КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2008, том 46, № 4, с. 363-367
УДК 551.521.13, 551.581.1, 551.583.14
МОДЕЛЬНЫЕ ОЦЕНКИ ВОЗМОЖНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ В XXI ВЕКЕ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СЦЕНАРИЯХ СОЛНЕЧНОЙ И ВУЛКАНИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ И АНТРОПОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
© 2008 г. И. И. Мохов, В. А. Безверхний, А. В. Елисеев, А. А. Карпенко
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, г. Москва
mokhov@ ifaran. ru Поступила в редакцию 08.10.2007 г.
Сделаны оценки изменений климата в XXI веке при различных сценариях изменений солнечной и вулканической активности и антропогенных воздействий с использованием ансамблевых расчетов с помощью трехмерной климатической модели с учетом углеродного цикла, разработанной в Институте физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН. Для возможных изменений в XXI веке потока солнечного излучения проведен анализ ансамбля сценариев с использованием разных методов экстраполяции данных для 1610-2000 гг. Наряду с этим использовались различные сценарии вулканической активности для XXI века. Результаты проведенных расчетов свидетельствуют о сравнительно малой роли вариаций солнечной активности в изменениях глобальной среднегодовой приповерхностной температуры в XXI веке по сравнению с ожидаемыми антропогенными воздействиями. Модельные изменения глобальной приповерхностной температуры в XXI веке и с учетом возможных вариаций солнечного излучения и вулканической активности характеризуются общим ростом, определяемым главным образом антропогенными SRES-сценариями.
PACS: 92.70.Qr, 96.60.Ub, 92.60.Ry
Оценки возможных в будущем климатических изменений зависят от результатов анализа сравнительного влияния естественных и антропогенных факторов на климат. К числу важнейших причин естественных изменений климата, в частности изменений глобальной приповерхностной температуры (ГПТ), относятся вариации солнечной и вулканической активности.
Цель данной работы - оценить изменения климата в XXI веке при различных сценариях изменений солнечной и вулканической активности и антропогенных воздействий с использованием ансамблевых численных экспериментов с глобальной климатической моделью (КМ). Для этого анализировались результаты серии численных экспериментов с КМ ИФА РАН с учетом углеродного цикла [1-5] при различных сценариях антропогенных и естественных воздействий для XXI века. В том числе использовались сценарии 8КБ8 (В1, А1В, А2) для антропогенных эмиссий в атмосферу парниковых газов и аэрозоля в XXI веке. Изменения антропогенных эмиссий до XXI века задавались на основе данных наблюдений. Для определения воздействия на климатическую систему солнечной активности использовались данные реконструкций вариаций солнечной постоянной [6] до XXI века при различных экс-траполяциях для XXI века (см. [2]). Эффекты влияния вулканической активности определялись с использованием зональных данных для оптической
толщины тш - среднегодовые данные [14] для периода 1610-1889 гг. и среднемесячных данных [10] для периода 1890-2000 гг. Вулканический радиационный форсинг рассчитывался в модели в зависимости от оптической толщины
F = С Т
1 VI! ^
аналогично [11, 13] (см. также [15]). Для изменений вулканического аэрозольного форсинга в различных широтных зонах в XXI веке использовались различные экстраполяции.
В число использовавшихся сценариев для XXI века включены сценарии без вулканических извержений в XXI веке и с регулярно повторяющимися извержениями типа сильнейшего извержения XX века - вулкана Пинатубо в 1991 г. Рассматривались сценарии с такими извержениями через 7, 10, 20 и 50 лет. Период А? = 7 лет между извержениями в первом варианте (экстремально высокой вулканической активности) соответствует характерному времени удаления аэрозольных продуктов извержения Пинатубо по данным [10]. Близкий сценарий с А? = 6 лет использовался в [12]. Кроме того, рассматривались сценарии с экстраполяцией на XXI век вулканического радиационного форсинга, представленного в виде пространственного разложения по полиномам Лежандра, а также с повторением в XXI веке вулканической активно-
364
МОХОВ и др.
I, Вт/м2
1363.0
1600
1700
1800
1900
2000
2100 Годы
Рис. 1. Вариации солнечного излучения I (Вт/м2) по данным [6] для 1610-2000 гг. и экстраполяции (штриховые линии) для первой и второй половины XX в. (тестовые), а также для XXI в. АР-методом при р = 50.
сти XX века - сначала второй половины, а потом первой.
Для изменений потока солнечной радиации I использовались (см. [2]) разные варианты экстрапо-ляций для XXI века с использованием параметрического моделирования методом Берга [7] с помощью авторегрессионной (АР) модели вида
x + X
ükX;
= £, i = 1, ..., N.
(1)
k = 1
В первом варианте (I) для ряда хп вычислялись коэффициенты ак таким образом, чтобы выполнялось условие максимальной энтропии остаточного ряда 8г-. Для анализа диапазона неопределенности сценарного прогноза были проведены расчеты для значений р от 2 до 80 [2].
