Co to jest klimat, a czym jest pogoda?

Klimat to statystyczny opis pogody w danym miejscu, obliczony z 30 lat pomiarów temperatury, opadów, wiatru i innych elementów meteorologicznych. Pogoda jest jednym wynikiem, a klimat rozkładem wszystkich wyników, które w tym miejscu się zdarzają. Dlatego upalny lipiec ani mroźna zima nie zmieniają klimatu. Zmienia go dopiero przesunięcie całego rozkładu przez wiele lat.

Co to jest klimat?

Klimat to statystyczny opis pogody w danym miejscu, obliczony z wieloletnich pomiarów temperatury, opadów, wiatru i innych elementów meteorologicznych. Zgodnie z definicją klimatu według IPCC klasyczny okres uśredniania tych wielkości wynosi 30 lat. Statystyki z takiego okresu noszą nazwę normy klimatycznej i są punktem odniesienia dla każdego kolejnego pomiaru.

Trzydzieści lat to kompromis między dwoma wymaganiami. Średnią z długiego okresu stosuje się ze względu na naturalną zmienność klimatu. Jeden rok z silnym El Niño – ociepleniem wód wschodniego Pacyfiku, które zmienia pogodę na kilku kontynentach – wyraźnie przesunąłby średnią z pięciu lat. Okres nie może być jednak zbyt długi. Średnia ze stulecia rozmyłaby zmianę, która zaszła w jego drugiej połowie.

Okresy referencyjne ustala Światowa Organizacja Meteorologiczna (WMO). Normy klimatyczne WMO wyznacza się dla okresów 30-letnich. Organizacja zaleca aktualizować te okresy odniesienia co dekadę. Dzięki temu norma przesuwa się razem z kolejnymi dziesięcioleciami pomiarów.

W szerszym sensie klimat to stan całego systemu klimatycznego razem z jego opisem statystycznym. System ten tworzą atmosfera, oceany, lądolody i lody morskie, powierzchnia lądów oraz biosfera, które nieustannie wymieniają między sobą energię i wodę.

Pogoda to stan atmosfery w danym miejscu i chwili

Pogoda to stan atmosfery w konkretnym miejscu i momencie. Opisują ją te same elementy meteorologiczne co klimat, tylko bez uśredniania:

• temperatura powietrza
• ciśnienie atmosferyczne
• wilgotność powietrza
• opady i osady atmosferyczne
• kierunek i prędkość wiatru
• zachmurzenie i usłonecznienie

Chwilową wilgotność powietrza pokazuje różnica między wskazaniem zwykłego termometru a temperaturą mokrego termometru.

Wartości elementów zmieniają się w skali godzin i kilkudziesięciu kilometrów. Napływ nowej masy powietrza – ogromnej porcji powietrza o jednorodnej temperaturze i wilgotności – albo przejście frontu atmosferycznego potrafi w ciągu kilku godzin obniżyć temperaturę o kilka stopni. Dlatego dwie sąsiednie miejscowości po przeciwnych stronach frontu mają tego samego popołudnia zupełnie inną pogodę.

Czym różni się klimat od pogody, skoro opisują je te same parametry?

Różnica leży w liczbie stanów: pogoda to jeden wynik, a klimat to rozkład wszystkich wyników, które w danym miejscu się zdarzają. Dobrze oddaje to rzut kostką. Pojedynczy rzut jest pogodą, a wiedza, że szóstka wypada średnio raz na sześć rzutów, jest klimatem – tym, czego się spodziewasz, zanim rzucisz.

Rozkład opisują trzy rodzaje statystyk. Średnia mówi, jaka wartość jest typowa. Zmienność, mierzona choćby odchyleniem standardowym, mówi, jak szeroko wyniki się rozrzucają. Ekstrema i częstość zjawisk informują z kolei, jak często trafiają się wartości skrajne. Dlatego normy klimatyczne IMGW-PIB obejmują oprócz średnich także średnią liczbę dni z określonymi wartościami zmiennych i wartości ekstremalne. Obecne normy dla Polski dotyczą lat 1991–2020.

