ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 1, с. 123-144
УДК 551.583,551.465
ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОЛОГИИ И ДИНАМИКИ РАСТИТЕЛЬНОСТИ КЛИМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СЕВЕРНОЙ ЕВРАЗИИ И АРКТИЧЕСКОГО БАССЕЙНА
© 2009 г. В. Н. Крупчатников*, В. И. Кузин**, Е. Н. Голубева**, Ю. В. Мартынова*,
Г. А. Платов**, А. И. Крытова**
*Сибирскийрегиональный научно-исследовательский гидрометеорологический институт Росгидромета
630099 Новосибисрк, ул. Советская, 30 E-mail: vkrup@ommfao1.sscc.ru **Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН 630090 Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 6 E-mail: elen@emmfao.sscc.ru Поступила в редакцию 17.06.2008 г., после доработки 22.08.2008 г.
Работа посвящена исследованию динамики климата и гидрологии поверхности Северной Евразии в условиях изменения глобального климата на основе совместных моделей общей циркуляции атмосферы и океана. Делается оценка и анализ обратных связей для некоторых параметров атмосферы и гидрологии поверхности. Исследуется роль биосферы в динамике климата XXI века, в состав которой входят приземный слой, растительный слой, почва и гидросфера. Исследуются особенности динамики морей Северной Атлантики в периоды, соответствующие различным фазам индекса Северо-Атлантических колебаний (САК).
1. введение
Принято считать, что основной причиной, определяющей изменения климата в ближайшее столетие, является увеличение концентрации парниковых газов (С02, СН4 и др.) вследствие деятельности человека, следовательно, оценка динамики изменения климата будет зависеть от динамики парниковых газов [1-5]. В то же время имеется высокая неопределенность в оценке источников и стоков этих газов, поэтому при моделировании изменений климата рассматривают несколько сценариев изменения концентрации парниковых и других газов [5].
Основное внимание в данной работе уделяется исследованию динамики климата и гидрологии поверхности Северной Евразии в условиях изменения глобального климата на основе модели климатической системы, которая относится к классу моделей промежуточной сложности [6, 7], совместной модели атмосфера-океан СМ2/СМ3 [4, 8], исследованию изменчивости океанических процессов, а также их связи с изменениями индексов атмосферной циркуляции на основе модели Северной Атланти-ки-Северного Ледовитого океана [9].
В Северной Евразии, включающей области тундры, бореальных лесов, полупустынь и пустынь, наблюдается значительное разнообразие функциональных типов растительности и климатических условий. Регион играет важную роль в обмене энергией, влагой и парниковыми газами между атмосферой, подстилающей поверхностью и гидросфе-
рой. Математическое моделирование с помощью климатических моделей показывает, что климат Северной Евразии с большой вероятностью будет подвержен существенным изменениям. Так, например, в работах [1-4] анализируются возможные изменения приземной температуры воздуха, осадков, поверхностного стока на водосборах основных рек, а также изменения характеристик состояния крио-сферы. Получены вероятностные оценки экстремальности будущего климата.
Биосфера, в состав которой входят приземный слой, растительный слой (экосистемы, биомы), почва и гидросфера, оказывает заметное влияние на климат атмосферы через механизмы обмена энергией, влагой, моментом, парниковыми газами и аэрозолем. Изменения в составе и структуре биосферы поверхности приводят к изменениям потоков указанных выше субстанций и, следовательно, к изменению климата. Можно сказать, что климат и гидрология поверхности Северной Евразии, которые формируются в значительной степени под влиянием экосистем, вносят значительный вклад в изменчивость глобального климата атмосферы благодаря механизмам обратных связей между растительностью и климатом атмосферы [10]. Аномалии, которые формируются в Евразии, имеют как локальный, так и глобальный эффект. Возможно, особенно важную роль играют аномалии глубины и протяженности снежного покрова на территории северной Евразии (благодаря размеру и
расположению этой части континента). Этот фактор влияет на низкочастотную крупномасштабную динамику атмосферы и, в частности, на Северо-Атлантические колебания (фазы САК оцениваются по индексу, который определяется как разность аномалий давления на уровне моря между Азорским максимумом и Исландским минимумом) [11-13]. Главные моды естественной низкочастотной изменчивости атмосферы, такие как САК, тесно связаны с региональными осадками и аномалиями температуры. Например, с положительным индексом САК, как правило, связаны более теплые и влажные зимы на территории Сибири. Данные наблюдений за последние три десятилетия показывают, что имеется тенденция к усилению и длительности положительных фаз САК. Данные моделирования указывают на то, что эта тенденция сохранится в XXI веке [14].