Два других варианта экстраполяции также основаны на АР-моделировании, но с априорным учетом особенностей квазициклической изменчивости потока солнечной радиации - цикличности с периодом около 11 лет и более долгопериодных циклов [1, 2]. Во втором варианте (II) ряд х представлялся в виде суммы низкочастотной (НЧ) у { и высокочастотной (ВЧ) ц компонент: х{ = у { +
НЧ-компонента вычислялась согласно
т
у = X и У) Уi +3, / = т + 1, •••, N - т,
з = -т
где и - весовое окно Кайзера [8]. ВЧ-компонента характеризует остаточный ряд ц = х - У.
В третьем варианте экстраполяции (III) ряд xi представлялся в виде суммы трех компонент
xi = w i + У i + zb
где w{ - узкополосная компонента с центральным периодом Ts (например, 90 лет), а yi и z - соответственно НЧ- и ВЧ-компоненты разности xi - w. При этом компонента w { вычислялась методом вейвлет-преобразования [9]. Для каждой из полученных компонент независимо строились AP-модели и выполнялась экстраполяция.
Кроме того, аналогичный метод использовался для экстраполяции первых разностей анализируемого ряда.
Соответствующие экстраполяции для XXI века использовались и для вулканического радиационного форсинга.
На рис. 1 приведены вариации солнечного излучения I по данным [6] для 1610-2000 гг. в сопоставлении с примерами экстраполяции для разных интервалов. Представлены варианты экстраполяции I для первой и второй половины XX века, а также для XXI века AP-методом при p = 50. В первом случае начало экстраполяции соответствует фазе роста низкочастотной компоненты с периодом несколько десятилетий. Второй случай, наоборот, соответствует интервалу с малым трендом. Сравнение результатов экстраполяции с исходными данными для I свидетельствует, что достаточно хорошо воспроизводятся амплитуда и фаза по крайней мере двух квази-одиннадцатилетних циклов. Согласно проведенному анализу можно доверять экстраполяциям длитель-
I, Вт/м2
Годы
Рис. 2. Различные экстраполяции для XXI в. вариаций солнечного излучения I (Вт/м2), связанных с солнечной активностью: вариант I представлен АР-экстраполяциями с p равном 10, 20 и 50, вариант II - при m равном 9 и 15 (C2m9 и C2m15), а вариант III - при m равном 9 и Т5 равном 70 и 90 лет (C3m9T70 и C3m9T90).
ностью около четверти века. Далее проявляется заметное несоответствие амплитуды и/или фазы ква-зи-одиннадцатилетних циклов по исходным данным и прогнозируемых [2].
Рис. 2 характеризует диапазон различных экс-траполяций I для XXI века. Вариант I представлен АР-экстраполяциями с p равном 10, 20 и 50 (АР10, АР20 и АР50), вариант II - при m равном 9 и 15 (C2m9 и C2m15), а вариант III - при m равном 9 и Ts равном 70 и 90 лет (C3m9T70 и C3m9T90). Следует отметить, что при достаточно большом разнообразии сценариев для изменений солнечного излучения в XXI веке диапазон вариаций I мал - около 1 Вт/м2 (порядка 0.1% величины I ) [2].
На рис. 3 приведены результаты расчетов с КМ ИФА РАН аномалий глобальной среднегодовой приповерхностной температуры (ГСПТ) ЪТ при разных антропогенных сценариях SRES (B1, AIB и A2) и различных сценариях вариаций солнечного излучения и вулканической активности в XXI веке. Кроме того, на рис. 3 приведены результаты соответствующих расчетов с учетом только вариаций естественных форсингов (солнечного излучения и вулканической активности). Аномалии определялись относительно базового режима 19611990 гг. Для сравнения приведены аномалии ГСПТ по данным наблюдений (Climate Research Unit, http://www.cru.uea.ac.uk).
Для всех сценариев при совместном учете естественных и антропогенных воздействий отмечается общий рост ГСПГ ЪТ в XXI веке со сравнительно
небольшими квази-одиннадцатилетними вариациями. При этом возможные температурные изменения в XXI веке несущественно различаются при разных экстраполяциях вариаций солнечной постоянной. Более существенно различаются температурные изменения для разных антропогенных сценариев SRES ф1, A1B, A2). Так, среднее изменение СГПТ по всем построенным сценариям солнечной и вулканической активности к последнему десятилетию XXI века относительно базового периода 19611990 гг. для сценариев SRES B1, A1B и A2 составляет 1.73, 2.33 и 2.83 K соответственно, тогда как соответствующие внутриансамблевые значения стандартного отклонения составляют 0.08 ^
Температурные изменения в модели с учетом только вариаций солнечного излучения и вместе с вулканическим форсингом в целом существенно отличаются согласно рис. 3 от соответствующих изменений при учете антропогенных изменений уже со второй половины XX в. При этом для предыдущего увеличения СГПХ в первой половине XX в. вклад вариаций солнечного излучения и вместе с вулканической активностью был заметный. Дополнительный вклад в потепление первой половины XX века связывается с ослаблением вулканической активности. В конце же XX в. и в XXI в. температурные изменения в модели с учетом только вариаций солнечной постоянной и при учете вариаций вулканической активности значительно меньше, чем при учете антропогенных изменений.
366
МОХОВ и др.
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0
-0.5
-1.0
— 1 5 _I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
'1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 2100
Годы
Рис.
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.