Anomalia to odchylenie zmierzonej wartości od normy dla tego samego miejsca i tej samej pory roku. Jej wagę ocenia się na tle zmienności: odchylenie mieszczące się w typowym rozrzucie jest zwykłym kaprysem pogody, wykraczające daleko poza niego – zjawiskiem rzadkim. Przykład anomalii pochodzi z raportu Klimat Polski IMGW-PIB. Temperatura maja w opisanym roku była niższa od normy o 2,6°C. Taki miesiąc nie oznaczał, że klimat Polski zaczął się ochładzać.

Czy rekordowo upalny lipiec dowodzi więc zmiany klimatu? Sam w sobie nie, bo pojedynczy upalny dzień czy mroźna zima są anomalią względem normy, a nie nową normą. O zmianie świadczy dopiero przesunięcie całego rozkładu z wielu lat: wyższa średnia, częstsze upały i rzadsze dni z mrozem.

Dlaczego pogodę prognozuje się na dni, a zmiany klimatu projektuje na dziesięciolecia?

Prognoza chwilowej pogody w średnich szerokościach geograficznych jest dziś trafna na około 10 dni. Według badania granicy przewidywalności pogody stanowi to praktyczną granicę przewidywalności. Model startuje od warunków początkowych, czyli zmierzonego stanu atmosfery w danej chwili, i liczy, jak ten stan będzie ewoluował. Atmosfera jest jednak niestabilna, więc drobne błędy pomiaru narastają z każdym kolejnym dniem prognozy. Nawet zmniejszenie niepewności warunków początkowych o rząd wielkości wydłużyłoby prognozę deterministyczną najwyżej o 5 dni. Granica może wynikać z samej dynamiki atmosfery i istnieć nawet przy niemal doskonałym modelu i danych.

Jak w takim razie naukowcy mogą mówić o klimacie za kilkadziesiąt lat? Modele klimatyczne nie przewidują pogody konkretnego dnia, tylko zmianę statystyk: średnich, rozrzutu i częstości ekstremów. Te zależą od bilansu energetycznego Ziemi, czyli różnicy między energią pochłanianą od Słońca a wypromieniowaną w kosmos. Prognoza pogody i projekcja klimatu odpowiadają więc na dwa różne pytania. Pierwszą ogranicza niepewność stanu początkowego, drugą – niepewność przyszłego składu atmosfery i reakcji systemu klimatycznego.

Czynniki, które kształtują klimat

Czynniki klimatotwórcze to warunki decydujące o wartościach elementów klimatu, czyli wielkości mierzonych na stacjach meteorologicznych. Temperatura jest elementem, a wysokość nad poziomem morza czynnikiem, który ją obniża – tempo tego spadku wyraża pionowy gradient temperatury. Sześć czynników ma największe znaczenie:

• Szerokość geograficzna – decyduje o kącie padania promieni słonecznych i długości dnia, więc im dalej od równika, tym niższa średnia temperatura.
• Wysokość nad poziomem morza – temperatura spada średnio o 0,6°C na każde 100 m, więc szczyt na 2500 m n.p.m. jest o około 15°C chłodniejszy od wybrzeża.
• Odległość od morza – woda nagrzewa się i stygnie wolniej niż ląd, dlatego wybrzeża mają łagodne zimy, a wnętrza kontynentów duże roczne wahania temperatury.
• Prądy morskie – ciepłe, jak Prąd Północnoatlantycki, ogrzewają zachodnią Europę, a zimne, jak Prąd Peruwiański, ochładzają i osuszają przybrzeżne lądy.
• Cyrkulacja atmosfery – przenosi masy powietrza i wilgoć; nad Polską przeważające wiatry zachodnie niosą powietrze znad Atlantyku.
• Gazy cieplarniane – para wodna, dwutlenek węgla i metan zatrzymują część promieniowania podczerwonego Ziemi.

