научная статья по теме КЛИМАТИЧЕСКИЕ ТРЕНДЫ И МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕГУЛИРУЮЩЕЙ РОЛИ БИОСФЕРЫ География

Текст научной статьи на тему «КЛИМАТИЧЕСКИЕ ТРЕНДЫ И МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕГУЛИРУЮЩЕЙ РОЛИ БИОСФЕРЫ»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ, 2009, № 2, с. 52-56

ПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ ^^^^^^^^^^ И ДИНАМИКА ГЕОСИСТЕМ

УДК 551.50

климатические тренды и моделирование

регулирующей роли биосферы1

© 2009 г. К. Ш. Хайруллин*, Ю. А. Пичугин**, М. 3. Образцова*

*Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова, С-Петербург **Государственный университет аэрокосмического приборостроения, С-Петербург

Поступила в редакцию 11.01.2008 г.

В работе рассматривается климат Земли в различных временных и пространственных масштабах, оценивается репрезентативность наземных наблюдений применительно к глобальным изменениям климата. По результатам мезоклиматических исследований оценены масштабы влияния урбанизации на повышение приземной температуры воздуха, которая сопоставлена со спутниковой информацией о загрязнении снега и наземными определениями рН. На основании численных экспериментов с совмещенной моделью углеродного цикла и глобально осредненного климата с использованием различных сценариев антропогенной нагрузки на атмосферу даны прогнозы до 2300 г. термического режима Земли, как в условиях подавления биосферы, так и в условиях ее стимуляции.

Масштабная классификация климатов. Глобальный климат Земли охватывает пространства 40 х 103 км по горизонтали и 103 км по вертикали. Его формирует планетарный вихрь, период стабильного существования которого измеряется десятилетиями и столетиями. Стандартные наблюдения, осуществляемые на метеостанциях на высоте 2 м, в лучшем случае характеризуют метеоусловия на расстоянии десятков километров по горизонтали и сотен метров по вертикали. Примерами проявлений метеорологических факторов мезоклимата является бризовая или феновая циркуляция, городской остров тепла, короткие неустойчивые волны, период стабильного существования которых измеряется часами и сутками. Одним из авторов [15] составлена масштабная классификация климатов (табл. 1), где рассматриваются типы климата, охватываемый ими географический ареал с оценками горизонтальной и вертикальной протяженности, а также временные периоды стабильного существования конкретного метеорологического процесса. Выделенная классификация характеризуется фрактальной структурой и при переходе из одного масштаба в другой можно получить другие качественные и количественные характеристики. Очевидно, что наблюдения в мезомасштабе не позволяют адекватно распространить их на глобальные изменения температуры воздуха. Автором [15] получена эмпирическая связь вертикальной (Н в м) и горизонтальной (I) протяженности типов климата различного масштаба (в км):

^ Н = 0.61п I.

1 Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект < 06-05-

61191).

При оценке глобального потепления существенным является вычленение вклада урбанизации и масштабы его влияния на термический режим. Под научно-методическим руководством ГГО в Гидрометслужбе СССР была выполнена работа по описанию климата больших городов. В процессе выполнения этой работы проводились микроклиматические съемки в городах и окрестностях в различные сезоны, которые позволили количественно оценить различия в температуре воздуха в системе "город-пригород" [6, 14, 16]. Показано, что большие мегаполисы - Москва, Ленинград, Новосибирск - "отепляют" атмосферу городов на 0.6-1°С по сравнению с пригородом. В отдельные зимние дни в условиях антициклональной погоды различия "город-пригород" могут составлять 8-10°С (город теплее). Урбанизация вносит значительный вклад в повторяемость опасных явлений, таких как грозы, град, туманы и т.п. Число дней с туманом в городах снижается на 20-30% по сравнению с пригородом за счет повышения температуры, увеличивается число дней с градом и грозой на 15% и 10% соответственно, по сравнению с фоном [14, 17, 18, 19].

На территории России вклад урбанизации в потепление составляет как минимум 0.3°С. Существующая сеть метеорологических станций России не позволяет дать полную пространственную оценку влияния городов на климат. В связи с этим нами были сопоставлены данные наземных и спутниковых наблюдений.

В Государственном гидрологическом институте по заказу МЧС РФ были исследованы зоны хронического загрязнения городских поселений и дорог в России [13]. При картировании использовались наземные данные о загрязнении снежного покрова

Таблица 1. Масштабная классификация климатов

Тип климата Географиче- Протяженность (км) Метеорологическая ха- Период стабильного существова-

ский ареал Горизонтальная Вертикальная рактеристика (пример) ния метеорологического процесса

Глобальный Земля 40 х 103 1 х 103 Планетарный вихрь. Фронт тропической конвергенции Десятилетия

Континентов и океанов Континент -океан 4 х 103-10 х 103 5 х10-102 Континентальная и морская воздушная масса. Длинные устойчивые волны Годы

Макроклимат Ландшафтная страна 1 х 10 3-4 х 103 10-5 х10 Центры действия атмосферы. Фронты (арктический, умеренных широт, полярный) Сезон

Провинции Провинция 10-1 х 103-103 1-10 Циклоны. Антициклоны. Фронты (холодные, теплые). Короткие устойчивые волны Сутки

Мезоклимат Район, урочище 10-2 х 103-10-1 х 103 0.2-1 Бриз. Фен. Городской остров тепла. Короткие неустойчивые волны Сутки. Часы

