научная статья по теме ОЦЕНКА НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ БУДУЩИХ ИЗМЕНЕНИЙ КОНЦЕНТРАЦИИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В АТМОСФЕРЕ И ЕГО РАДИАЦИОННОГО ФОРСИНГА Геофизика

Текст научной статьи на тему «ОЦЕНКА НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ БУДУЩИХ ИЗМЕНЕНИЙ КОНЦЕНТРАЦИИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В АТМОСФЕРЕ И ЕГО РАДИАЦИОННОГО ФОРСИНГА»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 3, с. 301-310

УДК 551.511

ОЦЕНКА НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ БУДУЩИХ ИЗМЕНЕНИЙ КОНЦЕНТРАЦИИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В АТМОСФЕРЕ И ЕГО РАДИАЦИОННОГО ФОРСИНГА

© 2008 г. А. В. Елисеев

Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН, 119017, Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: eliseev@ifaran.ru Поступила в редакцию 22.06.2007 г., после доработки 22.11.2007 г.

Для оценки будущих изменений концентрации углекислого газа в атмосфере, соответствующего радиационного форсинга и характеристик обратной связи между климатом и углеродным циклом проведен ансамблевый эксперимент с КМ ИФА РАН. Различные члены ансамбля были получены варьированием управляющих параметров наземного углеродного цикла модели. Расчеты проводились для 1860-2100 гг. с заданием антропогенных эмиссий CO2 за счет сжигания ископаемого топлива и землепользования по наблюдательным оценкам для XIX-XX веков и по сценарию SRES A2 - для XXI века. Построенный ансамбль численных экспериментов проанализирован с помощью байесовой статистики, позволившей значительно сузить интервал неопределенности оценок. В качестве критерия степени реалистичности членов ансамбля использованы данные наблюдений за характеристиками углеродного цикла XX века. При выбранном сценарии антропогенных эмиссий углекислого газа концентрация углекислого газа, достигаемая к концу XXI века, оценивается интервалом (818 ± 46) млн-1 (среднее ± стандартное отклонение). Соответствующий глобальный мгновенный радиационный форсинг на верхней границе атмосферы (относительно доиндустриального состояния) характеризуется диапазоном неопределенности (6.8 ± 0.4) Вт м-2. Интервал неопределенности интенсивности обратной связи между климатом и углеродным циклом к концу XXI века достигает (59 ± 98) млн-1 в терминах концентрации углекислого газа в атмосфере и (0.4 ± 0.7) Вт м-2 - в терминах радиационного форсинга.

1. ВВЕДЕНИЕ

В последнее время в ряде мировых центров развиваются климатические модели с интерактивным углеродным циклом [1-18]. Наиболее полное сравнение таких моделей проведено в рамках международного проекта сравнения моделей климата с углеродным циклом С4 М1Р [19]. Основным результатом этих работ явилось выявление положительной обратной связи между климатом и углеродным циклом, характерной для современных климатических моделей: взаимодействие между климатом и углеродным циклом увеличивает содержание углекислого газа в атмосфере рС02, а и антропогенное потепление.

Положительная обратная связь между климатом и углеродным циклом определяется, в частности, ростом почвенного дыхания и возможным уменьшением фотосинтеза (последнее - из-за развития засушливых условий в тропиках) при глобальном потеплении. Однако первый эффект был подвергнут сомнению в [20], где было указано, что при развитии потепления почвенное дыхание может уменьшаться из-за ограничения доступности азота для жизнедеятельности бактерий. Изменение продуктивности наземных экосистем при глобаль-

ном потеплении также существенно различается между различными моделями (см., например, [19]).

В [15, 16] был проведен ансамблевый эксперимент с климатической моделью промежуточной сложности, разработанной в Институте физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (КМ ИФА РАН, [12, 14-17]). Различные члены этого ансамбля соответствовали различным значениям управляющих параметров углеродного цикла модели. При этом, в частности, было получено, что наблюдаемые характеристики климата и углеродного цикла для XX века могут быть успешно воспроизведены как с версиями модели, характеризующимися положительной обратной связью между климатом и углеродным циклом, так и версиями, для которых эта обратная связь отрицательна.

Целью настоящей работы является расширение результатов [15, 16] с систематическим анализом характеристик обратной связи между климатом и углеродным циклом, а также ожидаемого (при будущих антропогенных эмиссиях углекислого газа) роста концентрации CO2 в атмосфере и соответствующего радиационного форсинга. В отличие от [15, 16], для анализа построенного ансамбля использована байесова статистика. Кроме того, ансамбль

численных экспериментов существенно расширен по сравнению с [15, 16].

2. АНСАМБЛЬ ЧИСЛЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

В работе был использован ансамбль численных экспериментов для 1860-2100 гг. с климатической моделью промежуточной сложности, разработанной в Институте физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН (KM ИФА РАН, версия [12, 14-17]). Модель включает в себя блоки глобально осредненно-го углеродного цикла атмосферы, океана и суши. Для всех членов ансамбля эмиссии углекислого газа для периода 1860-2000 гг. за счет сжигания топлива и промышленной деятельности были заданы по данным [21], за счет землепользования - по данным [22]. Для 2001-2100 гг. оба этих типа эмиссий были заданы по сценарию SRES A2 [23].

