Eesti Looduse fotov�istlus
2005/2



   Eesti Looduse
   viktoriin




   AIANDUS.EE

Eesti Loodus
artiklid EL 2005/2
Regionaalse kliima modelleerimine – kas ainult rikaste riikide lõbu?

Regionaalse kliima modelleerimine on alguse saanud 1980. aastate lõpus Ameerika Ühendriikidest. Eestis pole siiani sellele suurt tähelepanu pööratud. Põhjusi on mitu. Ometi on piirkonna kliimamudelid tänapäeval küllaltki levinud töövahendid, mis võimaldavad teadlastel uurida kliimamuutusi ja nende mõju.

Kliima on Maa või mõne selle piirkonna temperatuuri, sademete jm. statistiline iseloomustus. Kliimasüsteemi moodustavad aga kõik need tegurid, mis Maa kliimat kujundavad: Päike energiaallikana, atmosfäär, maailmameri, maismaa, õhus olevad gaasid jne. Nii kliima kui ka kliimasüsteemis olevate seoste uurimiseks on mitmesuguseid võimalusi. Vanim ja ühtlasi kõige levinum viis on analüüsida üle maailma kogutud kliimanäitajate aegridu statistiliste meetoditega – nn. statistiline klimatoloogia. Teine levinud võte on seostada kohalikku kliimat iseloomustavad näitajad (õhutemperatuur, sademed jm.) mastaapse atmosfääritsirkulatsiooni iseärasustega – nn. sünoptiline klimatoloogia. Kolmas võimalus on rakendada füüsikaseadusi ja teadmisi kliima kohta ning kirjeldada seda ülikeerulist süsteemi mudeli abil.

Kliimamudeleid on väga mitut tüüpi. Neid võib jagada näiteks ruumis keskmistamise viisi ehk dimensiooni alusel. Aga ka selle järgi, mida on mudelis kirjeldatud täpsemalt, mida üldistatumalt. Lihtne kliimamudel võib põhineda vaid ühel võrrandil, mis väljendab näiteks pikaajalist tasakaalu Maale jõudva ja sealt lahkuva kiirgushulga vahel. Tegelikkuses on kliimasüsteem aga palju keerukam. Seda eriti juhul, kui meid ei huvita mitte globaalne, vaid hoopis regionaalne (104–107 km2) või kohalik mõõde (alla 104 km2).

Regionaalse kliima modelleerimisel tuleb arvestada nii suuri alasid hõlmavaid (atmosfääritsirkulatsioon) kui ka kohalikke tegureid (topograafia, maakasutus, rannajoon). Nende keerukas vastasmõju määrabki paikkonna kliima [6, 5].


Globaalne mudel kirjeldab üldist tsirkulatsiooni. Globaalsed kliimamudelid on praegusel ajal ainsad abivahendid, millega saab Maa atmosfääri ja ookeani üldist tsirkulatsiooni modelleerida enam-vähem tõepäraselt. Mõnikord nimetatakse neid ka üldise tsirkulatsiooni mudeliteks. Need on kolmemõõtmelised ja hõlmavad tervet maakera ning arvestavad peale atmosfääri ka mitut teist komponenti (ookean, merejää, maismaa jpm.).

Globaalsed kliimamudelid on välja töötatud pikaajaliste katsetuste põhjal: esmalt üritati etteantud võrrandite järgi panna arvuti ilma ennustama. Matemaatiliselt väljendavad võrrandid peamisi füüsikaseadusi: termodünaamika esimest seadust ja massi ning veeauru jäävuse seadust. Samuti kirjeldavad need atmosfääri ja veekeskkonda. Peale selle kasutavad kliimamudelid teavet ilma ja kliimat mõjutavate tegurite kohta: näiteks Maale jõudev päikesekiirguse hulk ja selle jaotus, aluspinna omadused ja atmosfääri koostis. Esimesed tänapäevastega sarnased globaalsed kliimamudelid loodi 1950. aastate lõpus ja 1960. aastate alguses [9, 10].

