English Abstract Scenarios with an explicit time-dependence are crucial
for an adequate assessment of the impacts of climatic change. Furthermore,
an effective treatment of feedbacks requires a geographically explicit
description of the interactions between climate and biosphere. The present
version of IMAGE 2 (Integrated Model to Assess the Greenhouse Effect) is
limited in its ability to represent such interactions and dynamic behaviour.
Several of the inadequacies of IMAGE 2 are related to the climate model,
especially its inability to describe interdecadal variability. Lacking this
aspect, IMAGE 2 is less suited to treat the interactions between climate and
biosphere on these time scales. The simple climate model is uncapable to
dynamically describe the 3-dimensional climate patterns and should therefore
be replaced. This document evaluates the requirements and desired aspects
of an improved climate model for IMAGE 2 and introduces a new climate model,
ECBILT, which will be used for in a new version of IMAGE. Relevant issues
for linking ECBILT with the other components of IMAGE 2 are described.The
first link established between IMAGE 2 and ECBILT is a radiation scheme,
which determines long-wave radiation fluxes as a function of atmospheric
composition. Calculated changes in radiative forcing form a boundary
condition for ECBILT to dynamically simulate climatic change. In the report
the model is validated and additional tests are described. A
state-of-the-art radiation model, like the ones used currently in the most
advanced GCMs (General Circulation Models), is computationally too demanding
for our purposes. Therefore, we have linearised such an advanced radiation
model around reference profiles for the atmosphere. The new radiation
scheme was found to perform well when compared to the original radiation
scheme and to observations, especially considering the coarse vertical
resolution of climate variables available from the ECBILT model. Of the two
versions developed, a three-cloud-type version was shown to perform better
than a one-cloud-type version, especially in the tropics. In our approach,
input variables influence the radiative transfer independent of each other.
This disadvantage is inherent in linear approximation. As a result, for
example, the effects of overlapping absorption bands of methane and nitrous
oxide are not considered in the current version. A more process-based model
would do better in capturing such features. Also, such a model is expected
to perform less reliably when applied to a non-analogue climate
state.However, preliminary tests of implementing the new long-wave
radiation scheme in ECBILT have shown that it does perform satisfactorily
under such non-analogue conditions as well, supporting our confidence in the
new model as an adequate link between IMAGE 2 and
ECBILT.
Rapport in het kort
De ontwikkeling van scenario's met een expliciete
tijdsafhankelijkheid is cruciaal voor een goede inschatting van de
moegelijke gevolgen van klimaatverandering. Daarnaast vereist een adequate
behandeling van terugkoppelingen een geografisch expliciete beschrijving van
de interactie tussen klimaat en biosfeer. Met de huidige versie van IMAGE 2
(Integrated Model to Assess the Greenhouse Effect) is dit maar beperkt
mogelijk. De dynamiek op tijdschalen korter dan op de decennium schaal
wordt niet adequaat beschreven. Een belangrijk deel van de tekortkomingen
van IMAGE in dit opzicht bevindt zich in het huidige gebruikte klimaatmodel.
Dit eenvoudige model is niet in staat om mondiaal een 3-dimensionaal klimaat
dynamisch te simuleren en zal daarom moeten worden vervangen. Dit rapport
beschrijft in het kort de relevante aspecten van IMAGE 2 en het nieuwe
klimaat model ECBILT. ECBILT is speciaal ontwikkeld voor onderzoek naar
klimaatvariabiliteit en -voorspelbaarheid en is relatief weinig
reken-intensief, maar bevat wel alle relevante fysica en dynamica voor een
adequate beschrijving van 3-dimensionale klimaatvariabiliteit en
-patronen.Het is dus een ideaal gereedschap om interacties en
terugkoppelingen te onderzoeken in het klimaatsysteem zelf en in het
gekoppelde Samenleving-Klimaat-Biosfeer systeem, zoals dat in IMAGE 2 wordt
beschreven. Dit is een van de onderzoeksdoelstellingen van het IMAGE-2
project. De taken die voortvloeien uit het integreren van ECBILT in IMAGE 2
zullen besproken worden. Speciale aandacht zal besteed worden aan de
herziening van de biochemie van de oceaan, de afhankelijkheid van
kortgolvige stralingsbalans van sulfaat aerosolen, de grenslaag dynamica en
de interacties tussen de atmosfeer en het landoppervlak, het onderling
consistent maken van de hydrologische cyclus in de verschillende
(toekomstige) delen van IMAGE 2 en het herzien van de berekeningen van
verwachte zeespiegelstijging. IMAGE 2 berekent veranderingen in emissies en
atmosferische samenstelling. De eerste link tussen IMAGE 2 en ECBILT is een
stralingsschema dat langgolvige stralingsfluxen bepaalt en de effecten van
veranderingen in atmosferische samenstelling op de stralingsbalans
simuleert. De berekende stralingsforcering wordt door ECBILT gebruikt als
een van de randvoorwaarden van de dynamische simulatie van
klimaatverandering. In dit rapport wordt de nieuwe stralingsmodule
beschreven, gevalideerd en getest. Het doel van het model is om langgolvige
stralingsfluxen te berekenen op de verticale modelniveau's van ECBILT.
Hierbij wordt uitgegaan van gegevens over atmosferische en aardoppervlak
temperatuur, vochtigheidsgraad, bewolkingsgraad en concentraties van ozon en
de mondiaal goed gemengde broeikasgassen. Een geavanceerd stralingsmodel,
zoals bijvoorbeeld wordt gebruikt in de meest geavanceerde General
Circulation Models (GCMs, mondiale klimaat modellen), is te reken-intensief
voor onze toepassingen. De gekozen oplossing is linearisatie van een
dergelijk stralingsmodel rond atmosferische referentie profielen.
Afwijkingen t.o.v. deze referentie profielen beinvloeden de fluxen via
gevoeligheidscoefficienten voor elke variabele (temperatuur, etc.). De
waarden van deze coefficienten zijn bepaald in het linearisatie-proces. Het
gelineariseerde stralingsschema geeft goede resultaten wanneer het
vergeleken wordt met het originele model en met waarnemingen, zeker gezien
de lage verticale resolutie van de variabelen in ECBILT. Een versie van het
gelineariseerde model waarin drie wolktypen gebruikt worden geeft
aanmerkelijk betere resultaten dan een vrsie waarin slechts een "gemiddeld"
wolktype wordt gebruikt. In het gelineariseerde model beinvloeden
variabelen de stralingsfluxen onafhankelijk van elkaar. Dit is een nadeel
dat eigen is aan een lineaire benadering. Absorptiebandoverlap effecten van
bijvoorbeeld methaan en lachgas worden niet meegenomen in deze versie van
het gelineariseerde model. Dergelijke effecten worden beter beschreven door
een meer procesmatig model. Bovendien kan van een lineair model verwacht
worden dat het minder goede resultaten levert wanneer het toegepast wordt op
een klimaattoestend die sterk afwijkt van die van het referentie klimaat.
De eerste tests, waarin het nieuwe stralingsschema is ingebouwd in ECBILT,
tonen echter aan dat het ook naar tevredenheid functioneert in een
afwijkend, maar realistisch gezien mogelijk klimaat. Dit vergroot ons
vertrouwen in het model als de eerste en belangrijke link tussen IMAGE 2 en
ECBILT.