научная статья по теме ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ АЛЬБЕДО ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ПОЛОЖЕНИЕ НУЛЕВОЙ ИЗОТЕРМЫ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ АЛЬБЕДО ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ПОЛОЖЕНИЕ НУЛЕВОЙ ИЗОТЕРМЫ»

Ледники и ледниковые покровы

УДК 551.58 doi:10.15356/2076-6734-2015-3-5-13

Оценка влияния изменения альбедо земной поверхности на положение

нулевой изотермы

© 2015 г. И.А. Корнева1, С.М. Семенов12

1Институт глобального климата и экологии Росгидромета и РАН, Москва; 2Институт географии РАН, Москва

comissa@mail.ru

Assessment of surface albedo effect on the position of zero isotherm

I.A. Korneva1, S.M. Semenov1'2

institute of Global Climate and Ecology of Roshydromet and RAS, Moscow; 2Institute of Geography, Russian Academy of Sciences, Moscow

Статья принята к печати 29 марта 2015 г.

Альбедо, земная поверхность, криосфера, нулевая изотерма, распределение температуры.

Albedo, cryosphere, earth surface, temperature distribution, zero isotherm.

Расчёты, выполненные с помощью однослойной радиационной модели атмосферы с использованием данных архива Surface Radiation Budget за 1984-2007 гг., позволили оценить изменение распределения температуры земной поверхности за счёт радиационных факторов при уменьшении её альбедо на 0,1. Смещение нулевой изотермы, примерно соответствующей границе криосферы на земной поверхности, в глобальном масштабе оказалось незначительным, хотя региональные последствия в ряде случаев были существенными. Так, ледниковые системы Западных Гималаев, Памира, Тибета и Камчатки оказываются в состоянии деградации. Вместе с тем, если предположить неизменность нерадиационных потоков тепла, то возможное смещение границы арктического оледенения оказывается умеренным.

Calculations with one-layer radiative model of the atmosphere based upon the data of Surface Radiation Budget archive over 1984-2007 allowed to assess changes in temperature distribution over the earth's surface associated with radiation factors in response to reduction of its albedo by 0.1. A shift in the zero isotherm, a proxy for the cryosphere boundary on the earth's surface, was found moderate on the global scale, although some regional consequences are substantial. For example, ice systems of Western Himalayas, Tibet, Pamir and Kamchatka will degrade. However, shifts in the arctic ice boundary will be moderate assuming all non-radiative heat fluxes remain unchanged.

Введение

Одна из основных характеристик климатической системы — распределение температуры на земной поверхности. На суше это распределение в значительной мере определяет границы распространения многолетней мерзлоты, а в океане, вместе с солёностью, — границы распространения многолетнего морского льда. Эти характеристики состояния криосферы имеют не только фундаментальное значение, но и прикладное, оказывая существенное влияние на условия строительства жилых зданий и технических сооружений, а также морскую деятельность. Промышленное развитие мирового хозяйства (условно с 1750 г.) привело к глобальному антропогенному воздействию на климатическую систему Земли. Сильнее всего оно повлияло на газовый состав атмосферы — концентрации пар-

никовых газов (диоксид углерода СО2, метан СН4, оксид азота К20 и др.) в атмосфере повсеместно достигли беспрецедентных уровней за последние 800 тыс. лет [13]. Это усилило естественный парниковый эффект, что привело к повышению температуры в приповерхностном слое по отношению к той, которая наблюдалась бы при «естественном ходе событий». Такое потепление вызывает обеспокоенность во всём мире.

Однако антропогенное воздействие на климатическую систему Земли не сводится только к обогащению атмосферы парниковыми газами в результате выбросов. Человек в ходе хозяйственной деятельности изменяет и альбедо земной поверхности, в том числе при землепользовании и изменениях в землепользовании [12], а также альбедо атмосферы за счёт выбросов аэрозолей в атмосферу [1—4, 15]. Альбедо земной поверхности и атмосферы — важные факторы формирования

энергетического бюджета планеты [19]. Изменение альбедо вызывает трансформацию в распределении температуры на земной поверхности. Отметим, что землепользование и изменения в землепользовании — не единственные причины антропогенного изменения альбедо земной поверхности. В последнее время усилился интерес к выбросам «чёрного углерода» — сажевых частиц, образующихся при горении в технологических процессах и при пожарах и поступающих в атмосферу в результате природных и антропогенных причин. Перенос этих частиц в атмосфере и последующее осаждение на подстилающую поверхность уменьшают её альбедо, что вызывает повышение температуры земной поверхности.