Selleks et kliimamudeli võrrandit arvutite abil lahendada, kaetakse Maa pind võrgustikuga. See koosneb ühtlase vahekaugusega punktidest, millele tavaliselt lisandub umbes kakskümmend vertikaalset kihti nii atmosfääris kui ka ookeanis. Punkte, milles tuleb võrrandeid lahendada, on kokku väga palju. Seepärast on globaalsete kliimamudelitega võimalik arvutusi teha ehk neid jooksutada vaid n.-ö. superarvutitel. Mudelile lisab täpsust suurem ruumiline lahutus (naaberpunktide vaheline kaugus), kuid kuna võrgupunkte on sel juhul rohkem, suureneb ka arvutuste maht.

Mõned olulised nähtused (näiteks rünkpilvede teke) võivad ette tulla üsna väikeses ulatuses, mistõttu neid ei saa mudeli horisontaalvõrgus otseselt lahendada. Sel juhul kasutatakse empiirilisel teel leitud eriotstarbelisi funktsioone.

Just globaalsete mudelitega üritavad teadlased saada teavet tuleviku kliimatingimuste kohta. Kõige tavalisem inimtekkelise kliimamuutuse katse hõlmab tänapäeva kliima modelleerimist, võttes aluseks väikese süsihappegaasisisalduse, ent ühtlasi tehakse tuleviku kliima mudel olude kohta, mil süsihappegaasi sisaldus on inimtegevuse tõttu suurenenud. Täpne kontsentratsioon oleneb stsenaariumist. Kahe modelleeritud ajavahemiku kliima võrdlus – keskmise õhutemperatuuri, sademete hulga jne. erinevused – annabki meile ettekujutuse globaalse kliima muutusest.


Regionaalne mudel lisab ruumilist täpsust. Globaalsete kliimamudelite ruumiline lahutus on enamasti 200–300 kilomeetrit. See on aga liiga väike ega võimalda õhutemperatuuri ning sademete jaotust modelleerida nii, et tulemused vastaksid tegelikele oludele. Tulemus ei pruugi olla usaldusväärne eeskätt siis, kui piirkond on näiteks keerulise topograafia, vahelduva taimkatte või liigestatud rannajoonega.

Probleemi lahenduse pakkus 1980. aastate lõpus Itaalia teadlane Filippo Giorgi, kelle tööd panid aluse tänapäevastele regionaalse kliima mudelitele. Professor Giorgi otsustas regionaalsetes kliimamudelites rakendada kõrglahutusega piiratud ala mudeleid (ingl. limited area models), mida juba aastaid kasutati ilmaennustuses. Seni ei olnud keegi neid mudeleid “jooksutanud” üle viie-kuue päeva. Filippo Giorgi kohendas selles kasutatavaid füüsikaseadusi ja lasi simulatsioonil kesta märksa kauem – mitu kuud. Regionaalne mudel koosneb sel juhul piiratud ala mudelist, mis on asetatud globaalse kliimamudeli sisse (ingl. nesting – pesastamine). Globaalne mudel annab ette algsed ilmaolud ja „toidab“ regionaalset mudelit ajast sõltuvate servanäitajatega: arvestatakse olusid modelleeritava ala servadel. Suure lahutusega piiratud ala mudel tekitab modelleeritava ala sees iseseisva tsirkulatsiooni ja arvutab väljundmuutujate väärtused (#1). Regionaalse kliimamudeli täpsus oleneb nii mudeli enda kui ka seda juhtiva globaalse mudeli kvaliteedist. Olulised on ka modelleeritava ala suurus ja asend: enamasti jäetakse käsitletav piirkond selle ala keskele (#2).

Tollal leidus modelleerijate hulgas palju skeptikuid, kes kahtlesid Giorgi pakutud meetodi tõhususes. Arvati, et kohalik atmosfääri tsirkulatsioon, mis kujuneb välja modelleeritava ala (ingl. domain – domeen) sees, muutub korrapäratute või ettearvamatute ilmanähtuste tõttu juhitamatuks ja tulemus kaugeneb juba õige pea tegelikust ilmastikust. Esimesed proovimudelid tõestasid aga vastupidist: pesastamismeetod õigustas end üsna hästi ka pikaaegsete eksperimentide puhul [4].

Praeguseks ajaks on regionaalseid kliimamudeleid rakendatud juba viisteist aastat ja neid on kasutatud mitmesugustel eesmärkidel [7, 8]. Muu hulgas on nende abil uuritud paleokliimat, äärmuslikke ilmastikunähtusi, kliima mõju looduslikele ökosüsteemidele ja põllumajandusalade tootlikkusele.

