ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 3, с. 327-341
УДК 551.526.6:551.513
ОЦЕНКА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СНЕЖНОГО ПОКРОВА В МОДЕЛЯХ ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ
© 2007 г. К. Г. Рубинштейн, С. С. Громов, Р. Ю. Игнатов
Гидрометцентр России 123376 Москва, Б. Предтеченский пер., 9-13 E-mail: rubin@mecom.ru Поступила в редакцию 07.02.2005 г., после доработки 27.03.2006 г.
Представлено описание параметризации снежного покрова в различных моделях общей циркуляции атмосферы. Анализируются результаты сравнения средних за 20 лет интегральных характеристик снежного покрова для Северной Америки и Евразии, полученных в трех российских моделях в экспериментах AMIP-II c эмпирическими данными и результатами реанализов. Используются результаты модели Гидрометцентра России, ИВМ РАН и ГГО им. Воейкова. Показано, что все модели лучше воспроизводят характеристики снежного покрова Евразии, чем Северной Америки, и с меньшими ошибками воспроизводится площадь снежного покрова, чем масса снега. Показано также, что осенне-зимний процесс установления снежного покрова описывается ближе к эталонам, чем весенний процесс снеготаяния. Показано, что средние за 20 лет эксперимента изменения площади снежного покрова в регионах сибирских рек - Оби, Енисея и Лены воспроизводятся всеми моделями. В осенне-зимний период формирования снежного покрова результаты моделей близки друг к другу, а в весенний период активного таяния снега - в эксперименте с моделью Гидрометцентра России результаты ближе к эталону.
ВВЕДЕНИЕ
Зимний снежный покров играет заметную роль в глобальном гидрологическом балансе Земли и является важным элементом динамики криосферы. Снежный покров существенно влияет на ряд процессов в атмосфере и на подстилающей поверхности. От толщины снежного покрова зависят запасы влаги на суше, снег резко меняет альбедо подстилающей поверхности и тем самым влияет на энергетический баланс атмосферы. Кроме того, снежный покров изолирует почву от атмосферы и ограничивает температуру поверхности температурой таяния, изменяет динамические свойства поверхности. При таянии снега меняется тепловой баланс почвы из-за больших затрат тепла на процесс таяния.
Судя по оценкам [1], масса снега в России составляет почти 60% от снежной массы всего Северного полушария. Таяние снега в большой мере определяет весенние половодья, от которых страдают многие регионы России, и без адекватного описания в моделях динамики изменения снежного покрова трудно надеяться на разумный результат сезонных прогнозов или долгосрочных сценарных экспериментов.
Во всех отечественных и зарубежных гидродинамических моделях общей циркуляции атмосферы или прогноза погоды описываются процессы, связанные со снежным покровом. Работ по анализу качества воспроизведения снежного покро-
ва в гидродинамических моделях авторам известно очень немного. Особенно ощущается этот дефицит в русскоязычной научной периодике. Некоторый анализ результатов воспроизведения снежного покрова на Северном Ледовитом океане, Гренландии и Антарктиде приведен в [2]. Но по этой работе нельзя судить о качестве воспроизведения снежного покрова в целом ни для одной модели. В большой мере отсутствие работ с анализом воспроизведения характеристик снежного покрова в численных экспериментах с гидродинамическими моделями может быть связан с отсутствием надежных эмпирических рядов по распределению снега и его свойств в масштабе хотя бы Северного полушария. Необходимость проведения анализа характеристик снега в моделях очевидна, т.к. без него невозможно понимание чувствительности моделей к описанию снежного покрова, совершенствование описания процессов, связанных со снегом в моделях, а также понимания тенденций изменения снежного покрова при различных сценариях изменения климата. Имеется несколько зарубежных работ, например [3-5], в которых анализируются интегральные характеристики воспроизведения площади и толщины снежного покрова в ряде моделей, участвовавших в проекте по сравнению атмосферных моделей (Atmospheric Model Intercom-parison Project - AMIP) AMIP-I (первая фаза проекта) [3, 4] и AMIP-II (вторая фаза проекта) [5], но только результаты одной, устаревшей уже версии
российской модели Главной геофизической обсерватории им. Воейкова (ГГО), рассматривались в работе [4] и одной модели Института вычислительной математики РАН (ИВМ) в [5]. Качество воспроизведения снежного покрова в модели общей циркуляции атмосферы Гидрометцентра России до сих пор не анализировалось. Данная работа направлена прежде всего для восполнения этого, весьма важного, по нашему мнению, пробела в понимании результатов моделирования в российских моделях.
Мы вполне отдаем себе отчет, что качество воспроизведения снежного покрова тесно связано с качеством описания других характеристик. В первую очередь, температуры и осадков. Их анализ для моделей, участвовавших в проектах AMIP, в большой мере опубликован. Анализ качества воспроизведения этих элементов в экспериментах по модели Гидрометцентра России приведен в работах [6-9].
