научная статья по теме ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА В ГЛОБАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ИФА РАН С УЧЕТОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С МЕТАНОВЫМ ЦИКЛОМ ПРИ АНТРОПОГЕННЫХ СЦЕНАРИЯХ СЕМЕЙСТВА RCР Геофизика

Текст научной статьи на тему «ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА В ГЛОБАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ИФА РАН С УЧЕТОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С МЕТАНОВЫМ ЦИКЛОМ ПРИ АНТРОПОГЕННЫХ СЦЕНАРИЯХ СЕМЕЙСТВА RCР»

УДК [551.583:547.211].001.572

Изменения климата в глобальной модели ИФА РАН с учетом взаимодействия с метановым циклом при антропогенных сценариях семейства RCP

С. Н. Денисов*, А. В. Елисеев*, И. И. Мохов*

Проведены численные эксперименты с глобальной климатической моделью ИФА РАН при новых сценариях антропогенного воздействия RCP для XVIII—XXI вв. c учетом отклика эмиссий метана из почвы в атмосферу и эффектов химических процессов в атмосфере при изменениях климата. В модели в целом воспроизводятся доиндустриальные и современные характеристики метанового цикла. Эмиссии метана из почвы в атмосферу (для современного периода в диапазоне 150—160 Мт СН4/год) к концуХХ^. достигают 170—230 Мт СН4/год в зависимости от сценария антропогенного воздействия. Концентрация метана при наиболее агрессивном антропогенном сценарии RCP 8.5 увеличивается к концу XXI в. до 3900 млрд-1. При более умеренных антропогенных сценариях RCP 4.5 и 6.0 она достигает 1850— 1980 млрд-1 во второй половине XXI в. и далее уменьшается. При сценарии RCP 2.6 максимум концентрации метана в атмосфере в 1730 млрд-1 достигается во втором десятилетии XXI в. Учет взаимодействия процессов в почвогрунтах с климатом приводит к дополнительному увеличению содержания метана в атмосфере на 10—25% в XXI в. в зависимости от сценария антропогенного воздействия. Учет ускорения окисления метана в атмосфере при потеплении климата уменьшает увеличение его концентрации на 5—40%. Связанные с этим изменения приповерхностной температуры атмосферы оказываются невелики (глобально менее 0,1 К, или 4% величины потепления к концу XXI в.).

Введение

В глобальных климатических моделях в блоке углеродного цикла наряду с обменом диоксида углерода необходимо учитывать метановый обмен, существенную роль в котором играют влажные экосистемы. После водяного пара и диоксида углерода метан является третьим по значимости интегрального радиационного влияния на современную земную климатическую систему парниковым газом. При этом метан в расчете на одну молекулу более чем в 20 раз радиационно эффективнее диоксида углерода. Изменения в температурном и гидрологическом режиме почвы и цикле метана при климатических изменениях могут иметь значительные не только региональные, но и глобальные последствия.

* Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова Российской академии наук; e-mail: denisov@ifaran. ru.

В работе [5] были представлены результаты интерактивного включения блока метанового цикла в глобальную климатическую модель, разработанную в Институте физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН (КМ ИФА РАН). Подобные блоки в настоящее время используются в ряде климатических моделей [2, 14, 24]. В данной статье рассматриваются результаты, полученные на основе работы [5] с учетом в КМ ИФА РАН динамической модели тепло- и влагопереноса (взамен предыдущей версии блока термофизики почвы) и уточненного блока эмиссий метана из почвы в атмосферу, позволяющего рассчитывать потоки метана от влажных экосистем в зависимости от температуры и влажности почвы. Приводятся результаты расчетов с интерактивным метановым циклом, учитывающим отклик эмис сий ме та на из почвы в ат мос фе ру и эффектов хи ми чес ких про цес сов в атмосфере на изменения климата при новых сценариях антропогенного воздействия семейства ЯСР [8, 21].

Модель

Предыдущие версии КМ ИФА РАН описаны в [5—10, 23]. В данной работе в КМ ИФА РАН включены новые модернизированные интерактивные блоки тепло- и влагопереноса в почвогрунтах, естественных эмиссий метана влажными экосистемами и баланса метана в атмосфере. Обмен межз ду блоками атмосферы и почвогрунта осуществляется раз в пять суток (т. е. на каждом временном шаге атмосферного блока КМ ИФА РАН). Рассчи з танные теплофизические характеристики почвы далее используются при расчете эмиссии метана. Вычисленные эмиссии СН4 накапливаются в течение календарного года. В начале каждого календарного года эмиссии метана из почвы за предыдущий год используются для расчета концентрации ме та на в ат мос фе ре.

Блок тепло- и влагопереноса в почвогрунтах. Распределение температуры и влажности почвы по глубине рассчитывается с использованием динамической модели процессов тепло- и влагопереноса, разработанной в ИФА РАН [1, 3]. Температура на верхней границе почвы или снега определяется из уравнения теплового баланса подстилающей поверхности. На нижней границе расчетного слоя почвы задается условие отсутствия потока тепла.

Используемая версия КМ ИФА РАН имеет пространственное разрешение 4,5° по широте и 6° по долготе и не может явно разрешать болотные экосистемы меньшего размера. Болота характеризуются ограниченным подповерхностным стоком воды, связанным с наличием водоупорного слоя в грунте. Кроме того, нужно учитывать, что почвенный блок одномерный (с единственной координатой по вертикали) и не позволяет рассчитывать боковой сток из соседних модельных ячеек или внутри ячейки. В связи с этим в каждой модельной ячейке доля, занятая влажными экоз системами, характеризовалась согласно данным работы [11]. Для каждой модельной ячейки на каждом временном шаге проводились дополнительные расче ты с бло ком термо- и гид ро фи зи ки почвы, где почвен ные слои глубже 0,5 м задавались насыщенными влагой.

