ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 3, с. 298-313
УДК 551.513.1
МОДЕЛЬ ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА
С УГЛЕРОДНЫМ ЦИКЛОМ
© 2007 г. Е. М. Володин
Институт вычислительной математики РАН 119991 Москва, ул. Губкина, 8 E-mail: volodin@inmras.ru Поступила в редакцию 11.05.2006 г., после доработки 28.06.2006 г.
Рассматриваются результаты численных экспериментов с моделью общей циркуляции атмосферы и океана, в которую включен цикл эволюции углерода. С моделью проведен эксперимент по моделированию изменения климата и углеродного цикла в 1861-2100 гг. по заданному сценарию эмиссии углекислого газа вследствие сжигания топлива и землепользования. Пространственное распределение углерода растений, почвы и океана в модели в XX столетии в основном соответствует имеющимся оценкам по данным наблюдений. Модель хорошо воспроизводит наблюдаемый рост концентрации С02 в атмосфере в XX столетии, а также поглощение избыточного углерода экосистемами суши и океаном в 80-х и 90-х гг. XX столетия. К 2100 г. концентрация С02 в атмосфере по данным
модели составит 742 млн-1 при сценарии А1В эмиссии и землепользования. Обратная связь между изменением климата и углеродного цикла в модели положительная, ее коэффициент близок к среднему по всем современным моделям. Доля эмиссии С02, поглощенная к 2100 г. океаном и сушей, составляет согласно модели 25% и 19%, что также близко к среднему по всем моделям.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время происходит рост концентрации парниковых газов, прежде всего углекислого газа. Этот рост вызывает глобальное потепление. Чтобы предсказать будущие изменения климата, нужно в первую очередь знать сценарий изменения концентрации углекислого газа в будущем. Однако это сделать не так просто, даже если известен сценарий выбросов СО2 вследствие деятельности человека. Так, согласно [1], в конце XX столетия примерно половина антропогенных выбросов углекислого газа шла на увеличение концентрации СО2 в атмосфере. Оставшаяся половина поглощалась, прежде всего океаном и экосистемами суши. Однако точно оценить роль океана и растений в поглощении выбросов СО2 из данных наблюдений не представляется возможным. Для этого приходится строить модели углеродного цикла. Эти же модели позволят дать прогноз поглощения СО2 различными компонентами углеродного цикла в будущем, и на основе этого дать прогноз изменения климата. Поглощение СО2 экосистемами суши, а также растворение в океане, само зависит от климата, прежде всего от температуры и осадков. Поэтому, чтобы спрогнозировать будущие изменения климата, необходимо построить модель, которая одновременно рассчитывала бы как сам климат, так и углеродный цикл на суше и в океане.
Существует несколько типов таких моделей, начиная от самых простых и до самых сложных. Компонентами углеродного цикла являются углерод
растений суши, углерод почвы, углекислый газ, растворенный в океане и углекислый газ атмосферы. В них учитываются процессы фотосинтеза и дыхания растений, отмирание растений и переход углерода растений в углерод почвы, разложение органики почвы и переход углерода почвы в углекислый газ атмосферы, растворение углекислого газа в океане, поток углерода в океане, обусловленный деятельностью морской биологии, а также обмен углекислого газа между атмосферой и океаном. Самыми простыми являются интегральные модели, где климат и компоненты углеродного цикла представлены одним или несколькими параметрами каждый. Такие модели могут использовать простейшие зависимости климата от концентрации углекислого газа или могут быть включены в более сложные модели климата [2].
Простейшие модели позволяют наглядно продемонстрировать процессы, происходящие в системе климат-углеродный цикл. Очевидным недостатком таких моделей является недостаточная точность учета различных факторов, поскольку в действительности различные типы экосистем, а также различные районы океана по-разному реагируют на увеличение углекислого газа, а также на изменения климата, связанные с парниковым эффектом. Поэтому возникают модели промежуточной сложности, в которых описание биосферы суши имеет географически распределенный характер, но изменения климата, обусловленные парниковым эффектом, не моделируются непо-
средственно, а параметризуются с помощью простых эмпирических соотношений, либо берутся из более сложных моделей климата, численные эксперименты с которыми уже сосчитаны заранее. Такие модели более детально описывают систему климат-углеродный цикл, и их счет обычно занимает все еще не очень большое время, чтобы проводить большое количество численных экспериментов. Модели углеродного цикла промежуточной сложности описаны в [3, 4].
Наконец, самые сложные модели включают модель климата, т.е. модель общей циркуляции атмосферы и океана, в которую на каждом шаге по времени включается расчет компонентов углеродного цикла. К этим компонентам, кроме перечисленных при рассмотрении простейших моделей, добавляется еще перенос растворенного углерода течениями в океане и, возможно, перенос углекислого газа в атмосфере. В мировом научном сообществе создано несколько таких моделей [5-8]. Однако из-за недостаточной изученности обратных связей между климатом и углеродным циклом, а также внутри самой климатической системы для одного и того же сценария разные модели могут давать резличные результаты. Неопределенности, возникающие при моделировании изменений климата, можно оценить, рассматривая ансамбль моделей. Поэтому создание новой модели климата и углеродного цикла является актуальной задачей. В настоящей работе описываются результаты численных экспериментов с такой моделью.
ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ
В ИВМ РАН создана модель общей циркуляции атмосферы и океана. С этой моделью проведены численные эксперименты по моделированию климата и его изменений в ХХ-ХХ11 столетиях. Эти эксперименты проводились в рамках международного сравнения моделей климата, результаты которого используются при написании 4-го отчета межправительственной группы экспертов по изменению климата (1РСС). Модель описана в работах [9, 10]. Результаты моделирования изменений климата в ХХ-ХХ11 столетиях описаны в [11]. Модель атмосферы имеет разрешение по горизонтали 5 х 4 градуса по долготе и широте и 21 уровень по вертикали, в модели океана разрешение составляет 2.5 х 2 градуса по долготе и широте и 33 уровня по вертикали. Модель содержит полный набор параметризаций физических процессов, которые обычно учитываются в современных моделях общей циркуляции атмосферы и океана. Стыковка атмосферы и океана происходит без коррекции потоков тепла и импульса, коррекция потока пресной воды применяется только в некоторых районах Арктики. Численные эксперименты с моделью проводятся обычно на 8 процессорах кластера
Intel Itanium. Расчет на 10 модельных лет занимает сутки реального времени.
В модель климата включен блок расчета углерода экосистем суши, расчет потоков углекислого газа на границе атмосфера-океан, и расчет эволюции углерода в океане. На суше прогностическими переменными углеродного цикла являются углерод растений CVEG и углерод почвы CSOIL, для которых решаются следующие уравнения:
д Cveg/д t = fpsn fptr c
-'VEG' u 1 PSN 1 PLR д CSOIL/d t = CVEG/TVEG — C
VEG' TVEG FDFR,
j/Tv t/Ts
SOIL' TSOIL FERS,
(1)
где I - время, и —РЬР - скорости фотосинтеза и дыхания, которые вычисляются согласно модели экосистемы Ь8М-1.0 [12], тУЕО - характерное время жизни данного типа растений, т801Ь - характерное время разложения органики почвы, которое зависит от типа экосистемы, температуры и влажности почвы согласно [12]. —ОЕа и —ЕР8 - заданные скорости сведения лесов и эрозии почвы. Вместе они составляют поток углерода вследствие землепользования -из = —ЕР8 + —ОЕР. В течение всех экспериментов отношение считалось постоянным и равным 1.5.
География задавалась таким образом, чтобы поток углерода вследствие сведения лесов данного типа в данном узле сетки был пропорционален массе растений данного типа в данном узле и эмпирическому коэффициенту ак, зависящему только от типа растительности:
-^ОТИ 1, ], к = аkGVEG 1, ], к Х К I J
Х-врЫ/X X X (аkGvEG 1,],касоъфуАкАф),
к = 11 = 1 у = 1
где 1, у - номер узла по долготе и широте соответственно; к - номер типа растительности; I, J, К -число узлов по долготе и широте и число типов растительности соответственно, а - радиус Земли, Ак, Аф - шаг сетки по долготе и широте соответственно, —Веы - заданный суммарный по всей Земле поток углерода вследствие сведения лесов. Коэффициент ак полагался равным 1 для тропического леса, 0.2 - для широколиственного, смешанного леса, саванны, травы и кустарников, 0.05 - для хвойных лесов и 0.02 - для тундры.
Считалось также, что землепользование влияет на площадь 5, занятую данным типом растительности в данной ячейке. Если Б0 - площадь, занятая растениями при нулевом землепользовании, то уравнение для действительно занятой площади выглядит следующим образом:
ЪБ/Ы = -—Лш + (Б - 50)/^, (2)
где тОЕК - характерное время восстановления продуктивности после сведения лесов. Это время зада-
валось одинаковым для всех типов растительности и равным 20 годам.
Уравнения (1) и (2) решаются отдельно для каждого типа растительности. Всего в модели используется 11 типов растительности, распределение которых фиксировано и задано так же, как и при расчете потоков с поверхности суши [13].
Шаг по времени при расчете уравнений (1), как и при расчете физических блоков в модели общей циркуляции атмосферы, составляет 1 час.
В океане для растворенного углерода Сос решается уравнение
ЭСос = adv (ад + vdiff (ад + —го + -атм, (3)
где adv (Сос) и vdiff (Сос) - изменение углерода вследствие адвекции крупномасштабными течениями и вертикального перемешивания турбулентностью в верхнем слое океана соответственно. Эти слагаемые вычисляются так же, как для температуры и солености в модели океана [9].
—вю - источник углерода, обусловленный жизнедеятельностью морской биологии. В настоящее время задан отрицательный и не зависящий от горизонтальных координат источник в верхнем 100-метровом слое океана и положительный исто
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.