ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 6, с. 737-754
УДК 551.51:574.4
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ГЛОБАЛЬНОГО УГЛЕРОДНОГО ЦИКЛА С ПОМОЩЬЮ ЗАМКНУТОЙ МАЛОПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
© 2008 г. A.C. Гинзбург, H.H. Завалишин
Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: gin@ifaran.ru E-mail: nickolos@ifaran.ru Поступила в редакцию 28.12.2007 г.
Исследуются замкнутая динамическая блоковая модель глобального круговорота углерода и ее модификации с малым числом внешних параметров, построенные по данным о современных и доиндустриаль-ных потоках и запасах углерода в резервуарах. Первым возможным управляющим параметром является величина антропогенного выброса CO2 в атмосферу. Замкнутость по веществу позволяет снизить размерность динамических моделей и дает второй изменяемый параметр - общую массу системы, изменение которой отражает уровень неопределенности в знании количественных величин запасов. Калибровка ненасыщенных потоков каждой из моделей основана на алгоритме, разработанном ранее для локальных экосистем, а для вычисления коэффициентов потоков с насыщением используются измеренные разности противоположных по знаку потоков для нескольких моментов времени. Модификации модели предусматривают оценку степени вовлечения деятельного слоя океана в быстрый обмен с атмосферой и введение фактора землепользования как дополнительного антропогенного влияния. Рассчитаны временны е траектории запасов углерода в резервуарах до 2100 г. при изменения антропогенных выбросов в соответствии с основными сценариями МГЭИК до 2100 г. для базовой модели и ее модификаций.
ВВЕДЕНИЕ: ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАЛОПАРАМЕТРИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ АНАЛИЗА ПОВЕДЕНИЯ ГЛОБАЛЬНОГО ЦИКЛА УГЛЕРОДА
Изучение механизмов взаимодействия климата и биосферы, прогноз их эволюции при антропогенном вмешательстве приобретают все большую актуальность в связи с попытками человека управлять некоторыми важными характеристиками этой сложной системы в рамках Киотского протокола. Метод математического моделирования широко используется для этой цели в силу большой сложности системы климат-биосфера и значительной неопределенности в знаниях о количественных и качественных ее характеристиках в глобальном масштабе. Наиболее распространены два подхода к моделированию этой системы: пространственно-распределенный, когда уравнения в частных производных теории климата сопрягаются с биосферным блоком в каждой ячейке земной поверхности, и локально-точечные, в которых динамика углерода описывается с помощью системы обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ) с параметрами, зависящими от климатических переменных, задаваемых извне. Имеются и варианты, сочетающие оба подхода. Большинство пространственно-распределенных моделей глобального круговорота углерода берут начало от модели, описанной в моно-
графиях SCOPE [1] и Московской биосферной модели [2]. Они представлены большим количеством функционирующих сегодня глобальных моделей, среди которых есть российские: модель глобальных круговоротов В.Ф. Крапивина [3], модель углеродного цикла в системах атмосфера-растительность-почва и атмосфера-океан А.М. Тарко [4], углеродный блок в модели общей циркуляции атмосферы ИВМ РАН [5]. Они характеризуются разной степенью пространственного разрешения и детализации основных биогеохимических процессов, слагающих круговорот. Как правило, многие из них используют в связке с моделью цикла модель глобального распределения растительности (GVM - Global Vegetation Model), чтобы оценивать изменение размещения основных биомов земной суши при антропогенных возмущениях и изменении климата [6].
