes-óceán éghajlati fejlődésének iskolapéldája a Drake-átjáró 34 millió évvel ezelőtti "kinyílása". Ezt a telekonnekciók szempontjából is érdekes klimatikus eseményt laboratóriumi és numerikus eljárásokkal is modellezni fogjuk.

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 tervezett kutatás fő célja annak a kérdésnek a megválaszolása, hogy egy időben változó éghajlati rendszerben hogyan írhatók le helyesen a távkapcsolatok. A távkapcsolatok Földünk éghajlati rendszerének olyan sajátosságai, melyek távol fekvő földrajzi helyek klimatikus viszonyai közötti statisztikai korrelációk formájában öltenek testet. Fő módszertani állításunk szerint a klímadinamika egésze, s így a távkapcsolatok viselkedése is egy időben változó éghajlatú rendszerben az ún. snapshot-(pillanatkép-) sokaság módszerével írható le, mely párhuzamos lehetséges "klímatörténetek" statisztikai összevetésén alapul. Munkahipotézisünk tehát az, hogy a távkapcsolatok helyes feltárásához is a kezdőfeltételekben különböző klímaszimuláció-forgatókönyveknek megfelelő numerikus futtatások sokaságát kell lefuttatnunk és kiértékelnünk, és a sokaság átlagos viselkedését tekinthetjük a változások várható alakulásának leghelyesebb becslélének. Kutatásunk során a Jeges-tenger és a Csendes-óceán közti távkapcsolatokat tervezzük feltárni, a drasztikus sarkvidéki jégolvadás jelenleg is zajló folyamatának jobb megértése céljából. Ugyancsak a távkapcsolatokhoz köthető érdekes paleoklimatológiai "teszt esetet" jelent a 34 millió évvel ezelőtti gyors globális lehűlés, melyet azokkal a tektonikus folyamatokkal hoznak kapcsolatba, melyek a Dél-Amerika és az Antarktisz közötti Drake-átjáró kinyílásához vezettek. Ennek a földtörténeti klímaváltozásnak a sokat vitatott ok-okozati láncolatának feltárása is célunk, mind számítógépes klímamodellezés mind laboratóriumi modellkísérletek segítségével.

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!
Napjainkban a klímaváltozás jelenti az egyik legnagyobb globális kihívást, amellyel az Emberiségnek szembe kell néznie. A fő tudományos kérdés az éghajlati rendszer viselkedésével kapcsolatban abban rejlik, hogy annak statisztikai tulajdonságai miképpen módosulnak időfüggő "külső" gerjesztések (pl. a Drake-átjáró kinyílása, vagy az üvegházgáz-koncentráció változása) hatására. A távkapcsolatok klímaváltozás hatására bekövetkező átalakulása úgy tárható fel módszertanilag helyesen, ha nem csupán egyetlen "klímatörténetet" vagyis realizácót követünk végig, hanem a rendszer sok lehetséges életútját lemodellezve ún. sokaság-megközelítésben vizsgálódunk. Ekkor a sokaság átlagos viselkedése és szórása alapján definiálhatjuk a klimatológiai várható értékeket illetve a rendszer belső variabilitásának mértékét bármely időpillanatban tetszőleges, akár ugrásszerű időfüggő gerjesztések esetén. A távkapcsolatok tekintetében vizsgálataink várható relevanciája a következő: a numerikus klímamodellel sok realizációt lefuttatva időben változó CO2-gerjesztés mellett a távkapcsolatok mintázatára és erősségére a probléma jellegéhez jobban illeszkedő sokaság-módszerrel helyesebb becsléseket adhatunk. Ezekkel elsősorban az északi sarkvidék és a Csendes-óceán térsége közti telekonnekcióikat, illetve ezek megváltozását igyekszünk feltérképezni. E tekintetben a kutatás mindenképpen világviszonylatban is újszerű, hiszen ez lesz az első eset, amikor ezen korrelációkat a sokaság-megközelítéssel vizsgáljuk. A Drake-átjáró kinyílásával kapcsolatos tervezett kutatásaink hasznos információkat szolgáltathatnak a rendelkezésre álló paleoklimatológiai adatsorok helyesebb értelmezéséhez. A laboratóriumi vizsgálatok különösképpen hasznosak lehetnek a komplex klímarendszer összetett ok-okozati kapcsolatainak tisztázásához, hiszen itt olyan folyamatok vizsgálhatók elkülönítve, melyek a természetben, vagy akár a numerikus klímamodellekben nem választhatók szét, s ezért interpretációjuk gyakran nehézkes és nemtriviális. A várt eredmények tehát nagyban hozzájárulhatnak a 34 millió évvel ezelőtti markáns klímaváltozás és óceáni átrendeződés jobb megértéséhez.

