Лёд и Снег • 2014 • № 1 (725)
Палеогляциология
УДК [551.513+551.583.7].001.572
Влияние Скандинавского ледника на климатические условия Восточно-Европейской равнины по данным численного моделирования проекта PMIP II
© 2014 г. П.А. Морозова
Институт географии РАН, Москва morozova_polina@mail.ru
Статья принята к печати 16 июня 2013 г.
Изменение уровня Каспийского моря, климат Восточно-Европейской равнины, палеоклиматология, позднеплейстоце-новый криохрон, Скандинавский ледниковый щит, численное моделирование климата, PMIP. Caspian sea level fluctuations, East-European Plain climate, LGM, numerical climate modeling, paleoclimatology, PMIP, Scandinavian ice sheet.
Рассматриваются результаты работы глобальных климатических моделей, участвующих в проекте PMIP 2 (Paleoclimate Modelling Intercomparison Project), по воспроизведению современного климата и климата последнего ледникового максимума (LGM) для территории Восточно-Европейской равнины. Приводится набор возможных критериев для оценки качества воспроизведения современного климата в этом регионе, выполнено сравнение моделей. Для климата LGM проанализированы поля температуры, осадков, рассчитан сток р. Волга без и с учётом возможного вклада талых вод Скандинавского ледника. Полученные результаты использованы для оценки уровня Каспийского моря в этот период.
Палеоклиматологические исследования играют важную роль в развитии климатического прогноза и решении задач эволюционной географии. Изучение климатов прошлого должно основываться на синтезе палегеографических реконструкций и численного моделирования. В теории климата моделирование имеет особое значение и служит основным методом, поскольку возможность натурных исследований климатического режима даже на локальном уровне, не говоря уже о глобальном, ограничена. Основные климатообразующие факторы в масштабах инструментальных наблюдений достаточно стабильны, однако для изучения реакции элементов системы необходимо их изменение, которое не раз возникало в истории Земли. Это позволяет использовать данные палеореконструк-ций при численном моделировании прошлого как в качестве начальных данных, так и для сравнения полученных результатов. С одной стороны, проверяется качество работы модели, а с другой, что немаловажно, гипотезы изменения климата, чувствительности системы и её элементов к вариациям различных параметров. По сути, данные моделирования могут служить физическим обоснованием тех или иных теорий, а также инструментом согласования палеоданных.
Проект PMIP
За последние 20 лет в рамках крупнейшей международной инициативы Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison (PCMDI) [14] реализуются проекты, основная цель которых — диагностика качества работы ведущих климатических моделей. В их число входит и проект PMIP [15], направленный на воспроизведение климатов прошлого (контрастных эпох: оптимума голоцена и позднего плейстоцена (Last Glacial Maximum (LGM)). Первая стадия проекта PMIP стартовала в 1991 г. В настоящее время практически завершена вторая стадия (PMIP II) и начата третья, однако пока не все результаты моделирования PMIP III доступны, поэтому в настоящей работе используются данные второй стадии проекта. В проекте PMIP II ставились две основные задачи: 1) изучение климатов прошлого как ключ к пониманию связей в климатической системе и, следовательно, к прогнозированию её развития в будущем; 2) независимое испытание надёжности и качества моделей общей циркуляции.
Общая схема выглядит следующим образом. Существует «базовый», или тестовый, эксперимент, в котором задаются соответствующие граничные условия. Модель интегрируется на некоторый период времени, до наступления так
8 Лёд и Снег, № 1, 2014
'«Базовый» эксперимент — тестовый и направлен на воспроизведение современного климата; 2ICE-5G — реконструкция ледяного покрова [21]; 3Levitus, 1998 - распределение температуры и солёности по данным NODC(National Oceanographic Data Center); 4параметры орбиты: e — эксцентриситет орбиты, е — угол наклона плоскости экватора к плоскости орбиты, ю — гелиоцентрическая долгота перигелия; 5парниковые газы — концентрация в воздухе, ppm (число частиц на миллион); при моделировании современного климата задаётся доиндустриальный.
Таблица 1. Граничные условия в численных экспериментах PMIP II
Граничные условия «Базовый» эксперимент1 21 тыс. л.н. (ШМ)
Растительно сть Фиксированная Такая, как в «базовом» экперименте
Ледяной покров Современный Заданы по результатам реконструкций ICE-5G2
Топография, береговая линия Современные
Первоначальное состояние океана Современное (Levitus, 19983) Данные палеореконструкций («холодный океан», [сНтар]) или современное состояние ^уйш, 19983)
Солнечная постоянная 1365 Вт/м2 1365 Вт/м2
Параметры орбиты4 е = 0,016724; £ = 23,446; м = 02,04 е = 0,018994; £ = 22,949; ш = 114,42
Парниковые газы5 СО2 - 280 ppm; СН4 - 760 ppm; CFC - 0 ppm; N2O - 270 ppm; О3 - 10 DU СО2 - 185 ррт; СН4 - 350 ррт; CFC - 0 ррт; N¡0 - 200 ррт; О3 - 10 DU
Таблица 2. Список моделей PMIP II, результаты которых анализируются в данной работе
Модель Организация, автор или страна Разрешение модели*
ECBILTCLIO Renssen, Fichefet 64 x 32
CNRM Centre National de Recherches Meteorologie, Франция 128 x 64
FGOALS Yongqiang Yu, Китай 128 x 60
HADCM Hadley centre climate model., Великобритания 96 x 73
*Число узлов широтно-долготной сетки.
