ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2014, том 50, № 4, с. 399-405
УДК 551.513.1
О ВОЗМОЖНЫХ ПРИЧИНАХ НИЗКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ КЛИМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ К УВЕЛИЧЕНИЮ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА
© 2014 г. Е. М. Володин
Институт вычислительной математики РАН 119333 Москва, ул. Губкина, 8 E-mail: volodin@inm.ras.ru Поступила в редакцию 10.07.2013 г., после доработки 04.09.2013 г.
Исследуется чувствительность к учетверению концентрации СО2 двух версий климатической модели: INMCM4, которая участвовала в международной программе по сравнению климатических моделей CMIP5, а также новой версии модели INMCM5, в которой увеличено разрешение по вертикали и горизонтали в атмосферном блоке модели. Равновесное повышение приповерхностной температуры при учетверении концентрации СО2 составляет в модели INMCM4 около 4.2 К, что меньше, чем в других моделях, участвовавших в CMIP5. При увеличении концентрации СО2 радиа-ционно-облачный форсинг в модели уменьшается, причем часть этого уменьшения происходит в первый же год после задания учетверенной концентрации, а часть примерно линейно зависит от величины глобального потепления. Дополнительные численные эксперименты с моделью показывают, что быстрое уменьшение радиационного-облачного форсинга объясняется изменением стратификации в приземном пограничном слое атмосферы, и связанным с этим увеличением облачности. Часть линейного уменьшения радиационно-облачного форсинга с ростом температуры связано с увеличением водности модельных облаков при более высокой температуре. Исключение этих двух механизмов позволяет увеличить чувствительность модели к учетверению концентрации СО2 до 5.2 градуса.
Ключевые слова: модель, климат, чувствительность, углекислый газ, форсинг, облачность.
DOI: 10.7868/S0002351514040142
ВВЕДЕНИЕ
Одним из наиболее важных параметров, характеризующих климатическую модель, является ее равновесная чувствительность к удвоению концентрации СО2. По данным CMIP3 (Coupled Model Intercomparison Project, Phase 3) [1] величина чувствительности для различных моделей изменяется от 2.1 К до 4.4 К. Основной причиной межмодельного различия является различная реакция модельной облачности и, прежде всего, облаков нижнего яруса на глобальное потепление [2, 3]. По данным моделей, участвовавших в следующей фазе проекта по сравнению климатических моделей CMIP5 [4] диапазон равновесной чувствительности климатических моделей к удвоению концентрации СО2 практически не изменился и составляет 2.1—4.7 К. По-прежнему основной причиной различия чувствительности является различное поведение нижней облачности при потеплении. Кроме этого, однако, авторы [4] указывают на то, что изменение радиационно-об-
лачного форсинга в моделях при потеплении не обязательно пропорционально величине глобального потепления, как предполагалось в [2], а нередко зависит то времени и от величины потепления более сложным образом. Российская климатическая модель ШМСМЗ, участвовшая в программе СМ1Р3, и более новая версия модели ШМСМ4, которая принимала участие в СМ1Р5, имеют равновесную чувствительность около 2.1 К, т.е. находятся у нижнего края диапазона чувствительности всех моделей. Некоторые причины такого поведения модели ШМСМ4, связанные с особенностями параметризации облачности, обсуждаются в данной работе.
МОДЕЛЬ И ЧИСЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
В настоящей работе исследуется в основном климатическая модель ШМСМ4 [5]. Она имеет разрешение в атмосфере 2 х 1.5 градуса по долготе и широте и 21 уровень по вертикали до 30 км. В океане разрешение составляет 1 х 0.5 градуса по
долготе и широте и 40 уровней по вертикали. Именно с этой версией модели проводились дополнительные численные эксперименты, показывающие величину различных эффектов, связанных с параметризацией облачности. Кроме того, рассматривается чувствительность следующей версии модели ШМСМ5, в которой в атмосферном блоке увеличено разрешение по горизонтали (1.25 х 1 градус по долготе и широте) и особенно по вертикали. Эта модель имеет 128 уровней до 60 км, в нижнем километровом слое шаг составляет примерно 50 м, выше он плавно увеличивается и составляет в большей части тропосферы и стратосферы около 500 м. В океане разрешение по горизонтали увеличено до 1/6 х 1/8 градуса по долготе и широте, по вертикали, как и в предыдущей версии модели, 40 уровней. Таким образом, новая версия модели гораздо лучше предыдущей разрешает вертикальную структуру атмосферного пограничного слоя. В океане новая версия модели разрешает наиболее крупные вихри и в основном правильно воспроизводит их наблюдаемую величину [6]. Все параметризации физических процессов в атмосфере и океане в версии модели ШМСМ5 насколько возможно близки к тем, что используются в версии ШМСМ4, немного изменены только некоторые настроечные параметры.