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 telekonnekciók rendkívül fontos, időjárásunkat nagyban befolyásoló kapcsolatok, melyek a Föld egymástól távoli pontjain lévő, időjárási jelenségek szisztematikus együtt járását jelentik. Egy alapvető jelentőségű és egyelőre megválaszolatlan kérdés, hogy ezen távkapcsolatokra miképpen hat majd a jelenleg is zajló klímaváltozás. Az éghajlati rendszer kaotikus volta és a gerjesztés időfüggő jellege miatt e kérdés hagyományos, hosszútávú időátlagokon alapuló megközelítése nem célravezető. Ám numerikus klímamodellekben lefuttatva a Föld-rendszer sok replikáját, melyek azonos időfüggő gerjesztés mellett, de eltérő kezdeti feltételekkel indulnak, informatívabb statisztikai összefüggéseket adhatunk meg és pontosabb jóslatokat tehetünk. Ezt a sokaságalapú eljárást követve a távkapcsolatok sokaság korrelációiként jelennek meg, erősségük várható értéke és szórása tetszőleges időpillanatra kiszámítható, s ezzel a dinamika időfejlődése jól követhetővé válik. Kutatásunkban elsősorban a Csendes-óceán és az északi sarkvidék közötti távkapcsolat vizsgálatára fókuszálunk, hiszen ez a korreláció hatalmas jelentőséggel bír a sarkvidéki jégolvadás szempontjából. A 34 millió évvel ezelőtt bekövetkezett globális lehűlés éppen a jelenlegivel ellentétes jellegű folyamat volt, melyet az Antarktisz eljegesedése kísért, s ennek során a távkapcsolatok rendszere és az óceáni vízkörzés is nagyban és viszonylag gyorsan átalakult. Tervezett laboratóriumi modellkísérletünkben ennek az átrendeződésnek az áramlásokra és a hőmérséklet-eloszlásokra gyakorolt hatásait fogjuk feltárni, mely hasznos támpontot szolgáltathat a paleoklimatológiai adatsorok helyes értelmezéséhez.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Climatic teleconnections of the Earth system are statistically correlated climate-related patterns between remote geographical regions of the globe. In a changing climate the strength of such teleconnections might change. The question is how these connections can be described in such a time-dependent situation. Based on our previous experience with teleconnections it has been proven that the traditionally used climate indices should be revisited in an ensemble view and substituted by “ensemble based indices”. This view is called snapshot method where all statistics are taken over an ensemble evolving from slightly different initial conditions of a climate model. This approach provides the novel opportunity to monitor the time evolution of teleconnections with the possibility of forecasting by computing ensemble-based correlations. Furthermore our recently developed snapshot empirical orthogonal function method (SEOF) was the first one which has been proven to have successfully dealt with time-dependent teleconnections by applying ensemble based empirical functions. Our aim is to reveal the possible ensemble-based connection (correlation) between the Arctic and the tropical Pacific, since the Arctic is the most affected region due to climate change. As a textbook example for a marked and rapid state transition of Earth’s climate system (with profound effects on teleconnections) we also intend to study the paleoclimatic scenario associated with the opening of the Drake Passage, ca. 34 million years ago both numerically and by means of conceptual laboratory experiments.

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 of how teleconnections should be characterized during 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. We claim that the climate dynamics, as well as teleconnections can be better understood if one uses snapshot ensemble method. So our working hypothesis is that to study the 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 which provides the most appropriate characterization. This research especially focuses on the climate dynamics of the Arctic. The main goal is to reveal the connection between the tropical Pacific and the Arctic, which is essential to be able to understand the consequences of the drastic Arctic warming as well as the exact physical mechanisms responsible for the melting. As an interesting teleconnection-related test case, we will investigate a rapid climate change scenario associated with the tectonic processes that yielded the opening of the Drake Passage between South America and Antarctica, that resulted in a significant “global cooling” 34 million years ago. We intend to explore the much-debated causal links between the opening and the cooling in a numerical climate model and in a laboratory experiment.