называемого «стационарного» режима (т.е. климатических условий, характерных для данных граничных условий), в результате чего должны получиться поля метеорологических величин, характеризующие климат выбранного периода. Затем граничные условия меняются, в результате происходит «возмущение» климатической системы, и изучается её реакция на изменение внешних факторов. В PMIP в качестве «базового» выступает климат доиндустриальной эпохи, а в качестве «возмущённого» — климат оптимума голоцена (6 тыс. л.н.) и климат позднего плейстоцена (21 тыс. л.н.). Эти эпохи выбраны как наиболее контрастные и максимально обеспеченные данными палеореконструкций. Граничные условия для рассматриваемых в данной работе экспериментов приведены в табл. 1. Для позднего плейстоцена к определяющим факторам относятся: наличие покровного оледенения; более низкая температура океана; изменение соотношения «суша—море» в результате падения уровня Мирового океана.
В проекте PMIP II представлены так называемые «совместные» (coupled) модели «атмосфера—океан» и «атмосфера—океан—растительность». Всего в эксперименте по воспроизведению климата LGM участвовало восемь моделей, но только для четырёх были представлены все необходимые поля
для оценки режима увлажнения Восточно-Европейской равнины. В табл. 2 приведён список моделей, использованных в данном исследовании.
Климатические условия Восточно-Европейской равнины
До того, как мы приступим к анализу изменения климата Восточно-Европейской равнины в эпоху LGM, оценим качество воспроизведения моделями доиндустриального климата.
Методика оценки климатических моделей. В настоящей работе выполнена региональная оценка результатов работы моделей общей циркуляции атмосферы (МОЦА), приведённых в табл. 2, для территории, выбранной в пределах Восточно-Европейской равнины и представляющей собой прямоугольную область с границами 40—60° с.ш. и 30—60° в.д. (далее она будет называться «тестовой» областью). Оценивались температура воздуха и количество осадков путём их сопоставления с данными гидрометеостанций (ГМС), а также средний многолетний объём стока р. Волга в замыкающем створе. Классическая валидация климатических моделей предполагает оценку приземных характеристик «модель минус климат» и таких статистических характеристик, как пространственная дисперсия и корреляция. Сопоставляются также модельная и ре-
альная функции распределения метеорологических величин в конкретных точках или областях. В данном случае к «климату» относили измерения непосредственно на ГМС, осреднённые за период 1881— 1930 гг. Подобный выбор объясняется, во-первых, попыткой максимально приблизить условия наблюдений к граничным условиям модели, т.е. к доинду-стриальному климату. Во-вторых, предполагается, что за 50-летний отрезок атмосфера проходит весь спектр короткопериодических колебаний, формируя фоновые климатические значения.
Всего на Восточно-Европейской равнине расположено 17 станций с рядами наблюдений за 1881-1930 гг. (рис. 1). Данные моделирования интерполировались в точки станций. Тестовая область, площадь которой составляла около 2,8 млн км2, была разбита на три относительно однородных с точки зрения физической географии региона (см. рис. 1). Так, «регион 1» представляет собой таёжную и лесотундровую область Европейской территории России; «регион 2», в основном, состоит из смешанных и широколиственных лесов Белоруссии и Украины, лишь на крайнем юге присутствует степная зона; «регион 3» — это степи и лесостепи Поволжья и только на севере захватывается таёжная зона. Все они — достаточно большие и одинаковые по площади, что позволяло минимизировать ошибку, а также равномерно обеспечены данными наблюдений: в каждую область входило 4—6 ГМС с рядами наблюдений за 1880—1930 гг. Оценки результатов моделирования велись как в среднем по всей территории Восточно-Европейской равнины, так и по выбранным регионам. Исходя из целей данного исследования, определены пять критериев оценок. Рассмотрим их по порядку.
1. Для среднегодовой температуры воздуха естественная межгодовая изменчивость на Восточно-Европейской равнине составляет ±0,7 °С (1о), а ±1,5 °С соответствует аномальной изменчивости (2о). Поэтому считалось, что если разница между модельной и реальной среднегодовыми температурами по модулю превышает 1,5 °С, то воспроизведение температурного режима моделью неадекватно; если разница лежала в пределах 1,5 ^ 0,7 °С, то удовлетворительно; если разность была менее 0,7 °С, то воспроизведение считалось успешным [17].
2. Если разность между модельной и реальной амплитудами годового хода температуры не превышала по модулю 2 °С, то принималось, что модель адекватно воспроизводит годовой ход темпера
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.