Η επίδραση της κλιματικής αλλαγής στα επίπεδα PM 2.5 σε παγκόσμια κλίμακα = Climate change impact on future levels of PM 2.5 in global scale.

Περίληψη

Η παρούσα εργασία εξετάζει την επίδραση της κλιματικής αλλαγής πάνω στα αιωρούμενα σωματίδια με διάμετρο μικρότερη από 2.5, γνωστά και ως PM2.5, σε παγκόσμια κλίμακα. Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν προέρχονται από το Παγκόσμιο Ερευνητικό Πρόγραμμα του Κλίματος (-World Climate Research Programme), αφορούν την Έκτη φάση του Προγράμματος Σύγκρισης Συζευγμένων Μοντέλων, - (Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 - CMIP6) και αναφέρονται στη χρονική περίοδο από το 2015 μέχρι το 2100. Τα τρία κλιματικά μοντέλα που μελετώνται είναι το GFDL-ESM4, το GISS-E2-1-G  και το MRI-ESM2-0. Για τη ξαγωγή των αποτελεσμάτων χρησιμοποιήθηκαν δύο πειράματα (ssp370SST και ssp370pdSST). Το πείραμα ssp370SST ακολουθεί το σενάριο ssp370 με χρονικά μεταβαλλόμενες θαλάσσιες επιφανειακές θερμοκρασίες (SSTs) που λήφθηκαν από προσομοιώσεις του πειράματος ssp370 με συζευγμένο παγκόσμιο κλιματικό μοντέλο ατμόσφαιρας-ωκεανού. Το πείραμα ssp370pdSST έχει παρόμοια πειραματική ρύθμιση με το ssp370SST με τη διαφορά ότι η θερμοκρασία της επιφάνειας της θάλασσας (SST) και ο θαλάσσιος πάγος λαμβάνονται από μια πρόσφατη κλιματολογία (περίοδος 2005–2014) που προήλθε από προσομοιώσεις του κάθε μοντέλου κατά την ιστορική περίοδο και παραμένουν σταθερές σε ολόκληρη την περίοδο των μελλοντικών προσομοιώσεων (2015–2100). Και στα δυο πειράματα ssp370SST και ssp370pdSSTακολουθούν το σενάριο SSP3_7.0 όπως περιγράφεται στο Turnock et al. (2020) και Griffiths et al. (2021). Πρακτικά, οι προσομοιώσεις ssp370pdSST απεικονίζουν την επίδραση μόνο των μελλοντικών εκπομπών διατηρώντας την κλιματική κατάσταση σύμφωνα με την κλιματολογία του πρόσφατου παρελθόντος (2005-2014), ενώ οι προσομοιώσεις ssp370SST τη συνδυασμένη επίδραση των αλλαγών του κλίματος και των εκπομπών. Ως εκ τούτου, με την διαφορά των πειραμάτων ssp370pdSST και το ssp370SST μπορεί να συναχθεί μόνο η επίδραση της μελλοντικής κλιματικής αλλαγής στα σωματίδια PM2.5. Αυτό εκδηλώνεται με αλλαγές στη χημεία, τις μεταφορές, τις φυσικές εκπομπές και την εναπόθεση, με τις δύο τελευταίες διαδικασίες να αντιπροσωπεύονται στα μοντέλα με διαφορετικά επίπεδο διαδραστικότητας. Στη συνέχεια της εργασίας, υπολογίζεται η διαφορά των δύο πειραμάτων και κατασκευάζονται οι παγκόσμιοι χάρτες για δύο χρονικές περιόδους, 2021-2050 και 2070-2099 σε ετήσιο και εποχιακό επίπεδο σε σχέση με τρεις παραμέτρους, τα αιωρούμενα σωματίδια, PM 2.5, την βροχόπτωση και τη θερμοκρασία επιφανείας. Μετά από την κατασκευή των χαρτών, πραγματοποιείται η ανάλυση του κάθε χάρτη για το κάθε κλιματικό μοντέλο και για την κάθε χρονική περίοδο σε ετήσια και εποχιακή κλίμακα. Από τα αποτελέσματα διαπιστώνεται ότι τα τρία κλιματικά μοντέλα βρίσκονται σε χαμηλή συμφωνία μεταξύ τους για το πόσο επηρεάζει η κλιματική αλλαγή τα PM 2.5 και ότι η επίδραση της κλιματικής αλλαγής, θετική ή αρνητική, είναι μικρή στα αιωρούμενα σωματίδια, PM 2.5 και έχει κυρίως τοπικό χαρακτήρα.

This thesis examines the impact of climate change on particulate matter  with a diameter smaller than 2.5, also known as PM2.5, on a global scale. The data that was used come from the World Climate Research Programme, under the Sixth phase of the Coupled Models Intercomparison Project (CMIP6), and refer to the time period from 2015 to 2100. The three climate models that are studied are GFDL-ESM4, GISS-E2-1-G, and MRI-ESM2-0. For the analysis, two types of experiments were used (ssp370SST and ssp370pdSST). The ssp370SST experiment follows the ssp370 scenario with time-varying sea surface temperatures (SSTs) obtained from simulations of the ssp370 experiment with a coupled global atmosphere-ocean climate model. The ssp370pdSST experiment has a similar experimental setup to ssp370SST except that sea surface temperature (SST) and sea ice are obtained from a recent climatology (period 2005-2014) derived from simulations of each model during the historical period and remain constant throughout the period of future simulations (2015-2100). Both the ssp370SST and ssp370pdSST experiments follow the SSP3_7.0 scenario as described in Turnock et al. (2020) and Griffiths et al. (2021). In practice, the ssp370pdSST simulations depict the effect of future emissions only by maintaining the climate state according to the climatology of the recent past (2005-2014), while the ssp370SST simulations depict the combined effect of climate change and emissions. Hence, by subtracting ssp370pdSST from ssp370SST experiments the effect from climate change can be deduced for PM2.5. This is manifested through changes in chemistry, transport, natural emissions, and deposition with the latter two depending on the level of interactiveness at which these processes are represented in the models. Afterwards, the difference of the two experiments is calculated and world maps are constructed for two time periods, 2021-2050 and 2070-2099 at the annual and seasonal level, in relation to three parameters: particulate matter, PM2.5, precipitation and surface temperature. After the construction of the maps, analysis of each map is conducted for each climate model and for each time period on an annual and seasonal scale. The results show that the three climate models are in low agreement on how much climate change impacts PM2.5, and that the impact of climate change, positive or negative, is small in particulate matter, PM2.5, and is mostly local in nature.