Pierwsze trzy czynniki są dla człowieka praktycznie stałe. Położenie i rzeźba terenu zmieniają się w skali milionów lat. Prądy morskie, cyrkulacja i skład atmosfery zmieniają się w ciągu dekad, więc to one, razem z erupcjami wulkanów i wahaniami aktywności Słońca, stoją za zmianami klimatu widocznymi w skali ludzkiego życia.

Strefy i typy klimatu według klasyfikacji Köppena

Najpopularniejsza klasyfikacja klimatów, system Köppena-Geigera, przypisuje typ na podstawie wartości progowych i sezonowości miesięcznej temperatury powietrza oraz opadów. Pierwsza wersja powstała pod koniec XIX wieku jako opis granic, w których rosną lasy, stepy i tundra. Współczesne mapy klasyfikacji Köppena-Geigera mają rozdzielczość 1 km i rozróżniają pięć głównych klas oraz 30 podtypów.

• A, klimaty tropikalne – najchłodniejszy miesiąc ma średnią temperaturę co najmniej 18°C.
• B, klimaty suche – roczna suma opadów jest niższa od progu zależnego od średniej temperatury, a więc od parowania.
• C, klimaty umiarkowane ciepłe – najchłodniejszy miesiąc mieści się między 0°C a 18°C, najcieplejszy przekracza 10°C.
• D, klimaty chłodne – najchłodniejszy miesiąc ma średnią poniżej 0°C, najcieplejszy powyżej 10°C.
• E, klimaty polarne – średnia najcieplejszego miesiąca nie osiąga 10°C.

Próg między grupami C i D bywa różny: w wersji użytej przy tych mapach wynosi 0°C zamiast −3°C z pierwotnego ujęcia. Od tego wyboru zależy, czy część Polski trafia do klimatu umiarkowanego ciepłego, czy chłodnego.

Ten system odzwierciedla skutki klimatu: jest klasyfikacją empiryczną, która odwzorowuje rozmieszczenie biomów, a nie przyczyny klimatu. Empiryczna jest też klasyfikacja Thornthwaite’a, oparta na bilansie wodnym, czyli relacji opadów do potencjalnego parowania. Klasyfikacje genetyczne, na przykład Alisowa, dzielą świat według przyczyn – dominujących mas powietrza i cyrkulacji atmosfery.

Jak klimat zmieniał się dawniej i co zmienia go dziś?

Klimat Ziemi zmieniał się zawsze: w ostatnim milionie lat okresy lodowcowe przeplatały się z interglacjałami w rytmie zmian orbity Ziemi. Erupcje wulkanów i wahania aktywności Słońca dokładały do tego krótsze, kilkuletnie albo kilkudziesięcioletnie wahania.

Skąd wiadomo, jaki był klimat sprzed tysięcy lat, skoro regularne pomiary instrumentalne prowadzi się dopiero od połowy XIX wieku? Dawne warunki odtwarza paleoklimatologia ze wskaźników pośrednich: rdzeni lodowych, słojów drzew, osadów jeziornych i morskich oraz koralowców. Pęcherzyki powietrza uwięzione w lodzie zachowują skład dawnej atmosfery. Proporcje izotopów tlenu w lodzie zdradzają temperaturę z czasu, gdy padał śnieg.

Rekonstrukcje te pozwalają porównać obecne ocieplenie z przeszłością. Według raportu IPCC globalna temperatura powierzchni w latach 2011–2020 była o 1,09°C (zakres 0,95–1,20°C) wyższa niż w latach 1850–1900. Lata te przyjmuje się za epokę przedprzemysłową. Od 1970 roku temperatura rośnie szybciej niż w jakimkolwiek innym 50-letnim okresie z co najmniej ostatnich 2000 lat. Temperatury dekady 2011–2020 przewyższają też temperatury ostatniego kilkusetletniego okresu ciepłego sprzed około 6500 lat.

Główną przyczyną tego ocieplenia jest według raportu działalność człowieka. Rosnące stężenie gazów cieplarnianych wzmacnia naturalny efekt cieplarniany, przez co Ziemia pochłania więcej energii, niż wypromieniowuje.