УДК 551.510.41:542.74
Оценка экстремальных ЗННЧбНИИ пространственно-временной динамики поля концентрации С02
М. Я. Антоновский*, В. М. Бухштабер**, В. А. Пивоваров**
Настоящая работа основана на результатах предыдущей работы авторов [2], в которой показано, что изменчивость рядов концентрации СОг в окрестностях их экстремальных значений является устойчивой статистической характеристикой биотического компонента. На основе значительно большего массива данных исследуются аналогичные статистические характеристики, в которых данной станции наблюдений соответствует месяц с максимальной (минимальной) концентрацией С02 в конкретные годы. Показано, что эти статистики позволяют выделить и оценить специфику полей концентрации СО} в Северном и Южном полушариях на фоне процесса эффективного межполушарного перемешивания. А именно, в Северном полушарии месяц достижения минимальной среднемесячной концентрации СО2 есть достаточно устойчивая характеристика, а для станций Южного полушария такой устойчивости не наблюдается; месяц достижения максимальной среднемесячной концентрации СО2 не является статистически устойчивой характеристикой, эта неустойчивость чаще наблюдается в высоких широтах обоих полушарий.
Введение
Рост концентрации в приземном слое атмосферы С02 (КПСА С02) во многом обусловлен антропогенной деятельностью. В последние десятилетия более 90% выбросов С02 в атмосферу происходит в результате сжигания ископаемого топлива в Северном полушарии [12], а межполушарное перемешивание осуществляется за 1—1,5 года [И]. Основная доля выбросов СО2 приходится на широтный пояс от 30 до 55° с. Отметим, что за последние 30 лет распределение выбросов по широтным зонам мало изменилось, однако в последние годы увеличивается вклад в общие выбросы широтного пояса 35—45° с. Оценки антропогенных выбросов С02 в результате сжигания ископаемого топлива в 1960, 1970, 1980, 1990 гг. приводятся для сетки 1x1° в работе [4]. В рамках концепции "воздушной фракции" около 55% антропогенных выбросов С02 остается в атмосфере, остальные 45% захватываются океаном и растительностью суши, но пространственно-временная динамика этих стоков и механизмы захвата все еще остаются предметом научных дискуссий.
* Институт глобального климата и экологии Росгидромета и Российской академии наук.
** Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений.
В [2] мы показали, что важной характеристикой временных рядов КПСА С02 является их изменчивость в окрестностях локально максимальных и локально минимальных значений на интервалах в 1 год. Эта характеристика позволяет оценивать пространственно-временную нестационарность поля КПСА С02, связанную с динамикой растительности, В [2] проведен анализ этой характеристики на базе трех наиболее длинных временных рядов КПСА СОг со станций Северного полушария: Мауна-Лоа (сокращенное название Mio, координаты 19°32' с. ш., 155°35' з, д.), Барроу (Brw, 71° 19' с. ш„ 156°36' з. д.), Найвот Ридж (Nwr, 40°03' с. ш., 105°35' з. д.). В настоящем исследовании мы использовали эту статистическую характеристику для выявления принципиальных различий пространственно-временной динамики формирования поля КПСА ССЬ в Северном и Южном полушариях на фоне межполушарного перемешивания. Этот вопрос актуален, поскольку механизм межполушарного обмена и факторы, определяющие формирование поля КПСА С02 в каждом из полушарий, являются ключевыми в понимании глобального углеродного цикла.
Анализу пространственно-временной изменчивости КПСА СО2 в Северном и Южном полушариях посвящены многочисленные исследования, основанные на разных подходах: имитационном [7], статистическом [6] и комплексном (имитационном + статистическом) [14]. Отметим, что несмотря на существенное увеличение данных мониторинга КПСА С02 качественных изменений в моделировании глобального углеродного цикла не произошло. В последних отчетных материалах МГЭИК [ 10] этот факт зафиксирован следующим образом;
— неопределенность балансового уравнения антропогенного углеродного цикла не уменьшилась за последние годы (см. табл. 1 из [10]). Для десятилетия 1989—1998 гг. оценка необьясненного уменьшения КПСА CQ2 над сушей возросла и сейчас равняется 2,3 ±1,3 Гт С/год;
— в последнее десятилетие XX века фиксировались отклонения концентрации С02 на годичной временной шкале от значений концентрации
Таблица I
Усредненный годовой баланс антропогенного СО1 для периодов 1980—1989 гг. и 1989—1998 гг.
Компонент баланса 1980—1989 гг. 1989—1998 гг.
Выбросы СОг веледствии сжигания 5,5 ± 0,5 6,3+0,6
топлива и производства цемента
Накопление в атмосфере 3,3 ± 0,2 3,3 ± 0,2
Поглощение океаном 2,0 ± 0,8 2,3 ± 0,8
Оцениваемое поглощение сушей 0,2 ± 1,0 0,7 ± 1,0
Выбросы веледствии изменений в зем- 1,7 ±0,8 1,6 ± 0,8
лепользовании
Необьлснеиное поглощение сушей 1,9 ±1,3 2,3 ± 1,3
Примечание, Потоки и изменения резервуаров углерода выражены в Гт С /год. Поглощение С02
сушей рассчитано в виде разности выбросов С02 вследствие сжигания топлива и производства
цемента и его накопления в атмосфере и океане, а необъясненнос поглощение СОг сушей — в
виде суммы оцениваемого поглощения сушей и выбросов вследствие изменения землепользова-
ния.