Regionaalsete kliimamudelite põhiline rakendusvaldkond on siiski kliimamuutused. Näiteks suure rahvusvahelise uurimisprojekti PRUDENCE raames modelleeriti temperatuuri ja sademete jaotust Euroopas, kasutades mitut mudelit [2]. Tulemused näitasid, et ajavahemikus 2071–2100 valitsevad Põhja-Euroopas senisest soojemad ja vihmasemad talved, Lõuna-Euroopas aga senisest kuivemad ja palavamad suved. Paljude eluvaldkondade, eelkõige aga põllumajanduse ja turismi jaoks on just sellise täpsusega teave küllaltki oluline.


Mudel on vaid lihtsustus. PRUDENCE-i-taoliste projektide puhul ei tasu unustada tõsiasja, et toetutakse siiski vaid mudelitele – tegelikkuse ebatäiuslikele koopiatele, millel on paraku ka omad puudused.

Üks põhiline häda on nende otsene sõltuvus globaalse mudeli andmete kvaliteedist. Väga raske on arvesse võtta ka nende samaaegset mõju globaalsele mudelile ehk tagasisidet.

Kliimasüsteemi modelleerimise teebki keeruliseks asjaolu, et arvestada tuleb kõikvõimalike ruumi- ja ajamõõdetega. Peale selle on palju nähtusi, mille kohta meil ei ole veel piisavalt teavet. Näiteks pilved, mille teket ja arengut ei osata ühtse teooria alusel seletada. Lahkarvamusi põhjustavad ka peamiselt fossiilsete kütuste põletamisel või vulkaanipursete tagajärjel atmosfääri sattunud mikroskoopilised osad – aerosoolid. Selgusetust ja erimeelsusi tuleb ette veelgi. Väidetud on sedagi, et kuna meil puudub ühtne teooria kliima kohta, ei saa tõsiselt võtta ühtki kliimamudeli põhjal tehtud tulevikuprognoosi [3].

Modelleerijad on siiski teoreetilistest piirangutest teadlikud. Nii soovitatakse regionaalseid kliimamuutusi modelleerides kasutada vaid selliseid globaalseid mudeleid, mille tulemusi peetakse usaldusväärseteks. Enne kui asutakse ennustama tuleviku kliimat, tuleb regionaalse mudeli võimekust põhjalikult kontrollida. Tavaliselt tehakse seda mineviku kliimaolude põhjal ja otsestel mõõtmistel saadud „täiuslikes“ servatingimustes.

Eraldi käsitlust vajab kliimamudeli hindamine. Enamasti kasutatakse ilmajaamades mõõdetud ja sageli võrgupunktidesse lükitud andmeid, mida võrreldakse vastavate modelleeritud väärtustega (#3 ja #4). Sellised mõõtmistulemused võivad olla aga raskesti kättesaadavad ning mõne piirkonna (mäed, kõrbed) kohta pole neid hoopiski.


Koostöö kui edu alus. Et rakendada paikkonna kliimamudelit, on vaja küllaltki võimsat arvutit. Näiteks mudeli RegCM alusel kulub ühe kuu modelleerimiseks personaalarvutil Pentium III (1 GHz) aega umbes kümme tundi: kui modelleeritav ala hõlmab 90 x 110 võrgupunkti ja lahutus on 50 kilomeetrit. Ühe aasta modelleerimine samadel tingimustel kestab kaheksa päeva. Kui aga jooksutada sama mudelit arvutil Pentium IV (2 GHz) 100 x 110 võrgupunktiga modelleeritava ala ja 50-kilomeetrise lahutuse korral ning aluseks on võetud kolmkümmend aastat, kestab eksperiment kolm kuud.

Tehnilistest võimalustest olulisemadki on aga uurija ideed, oskus mudelit oma huvides rakendada ning tulemusi õigesti tõlgendada. Kliima modelleerija ei pea olema asjatundja mitte ainuüksi infotehnoloogias, vaid ka atmosfäärifüüsikas ja klimatoloogias. Kasuks tulevad teadmised matemaatilise statistika ning kartograafia kohta. Seda loetelu võiks jätkata. Seetõttu ongi regionaalsete kliimamudelitega seotud uurimistööga hõivatud väga palju teadlasi: kõike ei jõua üks inimene endale lihtsalt põhjalikult selgeks teha.

