ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 3, с. 324-331
УДК 551.52
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОТЕНЦИАЛА ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ
© 2008 г. А. С. Гинзбург1, С. В. Романов2, Б. А. Фомин2
1Институт физики атмосферы им. А.М.Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3. E-mail: gin@ifaran.ru 2Российский научный центр "Курчатовский Институт"
123182 Москва, пл. Курчатова, 1 Поступила в редакцию 24.08.2007 г., после доработки 27.11.2007 г.
Предлагается комплексный подход к построению равновесного потенциала глобального потепления (РПГП) с использованием радиационно-конвективной модели климата (РКМ) и полинейных расчетов характеристик радиационного переноса в атмосфере на основе анализа и сравнения различных методов оценки эмиссионных метрик. Работы последнего десятилетия показали, что широко используемый метод расчета потенциала глобального потепления (ПГП) для метана и других малых парниковых газов
применим только для относительно малых временные х горизонтов (в пределах 100 лет). Предлагаемый равновесный потенциал глобального потепления позволяет рассматривать набор равновесных состояний климатической системы Земли при изменении содержания парниковых газов в атмосфере и оценивать параметры реакции системы на такие изменения для произвольных интервалов времени. Анализ набора различных равновесных состояний позволяет оценить относительный вклад различных антропогенных примесей в радиационный баланс и, как следствие, в изменение климатического режима Земли.
1. ВВЕДЕНИЕ. ЭМИССИОННЫЕ МЕТРИКИ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ
В Четвертом оценочном докладе [1], как и в предыдущих докладах Международной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), отмечается необходимость построения простых и доступных экономистам метрик климатических потенциалов выбросов различных парниковых газов (ПГ).
В [1] впервые в докладах МГЭИК в качестве метрик эмиссии различных ПГ наряду с широко используемым и не менее широко критикуемым потенциалом глобального потепления (ПГП) предлагаются также различные модификации ПГП и новый подход в виде построения Глобального температурного потенциала (ГТП).
ПГП и другие эмиссионные метрики являются инструментом, который используется для осуществления экономически эффективных мер снижения негативных последствий изменений климата. Эти метрики позволяют странам и отраслям народного хозяйства выполнять свои обязательства в рамках Рамочной конвенции ООН по изменению климата (РКИК) и Киотского протокола путем замены снижения выбросов одного ПГ снижением выбросов другого [1].
Общее определение эмиссионной метрики г-го парникового газа - АМг, разработанной климато-
логами для экономистов и политиков, дано, например, в [2]:
АМ,- = I (ДС( г+0( г)) -I (А Сг (г))] я (г) йг, (1)
где 1(ДС()) - импакт-функция, описывающая воздействие (народнохозяйственные выгоды или потери) климатических изменений (АС) в момент г, я(г) -временная весовая функция, например, я(г) = е-й, придающая больше веса краткосрочным изменениям. Индекс г относится к базовому сценарию выбросов парниковых газов.
Для залповых выбросов двух ПГ с индексами г и ] абсолютные значения метрик АМ^ и АМ^ могут быть использованы для количественного сравнения температурных эффектов этих газов за рассматриваемый период времени.
Существует ряд проблем, связанных с этим общим определением эмиссионной метрики, отмеченных в [3] и ряде других работ последних лет. Главной из них является адекватное определение импакт-функции. Хотя в последние годы было множество попыток описания этой функции, до сих пор широко используется ПГП, разработанный в [4] и основанный на проинтегрированном по времени глобально осредненном радиационном форсинге выброса одного кг г-го парникового газа по отношению к аналогичному выбросу 1 кг С02. Радиационный форсинг № в докладах МГЭИК определяется как
изменение радиационного баланса (сумма эффективных потоков солнечного и теплового излучения) на уровне тропопаузы, вызванное изменением концентрации того или иного парникового газа в тропосфере.
В [1] стандартный ПГП определяется так
мосферу газа г и соответствующим значением для базового газа г.
ПГП; = -
.тн тн
I ЯЕ1( г)йг I а[ Сг( г)] йг Ь) •'п
¡тн ¡тн
I ЯЕг( г)йг I аг[ Сг( г)] йг
пп
(2)
ГТП™ =
АТ
тн
АТ
тн'
(3)
где АТтн - глобально осредненное изменение приземной температуры после н лет от момента выброса газа г. Заметим, что в отличие от ПГП, представляющего собой интегральный показатель по ТН (т.е. вклад ЯЕ в начальный момент и в конце временного горизонта одинаково важен), ГТП использует изменение температуры в момент времени Н (т.е. ЯЕ в момент близкий к Н вносит более весомый вклад). Глобальный температурный потенциал по существу является одним из вариантов равновесного потенциала глобального потепления, рассматриваемого ниже в п. 4.