При анализе качества воспроизведения снежного покрова в экспериментах мы в определенной мере воспользовались методикой и эталонами из работ [3-5, 10]. Единые эталоны и близкая методика обработки позволила сравнить уровень наших результатов с результатами моделей, приведенными в публикациях [3-5, 10].
Для анализа региональных гидрологических характеристик в результатах глобальных моделей часто пользуются осреднением элементов водного баланса по водосборам крупных рек. Осреднение по водосборам крупных рек является естественным масштабом для оценки гидрологических характеристик по крупным регионам суши. Результаты такого анализа можно сравнить с наиболее надежно измеряемой гидрологической характеристикой водосбора - устьевым стоком реки.
В данной работе мы приводим сравнение характеристик снежного покрова по эмпирическим данным, по результатам реанализов и по результатам численных экспериментов типа AмIP-II (вторая фаза эксперимента) с российскими гидродинамическими моделями, осредненных по водосборам трех сибирских рек - Оби, Енисея и Лены.
1. ОПИСАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ДАННЫХ
В работе использовались характеристики снежного покрова, полученные в экспериментах типа AMIP-И - второй фазы проекта по сравнению моделей общей циркуляции атмосферы [11]. Как известно, это эксперименты с моделями общей циркуляции атмосферы, проведенные за 20 лет (1979-1998 гг.), с единой температурой поверхности океана, заданной в соответствии с наблюдениями, и с одинаковой постоянной концентрацией углекислого газа. В нашем распоряже-
нии имелись ряды водного эквивалента снега, полученного в экспериментах с моделью Гидрометцентра России (в дальнейшем тексте ГМЦ). Модель Гидрометцентра России не является официальным участником экспериментов AMIP, тем не менее эксперименты по программе AMIP-I и AMIP-II были проведены и сравнение различных аспектов моделирования приведено в публикациях [6-8]. Описание модели приведено в [12]. Кроме того, нам были любезно предоставлены результаты по воспроизведению водного эквивалента снега в экспериментах AMIP-II двух российских моделей, официальных участников программы AMIP: результаты эксперимента AMIP (водный эквивалент снега) с моделью ИВМ [13-15] и с моделью ГГО [2, 16]. Было проведено также сравнение с результатами экспериментов типа AMIP-I с моделью Центра им. Хэдли (НС) Метеорологической службы в Великобритании и модели института метеорологии им. Макса Планка в Германии (ECHAM3), заимствованные из работы [17]. Мы их кратко прокомментируем, но количественно не станем приводить, так как это результаты по более ранним версиям моделей и только за 10 лет (1979-1988 гг.). Интерес к результатам этих моделей связан с тем, что эти две зарубежные модели являются признанными лидерами в моделировании изменения климата. Из работ [3, 5] заимствованы эмпирические данные, с помощью которых оценивалась близость результатов к наблюдениям. Для оценки площади покрытия снегом в качестве эталона использовалась информация со спутниковых снимков, получаемых в Национальном агентстве астронавтики и аэронавтики США - NOAA. В NOAA с 1966 г. готовятся еженедельные карты снежного покрова и границ льда для Северного полушария [18]. Известно, что спутниковые данные о снежном покрове существенно зависят от наличия облачности и обладают определенными недостатками в горных областях. Тем не менее для анализа интегральных характеристик площади снежного покрытия эти данные являются лучшими среди доступных. Для анализа толщины снежного покрова использована климатология снега (Snow Data Climatology - SDC), заимствованная из работы [10]. Априори можно считать заметным недостатком данной климатологии использование при расчетах толщины снега единой и постоянной плотности снега, равной 300 кг/м3. При этом авторы этого набора отмечают, что их климатология не лишена и других ошибок. Например, они сообщают, что им не для всех стран удалось собрать информацию о снежном покрове. Тем не менее эта климатология явилась также наиболее репрезентативным набором, доступным для обобщения, и с ней сравнивались результаты моделирования по [3-5, 10].
2. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ МЕТОДОВ ПАРАМЕТРИЗАЦИИ СНЕЖНОГО ПОКРОВА
Снежный покров представляет собой сложно взаимодействующую смесь кристаллических снежинок, ледяных корок или прослоек, воздуха и пара. На процессы в снежном покрове определяющее влияние оказывают метеорологические условия. Вертикальная структура (стратиграфия) снега, особенно к концу зимы, может представлять собой затейливое чередование ледяных, снежных и водяных слоев.
Образование, таяние, испарение снега и влияние снега на свойства подстилающей поверхности являются весьма сложными физическими процессами. Эти процессы в большой мере зависят также от типов почв и ландшафтов, на которых они протекают. Многие вопросы, связанные с изучением динамики этих процессов даже в отдельных регионах, далеки от завершения - тем более трудным является их обобщение и описание в глобальных моделях с ячейками порядка нескольких сот километров. Одним из огран
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.