Члены ансамбля были построены варьированием набора управляющих параметров наземного углеродного цикла и масштабированием климатического отклика на изменения концентрации углекислого газа pCO2, a на входе в блок углеродного цикла. Интервалы изменения этих управляющих параметров выбирались исходя либо из диапазонов соответствующих экспериментальных оценок, либо из диапазонов, характерных для современных моделей климата с углеродным циклом (более подробно см. [16]). В частности, варьировались значения следующих параметров наземного углеродного цикла:

• показатели Q10, P, Q10, R и Q10, S, определяющие чувствительность фотосинтеза P, и автотрофно-го R и гетеротрофного S дыхания соответственно к изменению глобальной среднегодовой приповерхностной температуры атмосферы AT, относительно доиндустриального значения, так что каждая из указанных переменных рассчитывается согласно

X - Q

-ATS,S / ATo 10 , X

где X = Р, Я, Я, АТ0 = 10 К. Для параметра 610, Р значения выбирались из набора 0.8, 1.0, 1.5 и 2.0; для параметра 610,Я - из набора 1.40, 2.15 и 3.00; для параметра 610,5 - из набора 1.0, 2.0, 2.4 и 3.0. В стандартной версии КМ ИФА РАН Qw Р = 1.5, 6x0, я = 2.15 и 610, я = 24. Все выбранные значения параметров 610, х приводят к росту переменной X при росте температуры, за исключением 610, Р = 0.8, при котором интенсивность фотосинтеза уменьшается при глобальном потеплении, и 610, Р = 1.0, при котором фотосинтез не реагирует на изменения климата.

• Постоянная полунасыщения закона Михаэли-са-Ментон км, для которой выбиралось одно из значений 100 млн-1, 150 млн-1, 200 млн-1 и 450 млн-1

(для стандартной версии модели используется км = 150 млн-1).

• Параметр кв, определяющий потери биомассы за счет сельскохозяйственной деятельности [24], которому приписывалось одно из значений 0 или 0.27 (последнее из них является стандартным для КМ ИФА РАН).

При изменении указанных параметров в модели изменялись также значения ряда других параметров наземного углеродного цикла, так что равновесное доиндустриальное состояние модели оставалось неизменным (более подробно см. [15, 16]).

В связи с тем, что в [9] была выявлена зависимость интенсивности обратной связи между климатом и углеродным циклом от равновесной чувствительности к удвоению содержания углекислого газа в атмосфере, дополнительно были проведены эксперименты с масштабированием рассчитанных значений АТ, ё на постоянный множитель к„, значения которого выбирались из набора 0.0, 1.0, 1.7 и 2.0. При этом к5 = 1.0 соответствует стандартной версии КМ ИФА РАН, к5 = 0.0 - экспериментам без взаимодействия климата и углеродного цикла. Остальные два значения выбирались для более плотного расположения членов ансамбля в фазовом пространстве модели, а не с целью воспроизвести результаты расчетов с какой-либо конкретной моделью или ансамблем таких моделей. Тем не менее, учитывая равновесную чувствительность КМ ИФА РАН к удвоению содержания углекислого газа в атмосфере, равную АТ2 х со = 22 К, максимальное значение может считаться представительным для моделей с А Т2 х со = 4.4 К, что, в свою очередь,

близко к верхнему пределу равновесной чувствительности климата к удвоению содержания углекислого газа в атмосфере для современных моделей [25]. При этом, однако, такая аналогия не является полной, так как температурные аномалии подвергались масштабированию только для блока углеродного цикла, тогда как для остальных блоков модели они не масштабировались. В связи с последним, а также с неучетом других форсингов (см. ниже) байесов анализ климатического отклика на антропогенные эмиссии не проводился. Тем не менее сделаны соответствующие оценки для диапазона неопределенности радиационного форсинга С02 (называемого также радиационным возмущающим воздействием [26]).

Начальным условием для всех численных экспериментов служило равновесное состояние модели, достигаемое при доиндустриальных значениях управляющих параметров.

Источники неопределенности расчета, отличные от указанных выше, например, неопределенность параметров углеродного цикла океана (включая параметры, связанные с откликом потоков углекислого газа между атмосферой и океаном на

изменения климата) или антропогенных эмиссий С02, в работе не рассматриваются. Не учитывается также влияние радиационных форсингов другой природы (других антропогенных парниковых газов, сульфатных и углеродных аэрозолей, озона, вариаций солнечной постоянной, озона, вулканизма и т.д.), которые также характеризуются различными неопределенностями. Учет таких факторов должен привести к расширению оценок интервала неопределенности [27]. В связи с последним приведенные в представленной работе результаты для характеристик неопределенности следует рассматривать как оценки снизу. Тем не менее даже при указанных ограничениях построение ансамбля расчетов приводит к большим вычислительным затратам. Так, общая длина построенного ансамбля численных экспериментов составила 371712 модельных лет. Расчеты такой длительности с детальными моделями общей циркуляции в настоящее время невозможны из-за технических ограничений. Это, в частности, оправдывает использование существенно более дешевой с вычислительной точки зрения модели климата промежуточной степени сложности [28, 29]

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