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.
Nowadays one of the biggest challenges humankind faces is climate change. The basic question is how the statistical properties of the climate system change due to any forcing mechanism (e.g. Drake Passage opening, greenhouse gas contretation change). Regarding teleconnections our approach requires imagining many parallel replicas of the same 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 response of the system. The relevance of our investigations regarding teleconnections is expected to be as follows: we provide an appropriate ensemble based methodology for the characterization of teleconnections and of observable correlation coefficients in numerical climate projections valid under climate change with particular importance of teleconnections between the Arctic and the tropical Pacific. In this aspect our research is certainly new, as this is the first time when the connection between the Arctic and the tropical Pacific is investigated in an instantaneous ensemble based approach. Our planned investigations of the Drake Passage opening can provide useful input for the interpretation of existing paleoclimatic proxy records and numerical simulation results, or even help the identification of new research targets to obtain geological proxy data. The expected experimental results from the laboratory approach would provide useful insights to help disentangle complex phenomena and better understand the basic underlying dynamics of the process that yielded the reorganisation of the meridional heat exchange pathways in the ocean, the glaciation of Antarctica, and the abrupt decrease of the global average sea surface temperature ca. 34 million years ago.

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.
Teleconnections are decisively important weather forming remote connections on the Earth. One crucial and open question is how climate change will influence the teleconnection system. Due to the chaotic nature of climate this question can hardly be answered using single observations. However, in numerical climate simulations, the ensemble view, followed in this proposal, offers an answer. This 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. In this view teleconnections can be seen as ensemble based correlations and can be calculated instantaneously with the benefit that their time evolution can be monitored. The most important aspect of this research is to understand the connection between the tropical Pacific and the Arctic, which is of key importance to advance our understanding of the physical mechanisms causing dramatic sea ice melting in the Arctic. The global cooling event associated with the opening of the oceanic gateway between the tip of South America and the Antarctic peninsula – ~ 34 Ma – constitutes a rather enlightening example for a dynamic “reverse” transition of the climate system, Antarctic glaciation. We designed and will perform laboratory experiments that properly model this planet-scale climatic reorganization (affecting teleconnections) in a rotating tank with simplified continental boundaries. In the experiment we will reconstruct the surface flow patterns in this “model Earth” and confirmed earlier predictions, providing experimental benchmarks that help correct interpretation of paleoclimatological records.




 

Zárójelentés

  
kutatási eredmények (magyarul)
A fő hangsúlyt az éghajlatváltozást érintő problémák közül a légköri távkapcsolati (kitüntetett figyelemmel az alacsony és magas szélességek közti) jelenségekre és az éghajlatot, illetve annak megváltozását modellező laboratóriumi kísérletekre helyeztük. Eredményeink egyetemes jellegzetességeket tártak fel különböző folyamatokban; a nagytérségi magaslégköri szelek globális tengerszint-emelkedésre és jeges-óceáni tengerjég éghajlatváltozásra vett érzékenységére gyakorolt hatásától kezdve a kontinensek és óceáni áramlatok 34 millió évvel ezelőtti, az Antarktisz eljegesedéséhez vezető erőteljes átrendeződésén át egészen az éghajlati szélsőségek („extrémek”) általános időfejlődési tulajdonságáig. Eredményeink az extrém időjárási jelenségek előre jelezhetőségének és azok klímaváltozás okozta megváltozásának pontosításához, valamint a poláris éghajlati változások bizonytalanságainak csökkentéséhez is jelentősen hozzájárulnak. Kiemelt eredményünknek tekintjük annak igazolását, hogy amennyiben a Déli-óceán és az egész déli félteke jégmentes lett volna már a Drake-átjáró kinyílása előtt, akkor globális felmelegedést tapasztaltunk volna a megfigyelt lehűlés helyett. Ezen eredményünk a jég-albedo visszacsatolás és a CO2 lehűlésben betöltött szerepét hangsúlyozza. Mindez kísérleti és egyben numerikus bizonyíték is arra nézve, hogy az antarktiszi eljegesedés, legalábbis részben, már a Drake-átjáró kinyílása előtt megkezdődhetett.
kutatási eredmények (angolul)
In our endeavors to explore the impacts of modern climate change, we primarily focused on the phenomena of teleconnections (bridging the low latitudes with the high latitudes) and climate-driven laboratory experiments. Our findings uncovered common characteristics across a variety of processes ranging from the impact of large-scale upper tropospheric winds on global sea-level rise and Arctic sea ice sensitivity to the significant reconfiguration of continents and ocean currents 34 million years ago, which instigated the glaciation of Antarctica. We also identified key features of climate extremes in a changing climate, particularly in relation to the predictability of these extremes and their time evolution. We consider it a major result having demonstrated that if the Southern Ocean and the entire Southern Hemisphere had been ice-free before Drake Passage opening, we would have had global warming instead of the observed cooling. This result underlines the role of ice-albedo feedback and CO2 in driving the southern hemisphere cooling. All this is experimental and numerical evidence that Antarctic glaciation, at least in part, started before the Drake Passage opened.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=135115
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