В глобально-осредненных по земному шару моделях биологические компоненты круговорота можно представлять резервуарами углерода, связанными между собой потоками. Такие модели называются нульмерными. Исторически первой из них была модель В.А. Костицына 1935 г. [7], большое количество таких моделей было разработано в 80-е годы. Результаты численных экспериментов с ними описаны в работах [8, 9]. Рассмотрены модели с числом блоков от четырех до семи как с линейными, так и с нелинейными взаимодействиями при за-
дании явной временной зависимости антропогенного источника CO2. Полностью линейная по запасам модель демонстрирует единственное равновесное состояние, скорость достижимости которого зависит от интенсивностей обменных потоков между резервуарами. При постоянном годовом источнике антропогенного CO2 модели этого типа дают линейный рост содержания углерода в атмосфере [8]. Новое предельное состояние углеродного цикла характеризуется перекачкой его избыточной массы в глубокий океан и исключением ее из активной фазы круговорота. Такой результат дают и другие блочные модели с нелинейными формами взаимодействий резервуаров, различаясь конкретными прогнозами содержания углерода в них в зависимости от принимаемой структуры резервуаров, динамики промышленных выбросов и использования земель (land use). Модели с подключением среднегодовой поверхностной температуры суши [10, 11] предлагают более разнообразные сценарии динамики круговорота углерода с множественными равновесиями ("виртуальные биосферы") и быстрыми (катастрофическими) переходами между ними. Однако параметрический анализ этих моделей практически не проводился. Качественное или аналитическое исследование даже минимальных нульмерных моделей - скорее исключение, чем правило. В числе таких исключений можно упомянуть предтечу всех моделей глобальных циклов, построенную В.А. Костицыным [7], а также систему температур-но-зависимых циклов углерода и воды Ю.М. Свире-жева и В. фон Бло [10, 12] и сопряженную с температурными уравнениями слоев атмосферы линейную неавтономную модель Борисенкова [8, 9]. В моделях Свирежева - фон Бло исследована структура фазового портрета и областей притяжения различных равновесных состояний на плоскости параметров, соответствующих полным количествам воды и углерода на планете. Однако в этой модели не задействован океан, что ограничивает прогностическую ценность выводов о динамике регулирования климата биосферой при антропогенном вмешательстве, поскольку чувствительность углеродного обмена на границе океан-атмосфера к изменению климата стала в последние годы предметом активной дискуссии [3]. Работа Квона и Шнура [13] демонстрирует имитационные вычислительные эксперименты с блоковой моделью, созданной на основе заранее задаваемых функциональных зависимостей удельных потоков углерода на единицу площади или объема резервуара от его концентрации с учетом среднеглобальной температуры приземного слоя воздуха. Ограничением подхода авторов является необходимость учета площадей и объемов, занятых разными блоками, в глобальном масштабе, что в модели делается посредством констант, в то время как эти величины способны меняться в зависимости от климатических параметров. Аналогичная модель построена Лентоном [14] и от-
личается параметризацией потоков фотосинтеза суши и обмена океан-атмосфера. Модель предсказывает уровни содержания углерода в основных резервуарах при действии сценариев управления выбросами предложенных в Третьем докладе МГЭИК [15]. На основе моделей Лентона и Квона-Шнура построен углеродный блок климатической модели промежуточной сложности ИФА РАН [16, 17]. Другие минимальные модели либо анализируются численно [18, 19], либо демонстрируют какой-либо отдельный аспект проблемы без достаточно полного математического исследования. Еще один аспект проблемы состоит в неопределенности знаний о многих взаимодействиях процессов, составляющих круговорот [3], что приводит к необходимости анализа не одной жестко заданной системы уравнений, а семейства систем, обладающих общими свойствами.
Целью работы является исследование устойчивости и эволюции доиндустриальных, современных и потенциально возможных динамических режимов функционирования глобального цикла углерода при изменении климатических параметров и антропогенной нагрузки на основе нульмерной "минимальной" блоковой модели и ее модификаций, построенных по диаграммам запасов и потоков углерода.
АГРЕГАЦИЯ МНОГОМЕРНЫХ СХЕМ
ГЛОБАЛЬНОГО ЦИКЛА УГЛЕРОДА
И ФОРМЫ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
Основой для моделируемой схемы глобального углеродного цикла стала совокупность оценок из сборника SCOPE [20] и Четвертого отчета МГЭИК [21], которые содержат данные как для современного, так и для доиндустриального состояний круговорота. В отдельных случаях использованы оценки из Третьего отчета МГЭИК [15]. Дополнительная информация взята из работ [13, 22], схемы из которых использовались ранее для моделирования балансов в работе [23] и показаны в качестве примера многокомпонентных схем на рис. 1.
Современные знания о круговороте углерода включают информацию о взаимодействиях атмосфера-суша и атмосфера-океан, об участии биосферы в углеродном обмене, которая является ключевой в представлениях ученых о составляющих его процессах и их связи с климатической машиной Земли. Данные о запасах резервуаров и потоках углерода из работ [15, 20], агрегированы в четырех-блоковую схему, включающую атмосферу (xx), био-ту и почву (x2), океан с озерно-речной системой (x3) и литосферу (x4) в качестве резервуаров. Эта схема в дальнейшем называется базовой. Под агрегацией понимается объединение нескольких, возможно разнородных, блоков в один вместе с соответствующими потоками. На рис. 2а показаны численные реализации базовой схемы для доиндустриального и
(а) (б)
Рис. 1. Две схемы глобального круговорота углерода: а - по [13]; б - по [22]. Запасы в ^ х 109, потоки в ^ х 109/год.
современного состояний круговорота углерода. Одним из параметров системы является интенсивность антропогенных выбросов, а другим - полное количество (в массовых единицах) углерода М в резервуарах. Хотя оно физически является постоянным, неточность знаний о запасах отдельных резервуаров позволяет считать его изменяемым параметром, исключая из уравнений ту переменную, оценки и взаимодействия которой имеют наибольшую степень неопределенности. В роли такой переменной можно выбрать запас углерода в литосфере, который, во-первых, оцени
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.