ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 3, с. 291-304
УДК 551.511
ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СУШИ ВНЕТРОПИЧЕСКИХ ШИРОТ СЕВЕРНОГО ПОЛУШАРИЯ В XXI ВЕКЕ: ОЦЕНКИ НА ОСНОВЕ КЛИМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИФА РАН
© 2009 г. А. В. Елисеев, М. М. Аржанов, П. Ф. Демченко, И. И. Мохов
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: eliseev@ifaran.ru Поступила в редакцию 28.03.2008 г., после доработки 25.06.2008 г.
Проведены оценки будущих изменений климата внетропических регионов суши Северного полушария с помощью климатической модели промежуточной сложности КМ ИФА РАН (включающей в себя детальную схему термо- и гидрофизических процессов почвы) при задании парникового и сульфатного антропогенного воздействия по данным наблюдений для XIX-XX веков и по сценариям SRES B1, A1B и A2 для XXI века. Получено, что среднегодовое потепление поверхности почвы вне тропиков достигает 2-5 К (3-10 K) в зависимости от сценария антропогенного воздействия к середине (концу) XXI века относительно 1961-1990 гг. с большими значениями в Северной Америке, чем в Евразии. Потепление зимой сильнее, чем летом, что выражается в уменьшении амплитуды годовой гармоники температуры поверхности почвы на 1-4 K (и больше) в средних и высоких широтах Евразии и Северной Америки. Общая площадь распространения многолетнемерзлых грунтов Бр в КМ ИФА РАН мало меняется вплоть до конца XX века, составляя около 21 млн. км2, а затем сокращается до 11-12 млн. км2 в 20362065 гг. и до 4-8 млн. км2 в 2071-2100 гг. В конце XXI века вечная мерзлота остается только в Тибете и в центральной и восточной Сибири. В указанных регионах глубины сезонного протаивания при этом превышают 1 м (2 м) при сценарии SRES B1 (A1B или A2). Суммарная площадь суши, где отмечается сезонное протаивание или промерзание, уменьшается от современного значения 54-55 млн. км2 до 3842 млн. км2 в конце XXI века. Площадь снежного покрова Северного полушария в феврале также сокращается от современного значения 45-49 млн. км2 до 31-37 млн. км2. Для бассейнов крупнейших рек вне-тропических широт Северного полушария отмечается рост стока в центральной и восточной Сибири. На европейской части России и в южной Европе речной сток уменьшается. Для западной Сибири (водосбор Оби) сток растет при сценариях SRES A1B и A2 вплоть до 2050-2070-х гг., а затем уменьшается до значений, близких к современным; при сценарии антропогенного воздействия SRES B1 рост стока продолжается вплоть до конца XXI века. Общий сток рек Евразии в Северный Ледовитый океан в КМ ИФА РАН в XXI веке возрастает на 8-9% в зависимости от сценария. Сток рек Северной Америки в Северный ледовитый океан существенно не меняется на протяжении численного экспериментов с КМ ИФА РАН.
1. ВВЕДЕНИЕ
Изменения приповерхностной температуры, происходившие в XX веке, были наиболее заметны над сушей средних и субполярных широт [1]. Это же характерно и для ожидаемых в XXI веке климатических изменений [1]. Потепление суши высоких широт, в свою очередь, может привести к деградации и сокращению площади распространения вечной мерзлоты (ВМ) [1-9] с существенными изменениями природной среды [7, 10, 11] и значительными экономическими последствиями [7].
Уже по данным для второй половины XX века отмечается потепление верхних слоев многолетне-мерзлых пород [1, 6, 12, 13] с увеличением глубины сезонного протаивания [1, 6, 14]. На основе воздушно-мерзлотных индексов было получено, что площадь максимального сезонного распространения
мерзлой почвы также заметно сократилась в XX веке [1, 15]. Кроме того, были выявлены тренды сокращения площади снежного покрова в различные сезоны [1, 16, 17] при возможном увеличении водного эквивалента снега в отдельных регионах (из-за увеличения зимних осадков) [18]. В свою очередь, рост годовых сумм осадков на водосборах северных рек привел к росту речного стока в Северный Ледовитый океан [1, 8, 9, 19-24] с соответствующими изменениями солености Арктики и условий образования льда в ней [1].
В связи с этим в последнее время начинают предприниматься попытки оценить будущие изменения состояния атмосферы и почвы высоких широт при реалистичных сценариях антропогенного воздействия с использованием глобальных численных климатических моделей, включающих деталь-
ные схемы расчета термических и гидрологических характеристик почвы [25, 26].
В Институте физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (ИФА РАН) разработана детальная, но относительно вычислительно дешевая схема термо- и гидрофизических процессов в почве [27, 28] и включена в климатическую модель промежуточной сложности ИФА РАН (КМ ИФА РАН) [29]. В настоящей работе приводятся результаты оценок изменения климата суши высоких широт (включая как характеристики атмосферы, так и почвы), выполненные с КМ ИФА РАН при возможных будущих сценариях антропогенного воздействия в XXI веке.
2. ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ И ЧИСЛЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
В данной работе использовалась версия КМ ИФА РАН, описанная в [29]. С моделью были проведены численные эксперименты для 1860-2100 гг. В этих экспериментах для 1860-2000 гг. были заданы эмиссии углекислого газа за счет сжигания топлива и промышленной деятельности по данным [30] и за счет землепользования - по данным [31]. Для последующего периода 2001-2100 гг. оба этих типа эмиссий задавались для сценариев SRES A1B, A2, B1 [32]. Концентрация углекислого газа в атмосфере по этим эмиссиям рассчитывалась интерактивно с использованием блока углеродного цикла КМ ИФА РАН. Концентрации метана и закиси азота для первого периода были заданы в соответствии с данными ледникового бурения в Гренландии [33]. Для XXI века изменения концентраций CH4 и N2O были заданы согласно расчетам с моделью BernCC при тех же сценариях эмиссий [32]. Изменение полного содержания антропогенных сульфатных аэрозолей в столбе атмосферы для всего периода было задано по результатам расчетов с моделью химии и переноса примесей в атмосфере MOZART 2.0 [34]. Внутригодовые изменения перечисленных радиационно-активных компонент атмосферы не учитывались. Начальным условием для всех численных экспериментов служило равновесное доиндустриальное состояние модели.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ 3.1. Температура почвы
Изменение приповерхностой температуры атмосферы в среднем за год и в различные сезоны в КМ ИФА РАН, в том числе над сушей высоких широт, подробно анализировалось в [35]. Общий рост глобальной температуры к концу XXI века в численных экспериментах относительно конца XX века составляет 1.5 К при сценарии В1, 2.2 К - при
сценарии А1В и 2.8 К - при сценарии А2. Суммарное потепление поверхности суши в среднем за год за указанный период отличается от приповерхностного потепления атмосферы не более чем на несколько десятых долей градуса. В середине XXI века среднегодовое потепление поверхности суши при наиболее агрессивном сценарии воздействия 8ИБ8 А2 максимально над сушей высоких широт Евразии (3-5 К) и Северной Америки (4-5 К) (рис. 1а). При менее агрессивных сценариях антропогенного воздействия пространственная структура отклика температуры почвы Т сохраняется, но абсолютные величины уменьшаются. Так, при сценарии 8ИБ8 В1 к середине XXI века среднегодовое потепление над сушей достигает 2-3 К в Евразии и 3-5 К в Северной Америке.
К концу XXI века при наименнее агрессивном сценарии антропогенного воздействия 8ИБ8 В1 рост Т достигает 3-5 К в Евразии и 4-7 К в Северной Америке (рис. 16). При наиболее агрессивном сценарии воздействия 8КБ8 А2 среднегодовое потепление поверхности почвы к 2100 г. в Евразии составляет 5-8 К, а в Северной Америке - 4-10 К (рис. 1в).
Во всех случаях потепление зимой сильнее, чем летом. Это приводит к преобладающему уменьшению амплитуды годовой гармоники температуры поверхности почвы Т, 1 (рис. 2). Для середины XXI века уменьшение этой переменной в КМ ИФА РАН слабо зависит от сценария антропогенного воздействия и составляет 1-2 К в средних и высоких широтах Евразии (с максимальным уменьшением на >4 К около 55° К), 0.5-2 К в средних широтах Северной Америки и на Аляске и превышает 4 К на северо-западе Северной Америки. К концу XXI века при наиболее агрессивном сценарии воздействия 8ИБ8 А2 уменьшение Т, 1 составляет 2-4 К в приарктическом и центральном регионе Евразии и в большей части Северной Америки. При менее агрессивных сценариях 8ИБ8 А1В и 8ИБ8 В1 значения амплитуды годовой гармоники в конце XXI века лишь немного отличаются от полученных для середины этого столетия.
Тенденция преобладающего потепления зимой по сравнению с летом для приповерхностной температуры атмосферы выявляется по данным наблюдений уже для второй половины XX века [32, 3639]. Она в целом воспроизводится климатическими моделями различного класса при реалистичных и идеализированных сценариях антропогенного воздействия на климат [32, 38-40].
90N 80N 70N 60N 50N 40N 30N 20N
(a)
0
60E
120E
90N 80N 70N 60N 50N 40N 30N 20N
180
(б)
120W
60W
0
60E
120E
90N 80N 70N 60N 50N 40N 30N 20N
180
(в)
120W
60W
0
60E
120E
180
120W
60W
Рис. 1. Изменение среднегодовой температуры поверхности почвы (снега при наличии последнего) внетропической суши Северного полушария (в кельвинах) в КМ ИФА РАН для 2036-2065 гг. относительно 1961-1990 гг. при сценарии SRES A2 (а), а также для 2071-2100 гг. относительно 1961-1990 гг. при сценариях SRES B1 и A2 (б) и (в) соответственно).
0
0
0
4
5
7
90N 80N 70N 60N 50N 40N 30N 20N
0
60E
120E
180
120W
60W
-4 -2 -1 -0.5 0
Рис. 2. Изменение амплитуды годовой гармоники температуры поверхности почвы (снега при наличии последнего) внетропической суши Северного полушария (в кельвинах) в КМ ИФА РАН при сценарии А1В для 2036-2065 гг. относительно 1961-1990 гг.
0
3.2. Характеристики сезонного промерзания/протаивания грунта
Для XIX-XX веков характерные глубины сезонного протаивания в КМ ИФА РАН не превышают
2 м в восточной и западной Сибири, на Тибете и в Северной Америке и 3 м - в центральной Сибири (рис. 3а). Эти величины в целом близки к равновесным доиндустриальным значениям, полученным с
90К 80К 70К 60К 50К 40К 30К 20К
90К 8
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.