УДК [551.524.34+551.577.34J:551.510.42(98)
Модельные оценки долгопериодных изменений
температуры и осадков в Арктике при различных сценариях возможных изменений концентрации парниковых газов и аэрозоля
А. П. Нагурный*, Е. В. Розанов**, Т. А. Егорова***, Е. Ю. Медведченко*
На основе комбинации моделей общей циркуляции атмосферы и океана и простой конвективно-радиационной модели атмосферы и океана рассчитаны региональные (Баренцево и Карское моря) изменения температуры и осадков на ¡000 лет вперед для разных нестационарных сценариев изменения концентрации СОг, СН4 и аэрозоля. При постепенном (0,5, 1, 2% в год) увеличении концентрации С02 и СН4 уже в первые 100—¡50 лет температура воздуха увеличивается зимой на 7,5—Н,0°С, летом на 1,5"С, в переходные сезоны на 5,5°С, осадки — на 0,26 и 0,07 мм/сут зимой и летом соответственно. Вклад антропогенного (сульфатного) аэрозоля значительно меньше.
Введение
Для оценки изменений климата в прошлом и прогнозирования их в будущем используют климатические модели разной степени сложности, которые различаются пространственным разрешением и детализацией учета физических процессов, составляющих климатическую систему. Лучшим способом проведения оценок региональных изменений климата, безусловно, является использование трехмерных моделей общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО). Однако затраты времени для проведения даже одного численного эксперимента в повседневной практике являются слишком большими, а необходимость расчета изменений климата для набора сценариев делает затруднительным применение МОЦАО для решения указанной задачи. Использование упрощенных и вычислительно эффективных одномерных и (или) двухмерных моделей климата, позволяющих достаточно быстро рассчитать изменение среднеглобальной или среднезональной температуры, также не может быть непосредственно применено для регионального прогноза изменения климата.
Сравнительно недавно для предварительных оценок региональных изменений климата было предложено использовать некоторую комбинацию МОЦАО и простой климатической модели климата [4, 5, 7, 8, 12—16].
* Арктический и антарктический научно-исследовательский институт.
** Физическая метеорологическая обсерватория в Давосе, Мировой радиационный центр,
Швейцария.
*** Главная геофизическая обсерватория им. А. И. Воейкова.
В рамках этого подхода МОЦАО используется для расчета равновесного состояния климатической системы для невозмущенного случая и для случая с удвоенной концентрацией углекислого газа в атмосфере. На основе сопоставления результатов этих экспериментов строится так называемая матрица отклика, которая представляет изменение температуры в каждом модельном боксе, нормализованное на среднегодовое ереднегло-бальное изменение температуры воздуха при удвоении концентрации углекислого газа относительно контрольного расчета. Далее для выбранного сценария изменения газового состава атмосферы производится расчет изменения среднеглобальной среднегодовой температуры с помощью какой-либо простой климатической модели. Окончательно региональные изменения температуры определяются путем умножения среднегодового среднеглобального изменения температуры на соответствующий элемент матрицы отклика. Безусловно, предлагаемый подход не обладает высокой степенью точности, но на сегодняшний день является практически единственным способом определения долгосрочных тенденций изменения регионального климата для широкого круга исследований. Некоторым оправданием использования подобного упрощенного подхода может служить большая неопределенность в сценариях развития деятельности человечества в будущем и, как результат, неопределенность в оценках тенденций изменения газового и аэрозольного состава атмосферы.
Для прогноза изменения средней глобальной температуры в Арктическом регионе в результате изменений концентрации парниковых газов и аэрозоля за длительный период времени в данной работе использовалась радиационно-конвективная модель (РКМ), объединенная с моделью глубокого океана с учетом диффузии и апвеллинга (АДОМ). Матрица влияния для Арктического бассейна рассчитывалась по результатам моделирования равновесного состояния климатической системы с помощью семи различных МОЦАО (ФвБ, вРОЬ, 1ЧСАК, иШС — США, ЕСНАМ-1, ЕСНАМ-2 — Германия, 1ЖМО — Великобритания).
Описание модели
В данной работе используется версия РКМ, подробно описанная в [1], Модельная атмосфера разбивается на 18 слоев, простирающихся от поверхности земли до 60 км. По высоте используется геометрическая сетка с шагом, изменяющимся от 1 км в нижней тропосфере до 5 км в верхней стратосфере. Модель состоит из блока расчета потоков и притоков солнечной и тепловой радиации, блока расчета температуры в тропосфере и стратосфере и блока расчета конвективного приспособления в тропосфере. Лежащий в основе этой модели радиационный блок был использован для исследования влияния различных естественных и антропогенных факторов на радиацию и температуру атмосферы [1, 3] и позволяет учитывать поглощение и рассеяние радиации малыми газовыми составляющими атмосферы, аэрозолем и облачностью, а также отражение от подстилающей поверхности. Модель позволяет рассчитывать среднегодовой среднегло-бальный профиль температуры в тропосфере и стратосфере и его изменения под действием разных естественных и антропогенных факторов, влияющих на радиационные свойства атмосферы. Модель включает обратную 36
связь температура — абсолютная влажность тропосферы, которая параметризуется путем фиксации относительной влажности в тропосфере, как было предложено в [10]. Прочие обратные связи в модель не включены из-за значительной неопределенности их параметризаций [2]. Чувствительность модели к удвоению СО? в стационарном варианте с подключенной обратной связью составляет около 2,6 К, что достаточно близко к оценкам, полученным с помощью большинства МОЦА.