В последнее время этот процесс вызывает сильную озабоченность мирового сообщества, поскольку теоретически может служить источником неустойчивости климатической системы Земли из-за положительной обратной связи: «уменьшение альбедо поверхности — потепление земной поверхности — дальнейшее снижение альбедо (за счёт уменьшения площади снега и льдов)». Считается, что это — основной механизм, способствующий усиленному потеплению Арктики за последние столетия [5]. Проблема чёрного углерода стимулировала исследования последствий изменения альбедо земной поверхности; появился ряд публикаций, в основном в иностранной литературе, посвящённых этому вопросу [5, 14, 16, 17]. Действительно, глобальные эмиссии чёрного углерода в атмосферу, в основном за счёт антропогенной деятельности, в период с 1850 по 2000 г. возросли в 2—3 раза [14]. Возникли даже новые международные программы, предусматривающие инициативы по ограничению выбросов чёрного углерода (Climate and Clean Air Coalition to Reduce Short-Lived Climate Pollutants, February 16, 2012) [22], хотя они несколько опережают научные исследования данного вопроса, что может привести к неправильной оценке сущности и масштабов явления.

Ключевой вопрос, связанный с проблемой чёрного углерода, — масштаб явления. Необходимо оценить, насколько реальные современные и ожидаемые в обозримом будущем выбросы меняют альбедо земной поверхности и как эти изменения скажутся на состоянии климатической системы. Данная статья посвящена одному из первичных вопросов этого круга: как измене-

ния альбедо земной поверхности сказываются на распределении температуры на её поверхности, в том числе на положении нулевой изотермы — условной границы криосферы. Её исходное положение соответствует среднему температурному полю 1984—2007 гг. При расчёте изменений будем считать, что все остальные свойства климатической системы, кроме альбедо земной поверхности, неизменны. Сдвиг положения нулевой изотермы оценивается в рамках упрощенной расчётной схемы, поэтому полученные результаты не претендуют на точное описание последствий заданного уменьшения альбедо земной поверхности, а скорее характеризуют масштабы и примерную локализацию ожидаемых изменений.

Данные и методы

Данные. Оценки, выполненные в настоящей работе, основаны на материалах архива SRB (Surface Radiation Budget), который создан в 1997 г. в рамках эксперимента NASA GEWEX — Global Energy and Water Cycle Experiment [23]. Цель создания такого архива — оценить в глобальном масштабе и задокументировать потоки коротко- и длинноволновой радиации у земной поверхности, на внешней границе атмосферы и в атмосфере. В архиве потоки приведены для широтно-долготной сетки 1° х 1° за период с 1984 по 2007 г. Разрешение по времени — один месяц. Эти данные — результат математического моделирования. Для вычислений применён алгоритм LPSA (Langley Parameterized Shortwave Algorithm) [9—11]. При оценке потоков коротковолновой радиации использован также алгоритм-проверка [6, 7, 18]. Входные параметры для расчётов радиационных потоков — характеристики облачности, а также температура земной поверхности, использованная в данной работе, — взяты по спутниковым данным проекта ISCCP-C1 [24]. Температура земной поверхности восстанавливается по данным об измеряемом со спутника потоке инфракрасного излучения земной поверхности. Преимущества этого массива данных — глобальный охват и привязка к регулярной широтно-долготной сетке, но есть и недостаток: поскольку это данные дистанционных измерений, то в ряде случаев они несколько отличаются от данных наземных инструментальных измерений.

1 SD, SU, Атмосфера LU,

1 к SD0 SU0 к Ht 1 LU0 1 LD0 •

Земная ■ поверхность Н+

Рис. 1. Схема потоков энергии в пределах элемента широтно-долготной сетки.

Символы пояснены в тексте

Fig. 1. Energy fluxes scheme within the cell of longitude-latitude grid.

Symbols are explained in the text

Модельное описание потоков энергии в системе «земная поверхность + атмосфера». Для

оценки параметров климатической системы, распределения температуры на земной поверхности и положения нулевой изотермы использовалась упрощенная модель системы «земная поверхность + атмосфера». Соответствующая схема потоков энергии для пространственной ячейки (элемента широтно-долготной сетки) приведена на рис. 1. Лучистая энергия переносится в данной модели в вертикальном направлении. Блок этой модели, описывающий потоки коротковолнового излучения, аналогичен блоку в однослойной модели атмосферы, представленной в работе [8]. На рис. 1 использованы следующие символы для обозначения переменных, относящихся к части системы «атмосфера + земная поверхность» в пределах данного элемента широтно-долготной сетки: ББ1 — нисходящий поток коротковолновой радиации (КР) на верхней границе атмосферы; в данной работе он всегда равен потоку солнечного излучения Б, который не меняется с годами для данного календарного месяца и элемента широтно-долготной сетки;

— нисходящий поток КР у земной поверхности; Би0 — восходящий поток КР у земной поверхности; Би1 — восходящий поток КР на верхней границе атмосферы;

ЬБ0 — нисходящий поток длинноволновой радиации (ДР) у земной поверхности;

— восходящий поток ДР у земной поверхности; Ш1 — восходящий поток ДР на верхней границе атмосферы;

Нв — нерадиационный отток тепла в вертикальном направлении с земной поверхности; складывается из потоков тепла в атмосферу Н (конвекция, скрытое тепло) и в земную толщу Н;

Нг — нерадиационный отток тепла в горизонтальном направлении (адвекция); складывается из горизонтальных потоков в атмосфере Нг,1 и на земной поверхно

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

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»