  
Bozóki, T. Sátori, G, Williams, E, Guha, A., Liu, Y., Steinbach, P., Leal, A., Herein, M., Atkinson, M., Beggan, C. D., DiGangi, E., Koloskov, A., Kulak, A., LaPierre, J., Milling, D. K., Mlynarczyk, J., Neska, A., Potapov, A., Raita, T., Rawat, R., Said, R., Sinha, A. K., Yampolski, Y.: Day-to-day quantification of changes in global lightning activity based on Schumann resonances., Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2023
Herein, M., Haszpra T., Tél, T.: Where are the coexisting parallel climates? Large ensemble climate projections from the point of view of chaos theory, Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science, 2023
Herein, M., Jánosi D., Tél, T.: An ensemble based approach for the effect of climate change on the dynamics of extremes, Frontiers in Earth Science, 2023
Vallner, Zs., Kovács, E.B. , Haas, J., Móricz, F., Ruhl, M., Zajzon, N., Pálfy J.: Preservation of orbital forcing in intraplatform carbonates and an astronomical time frame for a multiproxy record of end-Triassic global change from a western Tethyan section (Csővár, Hungary), Palaeogeogr. Palaeocl. Palaeoeco, 2023
Topál, D., Ding, Q.: Atmospheric circulation-constrained model sensitivity recalibrates Arctic climate projections, Nat. Clim. Chang., 2023
Vincze M., C. Hancock, U. Harlander, C. Rodda, and K. Speer: Extreme temperature fluctuations in laboratory models of the mid-latitude atmospheric circulation, Scientific Reports-Nature, 2023
Herein, M., Tel, T., and Haszpra, T: Where are the coexisting parallel climates? Large ensemble climate projections from the point of view of chaos theory, EMS Annual Meeting 2023, 2023
Ballinger, T ; Topál, D ; Ding, Q ; Li, Z ; Boisvert, L ; Hanna, E ; Vihma, T: Baffin Bay surface flux perspectives on autumn Greenland blocking, EGU General Assembly 2022, 2022
Ding, Q ; Topál, D: Enhanced jet-stream waviness induced by supressed tropical Pacific convection in boreal summer, GeoMATES '22 International Congress on Geomathematics in Earth- and Environmental Sciences, 2022
Topál, D., Ding, Q., Ballinger, T.J. et al.: Discrepancies between observations and climate models of large-scale wind-driven Greenland melt influence sea-level rise projections, Nature Communications, 2022
Ballinger, T ; Topál, D ; Ding, Q ; Li, Z ; Boisvert, L ; Hanna, E ; Vihma, T: Baffin Bay surface flux perspectives on autumn Greenland blocking In, EGU General Assembly 2022, 2022
Herein, M., Haszpra, T., and Kaszas, B: When the Earth goes white: the Snowball Earth attractor, EMS Annual Meeting 2022, 2022
Haszpra T, Drótos G, Topál D, Herein M: A változó éghajlat távkapcsolatai — a belső változékonyság időfüggésének snapshot-alapú meghatározása sokasági éghajlati szimulációkban, In: Radics, Kornélia; Mészáros, Róbert; Lakatos, Mónika (szerk.) 46. Meteorológiai Tudományos Nap 2020. november 19. Tudomány és tradíció a meteorológiában, Országos Meteorológiai Szolgálat (OMSZ) (2020) p. 25., 2020
Matyas Herein, Miklos Vinzce, Tamas Bozoki, Ion Dan Borcia, Uwe Harlander, Attila Horicsanyi, Anita Nyerges, Constanza Rodd, Andras Pal, Jozsef Palfy: The climate impact of the Drake Passage opening from a fluid dynamics point of view: the role of Antarctic glaciation, In: EMS Annual Meeting Abstracts, (2021) EMS2021-163, 2021
Topal D, Haszpra T, Herein M: Forced changes in internal variability: an additional uncertainty to deal with, In: EMS Annual Meeting Abstracts, (2021) EMS2021-404, 2021
Vincze Miklós, T. Bozóki, Herein Mátyás, I. D. Borcia, U. Harlander, A. Horicsányi, Nyerges Anita, C. Rodda, A. Pál, Pálfy József: The Drake Passage opening from an experimental fluid dynamics point of view, Scientific Reports-Nature 11: (1) 19951, 2021



vissza »