согласно концепции "воздушной фракции", которая все еще используется для прогнозирования будущего парникового эффекта; не найдено надежного научного объяснения относительно низких темпов роста КПСА С02, которые наблюдались между 1991 и 1993 г, (см. дискуссию в [10]).
Исследование временных рядов концентрации С02 в атмосфере, которые содержат информацию о КПСА С02 по сезонам, основано на разложении их на следующие компоненты: тренд, сезонный цикл, остатки. В распоряжении исследователей чаще всего имеются временные ряды КПСА С02 с одним значением в месяц, реже — еженедельные данные. Отметим, что среднемесячные значения — результат первичной статистической обработки большого числа ежедневных многократных измерений. Амплитуда суточных колебаний в измеренных концентрациях С02 зависит от многих факторов, поэтому анализ поля КПСА С02 чаще всего строится на среднемесячных оценках, дисперсия которых существенно меньше.
Для анализа, как и во многих работах авторов последнего времени, использованы данные мировой сети КПСА С02 NOAA CMDL до 1996 г. [9] и данные об антропогенных выбросах С02 в атмосферу [12].
Неоднородность динамики поля КПСА С02 во времени
В [6] исследуются особенности изменения поля концентрации С02 в атмосфере на основе их усредненных годовых значений. Показано, что для разности между усредненными годовыми значениями на станциях наблюдения и соответствующим значением на станции Южный полюс (Spo, 89°59' ю. ш., 24°48' з. д.) характерен рост в течение, как минимум, последних 20 лет. Отклонение от этой тенденции отмечено авторами лишь для одной станции наблюдения из 16 исследуемых — станции на о-вах Вознесения (Ase, 7°55' ю. ш., 14°25' з. д.). Эта неоднородность статистически устойчива, так как разности среднегодовых значений КПСА С02 оценивались в [6] по достаточно длинному временному ряду (18 лет). Оценка наклона этого тренда (-0,3 Гт С/год) имеет небольшую дисперсию. Мы проанализировали данные большего числа станций в результате рассмотрения и более коротких рядов, чем в [6]. Обнаружено, что тенденция убывания разности среднегодовых значений КПСА С02 на отдельных станциях и на станции Spo обнаруживается и для других станций Южного полушария — Палмер (Psa, Антарктика, 64°55' ю. ш., 64°00' з. д.) и Сиова (Syo, Антарктика, 69°00' ю. ш., 39°35' в. д.).
Результаты анализа трендов
Усредненные тренды КПСА С02 для разных широтных поясов, выделенные методом Тьюки [2], представлены на рис. 1 (тренд для широтного пояса в г'-й год получен усреднением трендов со всех станций данного пояса).
На рис. 1 отчетливо видно, что аномалия концентрации С02 в 1992— 1993 гг. наблюдалась во всех широтных поясах, но наиболее значительным ее проявление было в высоких широтах Северного полушария и незначительным в Южном полушарии.
КПСА С02,»1*
360
3S0
3<f0
Сезонный цикл КПСА С02
Анализ сезонных циклов КПСА С02 на основе статистической обработки временных рядов из [9] и имитационного моделирования проведен в [14]. Для 19 станций мониторинга КПСА С02, имеющих ряды наблюдений более 12 лет, методами статистического анализа в [14] исследовались изменения амплитуды и формы сезонного цикла. Наш анализ сезонных циклов КПСА С02 [1] с помощью проблемно-ориентированных статистических методов [5] на тех же данных подтверждает основные результаты [14]. Анализ усредненных сезонных циклов поля концентрации С02 по данным 31 станции глобальной сети мониторинга показал значимую корреляцию (>0,95) сезонных циклов для станций, расположенных в области высоких широт как Северного, так и Южного полушарий (см. табл. 1 из [3]). Большее разнообразие формы сезонных циклов проявляется во временных рядах для широтного пояса 30—50° е., в котором, как отмечалось выше, происходит выброс большей части С02 в результате сжигания ископаемого топлива. Анализ динамики усредненных амплитуд сезонных циклов КПСА С02 за 1982—1988 гг. и 1989—1995 гг. показывает, что рост амплитуд концентрации С02 отмечается на всех широтах. В абсолютных значениях этот рост наиболее явно проявляется в высоких широтах Северного полушария. Обнаруженная нами закономерность пространственно-временной динамики сезонных циклов концентрации С02 описана в [3].
При имитационном моделировании сезонных циклов КПСА С02 в [14] использовались модель атмосферного переноса GISS [8] и модель функционирования растительности суши CASA [13]. Основными факторами, которые могут существенно влиять на сезонный цикл КПСА С02, считаются: растительность суши, антропогенные выбросы вследствии сжигания ископаемого топлива, горение биомассы и океаны. На основе этого модельного подхода рассчитываются значения концентрации С02 Ck(t) с удаленными трендами на к-к станции наблюдения в t-н месяц в виде суммы
тя да; тз ms tm mi mi tm ms
Рис. 1. Усредненные тренды концентрации СОгв атмосфере в разных широтных поясах.
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.