Топоклимат Часть района 10-3 х 103-10-2 х 103 10-2-0.2 Слой обращения Часы

Микроклимат Фация 10-5 х 103-10-3 х 103 10-4-10-2 Озера холода. Радиационный режим склонов. Ветер в застройке Часы. Минуты

Наноклимат Медальон, нанорельеф 10-7 х 103-10-5 х 103 10-6-10-4 Уровень шероховатости Минуты. Секунды

Пикоклимат Тип почвы 10-9 х 103-10-7 х 103 Поверхность почвы Теплопроводность почвы Часы. Минуты

по рН (водородный показатель в снеговых водах) и данные космических съемок по альбедо подстилающей поверхности на конец зимы. С помощью корреляционного анализа удалось установить зоны 2-кратного и 10-кратного загрязнения по сравнению с фоном. Эта уникальная работа была выполнена для всех субъектов РФ. Сравнение ареалов 10-кратного загрязнения и площадей мезоклима-тического влияния городов, полученных по данным мезоклиматических съемок, показало их пространственное совпадение, что позволило оценить протяженность влияния городов на мезоклимат.

В табл. 2 указаны площадные характеристики примеров антропогенных воздействий на территории РФ. Площадь мезоклиматического влияния получена по данным имеющихся метеостанций и

Таблица 2. Площадные (тыс. км2) характеристики влияния урбанизации на загрязнение (по рН) и повышение температуры воздуха. (Площадь РФ 17075.4 тыс. км2)

Площадь загрязнения Площадь мезокли-матическо-го влияния городов

Регион 10-кратного 2-кратного (с учетом дорог)

Москва 1.05 7.0 1.6

Санкт-Петербург 0.90 5.0 1.2

Якутск 0.15 0.6 0.2

Ачинск 0.45 1.3 0.8

Россия (площадь %) 1.2% 4.3% 2.1%

^*(Гт/год) 60 50 40 30 20 10 0

2000 2050 2100

^2*(Гт/год) 10

8

6

4

2

2000 2050 2100 2150 2200 2250

2150 2200 2250

1 2 3 - 4

5

6

7

8

2300 Годы

2300 Годы

Рис. 1. Сценарии интенсивности антропогенной нагрузки а - на атмосферу (N * ), б - на биосферу (И* ).

результатам съемок, из которых получены термические различия "город-пригород".

В работах [10, 11] при исследовании климата Земли за прошедшие 400 тыс. лет рассмотрены тенденции изменения климата. В основу положены уникальные данные, полученные при бурении сверхглубокой скважины (свыше 3600 м) в Антарктиде. Оказалось, что содержание в керне углекислого газа и метана коррелирует с ходом глобальной температуры, т.е. она растет вместе с возрастанием концентрации этих газов в атмосфере. Сами по себе эти данные не объясняют нам, что здесь является причиной, а что следствием. Автор предполагает, что чем теплее становится океан, тем интенсивней идут в нем биологические процессы и тем больше СО2 выделяется в атмосферу.

Общепринятое повышение глобальной температуры на 0.6°С за предшествующее столетие не является равномерно распределенным по территории Земного шара. Так например, в Африке и в полярных районах положительный тренд температуры значительно меньше, чем на территории Европы. Такие различия, скорее всего, объясняются использованием данных густой сети длиннорядных метеостанций в развитых странах, где уровень урбанизации, вместе с дорогами, достигает 70-75%, а эти станции находятся в городской черте и повышение температуры воздуха за последнее столетие связано с ростом городов и их промышленного потенциала.

Моделирование регулирующей роли биосферы. Гипотеза о регулирующей роли биосферы в формировании климата принадлежит В.И. Вернадскому [7]. Развивая идеи Вернадского, Е.П. Бо-рисенков [1] предложил оценить регулирующую роль биосферы в изменении климата на основе численных экспериментов. Была разработана совмещенная модель [2] углеродного цикла и глобально осредненного климата. В основу этой модели положена зависимость притока тепла от относительного прироста количества антропогенного углерода в атмосферу [9]. Подробное описание модели дано в работах [2, 3]. Для реализации проекта эта модель была модернизирована: в уравнения части модели, отвечающей за углеродный цикл, добавлены члены, описывающие речной вынос в океан соответствующей доли углерода, содержащегося в биосфере (растворенного и в виде частиц); уточнен климатический тренд глобального повышения температуры на 0.3°С/100 лет и численные эксперименты по отладке модели проведены с учетом уточненного тренда.

Интенсивность антропогенных выбросов углерода в атмосферу (N * ) представлена на рис. 1а, где сценарии 1-7 взяты из третьего доклада ВМО-ЮНЕП [8], а сценарий 8 рассчитан по работе [12], в которой рассматривались сценарии до 2100 г.; авторы же экстраполировали сценарий до 2300 г. с учетом естественного ограничения, определяемого оценкой количества разведанных запасов углеродного топлива (-6000 Гт). На рис. 16 представлен наиболее интенсивный и наиболее продолжительный по времени действия сценарий антропогенной нагрузки на биосферу из общей серии сценариев, которые использованы в настоящей работе и которые ранее использовались в работах [2-5]. Величина интенсивности нагрузки на биосферу (N * ), входя с отрицательным знаком в соответствующее биосферному блоку уравнение модели, интерпретируется как сжиг

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.

Показать целиком