Для определения чувствительности модели ШМСМ4 с ней были проведены два численных эксперимента. В первом (предындустриальном) концентрация всех радиационно активных газов и аэрозолей была задана в виде климатического годового хода и соответствовала 1850 г. Второй эксперимент (4СО2) полностью аналогичен первому, но концентрация СО2 задана в 4 раза большей, чем в первом эксперименте. Продолжительность каждого численного эксперимента составляла 150 лет. Оба численных эксперимента стартовали с одинаковых начальных данных, соответствующих равновесному предындустриальному модельному климату. За 150 лет с момента начала внешнего воздействия в виде учетверения концентрации СО2 модельная климатическая система не выходит на равновесный климат из-за термической инерции глубокого океана. Однако, если предполагать линейность отклика климатической системы на небольшие внешние воздействия, можно оценить равновесную чувствительность следующим образом. Для каждого года вычисляется превышение среднеглобальной температуры АТ в эксперименте 4СО2 по сравнению с соответствующим годом контрольного эксперимента. Кроме того, для каждого года вычисляется разность потоков тепла А/1 на верхней границе атмосферы в эксперимен-
те 4СО2 по сравнению с контрольным. Величина А/ практически равна потоку тепла в океан, поскольку теплоемкость атмосферы и модельной почвы намного меньше, чем теплоемкость океана. Откладывая на графике по оси Х значения АТ, а по оси У значения А/, получим множество точек, соответствующих каждому году эксперимента 4СО2. Проводя через точки наименее отклоняющуюся от них прямую, получим в точке пересечения ее с осью Х значение АТ, соответствующее равновесной чувствительности модели. Именно таким образом оценивалась равновесная чувствительность моделей СМ1Р5 [4, 7]. Считая, что изменение температуры зависит от концентрации СО2 логарифмически, получаем, что чувствительность к удвоению концентрации СО2 в 2 раза меньше, чем к учетверению. Для модели ШМСМ5 проводились два аналогичных численных эксперимента, но длина каждого эксперимента составляла лишь 30 лет. Значение радиационного форсинга от учетверения содержания СО2 на верхней границе модельной атмосферы Я/, используемое в настоящей работе, вычислялось как разность теплового баланса при предындустриальном значении концентрации СО2 и при учетверенном, при сохранении неизменными всех остальных параметров климатической системы. Значение Я/ вычислялось каждые 3 ч и затем осреднялось по 10 годам контрольного эксперимента. Прямые, наименее отклоняющиеся от точек, проводились методом наименьших квадратов.
Для модели СМ1Р3 равновесная чувствительность оценивалась другим методом [8]. А именно, конструировалась совместная модель атмосферы и верхнего 50-метрового перемешанного слоя океана, к которой применялась коррекция потока тепла таким образом, чтобы модель правильно воспроизводила среднеклиматический годовой ход температуры поверхности океана для современного климата. Такая модель выходит на равновесный климат в течение 20—30 лет, следовательно, для непосредственного определения равновесной чувствительности нужно намного меньше времени, чем в случае выхода на равновесный климат модели атмосферы и полного океана. Численные эксперименты с моделью СС8М3 [9] продолжительностью 3000 лет показывают, что непосредственно вычисленная равновесная чувствительность модели с полным океаном близка к той, что получается в модели с 50-метровым океаном. В настоящей работе выбран метод оценки чувствительности модели согласно [7], а не [8], поскольку, во-первых, этот метод стал считаться общепринятым для моделей СМ1Р5, а соответствующие численные эксперименты с моделью ШМСМ4 уже
8
7 6
5
4
3 2 1
0
8
7
6
5
4 3 2 1
(а)
(а)
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 (б)
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
Рис. 1. Зависимость среднегодовых величин АР, Вт/м2 от АТ, К для модели ШМСМ4 (а) и ШМСМ5 (б). Проведены прямые, наименее отклоняющиеся от точек.
0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3.0 3.3 (б)
0
-0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1
2.4 2.7
0 0.5 1.0
1.5 2.0 2.5
-3.0 -3.5
0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3.0 3.3
Рис. 2. Зависимость среднегодовых величин изменения СВР, Вт/м2 от АТ, К для модели ШМСМ4 (а) и ШМСМ5 (б). Проведены прямые, наименее отклоняющиеся от точек.
0
были проведены. Во-вторых, личный опыт автора с построением модели атмосферы и 50-метрового перемешанного слоя океана показывает, что для успешного воспроизведения такой моделью современного климата в районах с морским льдом кроме коррекции потоков требуется дополнительная настройка модели по плохо формализуемым правилам, причем эта настройка различна в Северном и Южном Полушариях.
РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис. 1 представлена зависимость АР от АТ для обеих версий модели. Данные за отдельные годы действительно неплохо ложатся на прямую, что говорит о приблизительно линейной зависимости между величиной глобального потепления и потоком тепла, поглощаемым климатической системой. Предполагая такую линейную зависимость во всем диапазоне температур и продолжая прямые до пересечения с осью абсцисс, получим величину глобального потепления при нулевом поглощении тепла климатической системой, т.е.
равновесное потепление. Оно составляет 4.2 градуса для модели ШМСМ4 и 3.4 градуса для
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.