Kliima modelleerimise projektid on küllaltki kulukad, eeldavad vastava hariduse ja oskustega teadlasi ning väga head tehnikat (arvutid). Seetõttu on regionaalse modelleerimise eesotsas alati olnud võimsad teadusriigid: USA, Suurbritannia, Saksamaa, Prantsusmaa, Kanada, Austraalia, Jaapan ja Skandinaavia maad. Mujal on edusammud olnud märksa tagasihoidlikumad. Näiteks Ida-Euroopas, sealhulgas Eestis ei teata regionaalsetest kliimamudelitest veel kuigi palju, rääkimata nende kasutusest igapäevaelus. Esile võiks tõsta vaid tðehhe, kes koos Prantsuse ilmateenistusega (Meteo France) on töötanud välja regionaalse kliimamudeli Kesk-Euroopa jaoks. Vähem arenenud riikide teadlaste üks võimalus ongi koostöö USA või Lääne-Euroopa uurimisinstituutidega.


Eesti on kliima poolest huvitav piirkond. Maakera eri paikkondades võib kliima suuresti erineda. Protsessid, mis on valdavad ühes piirkonnas, ei pruugi teises paigas olla niisama tähtsad.

Ka Eesti kliimal on palju erijooni, mida tuleks modelleerimisel arvesse võtta. Meie asendist suhteliselt suurel laiuskraadil – peaaegu 60 kraadi põhjalaiust – oleneb potentsiaalse päikesekiirguse hulk. Samuti see, et talvel katab maad ja veekogusid lumi ning jää. Peale selle on Eesti kliima väga muutlik. Suures osas määrab selle Atlandi ookean. Täpsemalt ookeani kohal tekkivad tsüklonid, mis muudavad siinse kliima niiskeks ja võrdlemisi pehmeks. Samas asub Eesti küllalt lähedal Ida-Euroopa lauskmaale, mistõttu näiteks talvel võivad meie ilma kujundada väga külmad õhumassid.

Regionaalseid olusid mõjutab kahtlemata ka Läänemeri: mere soojuslik inerts põhjustab temperatuurierinevusi Lääne-Eesti saarte ja Eesti mandriosa vahel (#5). Meri kui aluspind mõjutab oluliselt ka tuule tugevust. Tõenäoliselt tuleks arvestada ka Peipsi järve, mida modelleerijad ei saa eirata juba selle suuruse tõttu (3555 km2).

Nagu eespool mainitud, on ilmastiku kujunemisel oluline osa kohalikel teguritel. Et kirjeldada kliimamudelis piisava täpsusega Eesti rannajoont, reljeefi, eri aluspinnatüüpe ja neist tingitud kliimaolusid, on vaja kasutada küllaltki suurt ruumilist lahutust: 20–30 kilomeetrit.


Miks ikkagi modelleerida Eesti kliimat? Eesti väiksuse tõttu võib tekkida küsimus: kas niivõrd kuluka ja põhjalikke teadmisi vajava valdkonnaga tasub meil üldse tegelda; kas poleks targem jätta kogu regionaalsete kliimamudelitega seonduv uurimistöö Euroopa ja Ameerika spetsialistide õlule, arvestades asjaolu, et kõik suuremad Euroopat hõlmavad modelleeritavad alad katavad nii või teisiti ka meie ala.

Hoolimata kõigest ei tohiks me Eesti kliima modelleerimist üksnes välismaa teadlaste hooleks jätta. Võib arvata, et keegi neist ei vaevu üksikasjaliselt uurima loodusnähtusi meie „tagahoovis“. Kuna iga mudelit ka hinnatakse, siis tuleb arvestada, et küllalt põhjalik teave Eesti loodusolude kohta ning juurdepääs vajalikele andmetele on väga oluline.

Kliimauuringud Eestis on siiani toetunud enamasti mõõtmisandmete statistilisele analüüsile. Kindlasti on see meetod oluline ja vajalik. Paraku ei suudeta sellega näha kaugemale mingist kindlast aegrea pikkusest. Regionaalsete kliimamudelitega on aga võimalik n.-ö. tulevikku vaadata. Pealegi võib modelleerimine anda meile uut teavet alade kohta, kus pole iialgi tehtud ühtegi mõõtmist.



OLIVER TOMINGAS
28/11/2012
26/11/2012
05/10/2012
09/07/2012
26/06/2012
26/06/2012
22/05/2012