В метрике ГТП используются те же параметры, что и для ПГП (радиационная эффективность и время жизни), а также требуется знать время отклика климатической системы, особенно, когда время жизни г-го ПГ сильно отличается от времени жизни базового газа. При учете времени отклика климатической системы значения ГТП для залповых выбросов ПГ с временем жизни меньшим, чем у базового газа, будут меньше, чем соответствующие значения ПГП. Как указано в [11], значения ГТП для постоянных выбросов близки к значениям ПГП для залповых выбросов.
Обзор [1] и ряда других публикаций последних лет наглядно показывает, что проблема построения простых и наглядных метрик климатических потенциалов выбросов различных парниковых газов еще далека от окончательного разрешения.
Кроме подробно обсуждаемых авторами МГЭИК и описанных выше вопросов определения эмиссионных метрик, существует также проблема выбора климатических моделей для расчета температурного отклика на единичный выброс парникового газа с заданной импакт-функцией.
В [1], так же как во втором и третьем докладах МГЭИК, для этого используется простейшее линейное соотношение между радиационным форсингом единичного выброса парникового газа и изменением средней глобальной температуры
А Г=ХАЯГ, (4)
где радиационный форсинг определяется изменением баланса приходящего и уходящего излучения на уровне тропопаузы.
Для оценки глобального потепления по (4) естественно предполагается, что изменение глобально осредненной приземной температуры линейно зависит от форсинга и что форсинг аддитивен, что позволяет складывать эффекты от различных причин его вызывающих и сравнивать их между собой.
где Тн - временной горизонт, ЯЕг - глобально осред-ненный радиационный форсинг г-го ПГ, аг - ЯЕ, вызванный выбросом в атмосферу единичной массы г-го ПГ (радиационная эффективность), С (г) - им-пакт-функция г-го ПГ в атмосфере, в знаменателе соответствующие величины для базового г-го ПГ. Числитель и знаменатель в (2) называются абсолютными ПГП (АПГП) газов г и г соответственно.
При расчетах ПГП в качестве базового ПГ используется С02, т.е. в знаменателе (2) под интегралом стоят соответствующие значения для углекислого газа. Таким образом, потенциальный вклад парниковых газов в изменение климата рассчитывается в эквиваленте вклада СО2.
При расчете стандартного ПГП в докладах МГЭИК вводятся следующие упрощения:
- рассматривается залповый выброс 1 кг ПГ,
- полагается, что g(г) = 1 до момента времени ТН, а затем g(t) = 0,
- импакт-функция /(АС) полагается равной глобально осредненному радиационному форсингу - ЯЕ,
- реакция климатической системы инвариантна относительно причины, вызвавшей данную величину ЯЕ,
- оцениваются потенциальные вклады ПГ относительно их современной концентрации (т.е. полагается, что /(АСг(г)) = 0).
Очень подробно проблемы соотношения ПГП, АПГП и других индексов вклада различных парниковых газов в глобальное потепление обсуждаются в работах И.Л. Кароля и соавторов [5, 6], а также, например, в статьях [7-10]. Впрочем, пока нет общего мнения, какую импакт-функцию и временные весовые функции следует использовать, довольно трудно объективно оценить последствия перечисленных упрощений [3, 7].
В [1] описывается также новый тип относительной эмиссионной метрики - Глобальный температурный потенциал (ГТП), предложенный в [11]. ГТП определяется как отношение между глобально осредненным изменением приземной температуры для данного временного горизонта (ТН), вызванным (залповым или постоянным) выбросом в ат-
Наиболее наглядным климатическим показателем вклада антропогенных газов в глобальное потепление, безусловно, является изменение средней приземной температуры АТ и метрики типа ГТП. Однако предпочтение отдается радиационному форсингу, так как его расчет много проще и содержит меньше неопределенностей по сравнению с получением величины АТ.
Подход к оценке парникового эффекта на основе радиационного форсинга и соотношения (4) соответствует энергобалансовой модели М.И. Будыко. Понятно желание авторов МГЭИК избежать использования полных численных моделей теории климата при создании доступного экономистам и политикам метода сравнения температурного эффекта различных парниковых газов. Однако такой упрощенный подход к климатическому моделированию не дает возможности учитывать различия, например, в вертикальных профилях парниковых газов, а также основные нелинейные эффекты радиационных и климатических процессов.
2. РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНЫЕ МОДЕЛИ КЛИМАТА
В иерархии климатических моделей радиацион-но-конвективные модели (РКМ) занимают промежуточное место между простейшими энергобалансовыми моделями и моделями общей циркуляции атмосферы и океана. Период расцвета и широкого использования РКМ пришелся на 196080-е годы - время создания гидродинамических моделей общей циркуляции атмосферы и океана. Благодаря относительной простоте РКМ, они могут использовать самые современные численные методы расчета потоков солнечной и тепловой радиации.
В начале XXI века - эпоху стремительного развития численного моделирования климатических процессов - снова растет интерес к простым и понятным моделям климата типа РКМ. Ярким примером такого интереса могут служить недавние работы [12-15]
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.