Блок эмиссий метана. Блок эмиссий метана, описанный в работе [5], был до ра ботан для вза и моде йствия с но вым бло ком термо- и гид ро фи зи-

ческих процессов в почвогрунтах. Общая интенсивность производства метана в единице объема с учетом влияния количества углеродного субстрата почвы на производство метана [13] определялась по формуле

PCH4 _ КрСef (aCH4 + bcHt DDT),

гдe DDT — число градусо-дией за период, когда данный слой почвы не является замерзшим; Cef — содержание углерода в почве по данным работы [17]; для коэффициента пропорциональности KP в проведенных расчетах использовалось значение 0,01. По сравнению с предыдущей версией модели были изменены значения коэффициентов: aCH = 42,5 мг СН4/(м3 • сут) и

Ьсн„ = 0,0375 мг СН4/(м3 • сут • °С).

Полный поток метана из почвы в атмосферу рассчитывался следующим об ра зом:

Ech^s = sh(t- )(2э, -1) Pch4, i aZQT- T0)/Tq ,

где Ti — температура i-го слоя почвы (°C); 0г- — его влагосодержание в долях от насыщающего значения; Azi — его толщина; Q10, s = 2, T0 = 2°С, Tq = = 10°С; Н — функция Хевисайда.

Суммирование производилось по слоям почвы до некоторой предельной глубины. Учет содержания углерода в почве позволил задавать предельную глубину расчета, одинаковую для всех модельных ячеек (ранее для тропических и внетропических широт ее значения различались). В проведенных расчетах для предельной глубины использовалось значение 1 м.

Метановый цикл атмосферы. Для метанового цикла атмосферы аналогично работе [5] использовалось балансовое уравнение для концентрации метана qCH4:

dqCH4 _ ch4

E E .w

dt

- qCH

11

x

V CH4,

где Е т4 и Е т4 — антропогенные и естественные эмиссии метана соответственно; Рсн4 = 2,75 Мт СН4/млрд; тш = 150 лет — характерное время разложения метана в почве, а тсн — в атмосфере.

Естественные эмиссии метана Е т4 представляются в виде суммы эмис сий из почвы в ат мос фе ру и дру ги4х эмис сий ес тес твен но го про исхож-дения. Эмиссии из почвы рассчитываются в модели интерактивно. По сравнению с ними природные эмиссии метана в атмосферу из других источников (в том числе термитников, метангидратов, океана и диких животных) малы и в их значениях существует большая неопределенность [1]. В проведенных расчетах для них использовалось значение 65 Мт СН4/год (что согласуется с величиной 45 ± 40 Мт СН4/год, приведенной в работе [16]).

Более 90% метана, содержащегося в тропосфере, удаляется в результате химических реакций (главным образом окислением радикалом ОН). Скорость химической реакции окисления метана зависит от температуры среды. Чтобы учесть этот эффект, для характерного времени разложения метана в атмосфере тсн а, оказывающего существенное влияние на результаты расчетов, использовалось три варианта. В варианте 1 значение

4

тш было постоянным и равным 10,5 годам [25]. В варианте расчета 2 продолжительность существования метана в атмосфере зависела от температуры T (среднегодовой глобальной приповерхностной температуры атмосферы) экспоненциально в соответствии с законом Аррениуса

* ch4,a ~ exp(-Ea/kT)

(Ea — энергия активации, k — постоянная Больцмана). В варианте 3 величина тсн в соответствии с законом Вант-Гоффа определялась степенной зависимостью Qf0~ To)/10 с основанием Q10 = 3. Закон Аррениуса и эмпирическое правило Вант-Гоффа часто применяют для оценки влияния температуры на ско рость хи ми чес кой ре ак ции в со вре мен ных гло баль ных ге о хи -мических моделях. Варианты расчета 2 и 3 использовались, аналогично работе [4], для учета эффектов химических процессов в атмосфере, влияющих на разрушение в ней метана.

Основной путь вывода метана из атмосферы — его окисление радикалами OH [15, 22]. Уменьшение времени существования метана в атмосфере при повышении температуры в вариантах расчета 2 и 3 связано с ускорением этой реакции. Время существования метана определяется скоростью генерации и вывода из атмосферы радикалов OH. Основные атмосферные компоненты, влияющие на эти процессы, кроме метана, — NOx, CO, летучие органические соединения и водяной пар. Изменение их содержания в атмосфере может способствовать как увеличению, так и уменьшению времени существования метана. В настоящее время в оценках отмеченных эффектов существует большая неопределенность. Согласно данным работы [22], эти эффекты имеют близкие значения и могут компенсировать друг друга.

Численные эксперименты

С климатической моделью ИФА РАН были проведены численные эксперименты для периода 1765—2100 гг. при задании сценариев антропогенных и ес тес твен ных возде йствий на климат пар ни ко вых га зов, тро по-сферных и стратосферных вулканических сульфатных аэрозолей, изменения солнечной постоянной и сельскохозяйственных площадей в соответствии с протоколом "Historical Simulations" международного проекта сравнения климатических моделей CMIP5 (http://www.iiasa.ac.at/web

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.

Показать целиком