Для расчетов на длительный срок необходимо учитывать влияние на климатическую систему тепловой инерции Мирового океана. Для этого часто используется концепция одномерного диффузного океана с учетом апвеллинга, которая состоит в том, что трехмерный океан параметризован через набор горизонтально осредненных слоев, в которых температура ме-нястся с глубиной. Океан обменивается массой и энергией через свою верхнюю границу с атмосферой, а на нижней границе снабжается холодной водой из нисходящего потока полярных вод, который компенсирует апвел-линг внутри океана и является параметризацией термохалинной циркуляции. При создании АДОМ использовалась работа [6], в которой применяется традиционное приближение [11], сочетающее в себе адвективно-диффузионную модель с постоянным термическим коэффициентом диффузии к и постоянной скоростью адвекции Уравнение эволюции температуры глубокого океана, записанное в конечно-разностной аппроксимации, имеет следующий вид:
^ л/ Г 1 л^ Г
(1)
Г+| =7" +
й. 4
к-^
\
№2
Г +7" -27"
4.1 4
- \
+ цг- Г' - 7"
Дг _ 4 У
Приведенное уравнение решалось со следующими граничными условиями;
2 = 0 :Та=Тт0);
32
Здесь Лг = 100м — шаг по вертикали; Дг =1 суш — шаг по времени; Тр (*) — температура полярных вод, Т — температура глубокого океана для 1-го слоя; Тт — температура хорошо перемешанного слоя (берется из РКМ с последнего шага по времени); Тр —температура полярных вод; = 4000л« — глубина океана; к = 2000 м/год; м-' = 4 м/год. Для учета влияния изменений глобального климата на глубокий океан в модели задается обратная связь по температуре полярных вод, предложенная в [6] в виде Тр =Тр0 + П (Тт - Тт0где П = 0,4 и Тт0 — начальная температура квазиоднородного слоя.
При численной реализации объединенной РКМ-АДОМ модели используется схема синхронного объединения моделей, при реализации которой модели интегрируются с одинаковым шагом по времени (1 сут) и после каждого шага обмениваются необходимой информацией. РКМ используется в среднегодовом режиме с неизменными значениями зенитного угла Солнца, альбедо подстилающей поверхности, параметров облачности и неизменной концентрацией атмосферного озона. Концентрация углекислого
37
Таблица 1
Элементы матрицы отклика (Д Т для температуры (К/К) и АР для осадков (мм/сут)/К)), рассчитанные для Арктического региона (Баренцево и Карское моря) для 7 МОЦАО
Элемент, сезон вш ОРОЬ НСНАМ-1 ЕСНАМ-2 ЫСАЛ икмо шис Среднее
Д Г
зима 2,560 2,390 4,230 3,060 1.960 3,240 3,220 2,950
весна 1,140 1,960 1,550
лето 0,570 0,440 1,150 0,280 0,220 0,590 0,110 0,480
осень 1,280 1,760 1,520
Д/5
зима 0,114 0,109 0,192 0,000 0,109 0,147 0,057 0,104
весна 0,057 0,096 0,077
лето 0,057 -0,109 0,192 0,139 0,109 -0,147 0,067 0,025
осень 0,114 0,017 0,066
газа, метана и оптическая толщина аэрозоля могут меняться согласно заданным сценариям. Относительная влажность в тропосфере поддерживается постоянной, что приводит к росту концентрации водяного пара в тропосфере при потеплении, обеспечивая положительную обратную связь. Использованная версия модели имеет чувствительность порядка АТЪ =ЗК, т. е. средняя годовая среднеглобальная температура при удвоении С02 увеличивается примерно на 3 К при достижении стационарного состояния. После расчета потоков радиации и конвективного приспособления с помощью РКМ рассчитывается температура верхнего квазиоднородного слоя океана (ВКС), которая передается в виде входного параметра в АДОМ (толщина ВКС принята равной 70 м), где происходит пересчет температуры полярных вод, а затем производится расчет профиля температуры океана по формуле (1).
Результаты расчетов равновесного состояния климатической системы для невозмущенного случая и для случая с удвоенной концентрацией углекислого газа в атмосфере, полученные с помощью набора МОЦАО, используются для построения так называемой матрицы отклика (табл. 1), которая представляет собой изменения температуры и осадков в каждом модельном боксе, нормализованные на среднегодовое среднее глобальное изменение температуры воздуха при удвоении углекислого газа относительно контрольного расчета, и может быть записана в виде
д = - -, (2)
I Л п
2СО, "
где А<2(л
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.