Выше отмечалась роль растительности в формировании климата и гидрологии поверхности. Например, растительность высоких широт оказывает сильное влияние на альбедо поверхности и через обратную связь альбедо, связанную с системой снег-растительность, на климат. Для Северной Евразии это означает, что вариация границы между бореальным лесом (низкое альбедо) и тундрой (высокое альбедо) могут модулировать обратные связи альбедо снега и влиять на региональный и глобальный климат [15-16].
В ряде работ по исследованию влияния парниковых газов на динамику климата делается вывод о том, что потепление в субарктическом регионе будет приводить к увеличению массы морского льда, выносимого из Арктики [17-19]. Как следствие этого в поверхностном слое океана будет происходить накопление пресной воды (частое появление больших аномалий солености) приводящее к ослаблению конвективных процессов в Северной Атлантике, ответственных за интенсивность глобальной термохалинной циркуляции. В то же время установление положительной фазы САК способствует усилению основных течений, определяющих динамику вод Северной Атлантики. Как будет меняться интенсивность термохалинной циркуляции под действием этих двух противоположных тенденций, пока не ясно - это требует специальных дополнительных исследований.
Процессы, происходящие в системе океан-лед-атмосфера в области Арктики и Северной Атлантики в последние десятилетия, являются отражением климатических изменений, изучение которых возможно с помощью совместных моделей. В данной работе исследование было ограничено изучением реакции океана на меняющееся атмосферное воздействие второй половины двадцатого столетия.
Из сказанного выше можно сделать вывод, что существуют связи между аномалиями температуры Северной Атлантики, глубины и протяженности
снежного покрова в Евразии и САК. Модели климатической системы, способные воспроизводить эти связи, позволят точнее оценить динамику климатических изменений XXI века.
Климатические модели показывают разную степень чувствительности к увеличению концентрации парниковых газов. Это объясняется различиями между моделями в воспроизведении обратных связей, которые либо усиливают, либо ослабляют первичный радиационный форсинг, вызванный ростом парниковых газов. Анализ и оценка обратных связей занимают большое место в исследованиях изменений климата [20-22], но следует признать, что согласованных оценок обратных связей среди моделей, которые используются для моделирования глобального климата будущего, пока нет. Как следствие этого степень чувствительности климатических моделей остается достаточно неопределенной.
2. метод и анализ результатов
Для сценарного моделирования климата будущего, вычисления обратных связей и статистических оценок степени взаимодействия подстилающей поверхности и атмосферы была использована модель, которая принадлежит к классу моделей климатической системы промежуточной сложности [6, 7]. Детальное описание модели изложено в работе [6]. Отличительной особенностью данной модели являются: она включает простую модель динамики растительности, которая состоит из двух функциональных типов: лес и трава, оставшаяся часть - голая поверхность; она включает модель речного стока [23].
Для моделирования динамики растительности на территории Сибири с помощью ХЬР-модели [24] использовались данные моделирования климата XXI века по модели СМ3 [4, 6].
2.1. Результаты моделирования
С помощью модели климатической системы, начиная с современного состояния климата (2000 г.), было выполнено моделирование климата XXI века до 2090 года для двух сценариев эволюции концентрации парниковых газов: контрольный (С), соответствующий современному уровню концентрации на протяжении всего периода моделирования и сценарий А2 по классификации №СС [5] (МГЭИК, http://www.ipcc.ch/).
Из анализа результатов сценарного моделирования, представленных на рисунках 1-4, следует, что среднегодовая температура поверхности, осреднен-ная по полушарию к 2100 г. по сценарию А2 увеличится по сравнению с контрольным, не более чем на 1 градус (рис. 1а). Основной вклад в увеличение средней температуры поверхности вносят зимние месяцы, для летних месяцев положительный тренд
^280.6 ^280.4 ^ 280.2 | §280.0 | о279.8
< О
н (§279.6 * 279.4 -
(а)
- Соп1го1 -А2
(б)
10 20 30 40 50 60 70 80 90 Год 1.32
(в)
10 20 30
40 50 Год
60 70 80 90
10 20 30
40 50 Год
60 70 80 90
Рис. 1. Графики эволюции средней температуры по Северному полушарию (а) и осадков: • - крупномасштабные; в - конвективные для соответствующих сценариев.
272.0
(а)
- Соп1го1 А2
10 20 30 40 50 60 70 80 90 Год
(в)
10 20 30
40 50 Год
60 70 80 90
10 20 30
40 50 Год
60 70 80 90
Рис. 2. Графики эволюции средней температуры по Северному полушарию (а) и осадков: • - крупномасштабные; в - конвективные. Зимний сезон.
незначителен, а некоторых областях Северного полушария, например в Западной Сибири, имеется небольшой отрицательный тренд. При анализе тенденции разности температуры для двух сценариев можно обратить внимание на небольшой разброс этого параметра относительно линии тренда в летние месяцы, т.е. в летний период разность растет почти линейно.
Тенденция осадков в целом имеет отрицательный знак за исключением слабой положительной
тенденции к
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.