ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 4, с. 453-462
УДК 551.588
СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ФОТОХИМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
ГЛОБАЛЬНОЙ АТМОСФЕРЫ
© 2007 г. В. А. Фролькис, И. Л. Кароль, А. А. Киселев, Ю. Э. Озолин, В. А. Зубов
Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова 194021 Санкт-Петербург, ул. Карбышева, 7 E-mail: karol@main.mgo.rssi.ru Посткпила в редакцию 31.01.2007 г.
Исследуется чувствительность модельных результатов (содержания в атмосфере основных составляющих воздуха, радиационных характеристик атмосферы) к погрешностям в эмиссиях ряда газов, загрязняющих атмосферу. Выделены группы модельных величин, наиболее зависимых от таких погрешностей. Рассмотрены два варианта эмиссий - без их эволюции и в условиях их изменения в соответствии со сценарием IPCC. Оценки произведены с привлечением стандартных статистических методов для результатов, полученных с использованием подробной одномерной радиационно-фо-тохимической модели ГГО. Намечаются подходы к проведению подобных оценок для моделей более высокой сложности, а также решению обратной задачи (определения необходимой точности во внешних модельных параметрах для получения заданной точности модельных оценок).
ВВЕДЕНИЕ
Современные представления об изменениях климата, состава атмосферы, а также вызвавших эти изменения причинах в значительной степени опираются на результаты модельных исследований. Прогнозы будущих изменений климата, особо актуальные с тех пор, как антропогенное воздействие на климат стало соизмеримо с естественными климатоформирующими факторами, полностью базируются на модельных оценках (см., например обзоры в [1, 2]). Объем модельных полей атмосферных элементов в настоящее время превосходит объем данных наблюдений и измерений. Однако хорошо разработанные, известные статистические методы обработки и анализа данных только начинают использоваться в анализе результатов моделирования, часто без обоснования возможности и законности их применения во многих случаях [3]. Еще мало используются статистические методы при анализе погрешностей модельных результатов и влияния на них неточностей исходных данных для моделирования, в самих моделях и погрешностей их численной реализации.
В последние годы появился ряд публикаций, посвященных изучению чувствительности моделей к некоторым погрешностям их ключевых параметров. В частности, в [2] приведен обзор исследований влияния неточностей задания внешних и внутренних динамических параметров на пространственно-временные распределения таких компонент атмосферного воздуха, как озон. В нескольких работах рассматривается отклик газового состава атмосферы на погрешности зна-
чений скоростей фотохимических реакций [4-8]. Статистическая значимость оценок степени восстановления озонного слоя в результате введения в действие Монреальского протокола исследуется с помощью трехмерной модели в [9]. Важно отметить также публикации [2, 3, 10], в которых авторы обсуждают возможные подходы к решению вопросов, связанных с чувствительностью модельных оценок.
Возможно, наиболее актуальными и практически важными являются оценки влияния погрешностей в начальных и особенно краевых условиях - в задаваемых значениях концентраций или потоков моделируемых примесей на границах областей их определения. В условиях существенной неопределенности в оценках общего размера и интенсивности выбросов в атмосферу различных газов - загрязнителей заманчиво найти количественную связь между погрешностями таких оценок и точностью, с которой получены модельные поля содержания основных составляющих атмосферного воздуха. Интересно получить также ответ на вопрос: с какой точностью необходимо задать эмиссию каждого из газов в атмосферу или скорости фотохимических реакций, чтобы на выходе модели погрешность результатов не превосходила некоторую заданную величину. Рассмотрению этой сложной проблемы с помощью методов статистических испытаний будут посвящены несколько статей.
Недостаточность вычислительных ресурсов до сих пор является серьезным препятствием проведению большого количества численных экспериментов с помощью комплексных трехмерных
моделей. В свете сказанного представляется вполне резонным повторить тот путь последовательного усложнения, который прошли сами модели, то есть, используя более простые модели, отработать методику и оценки статистической значимости их результатов, выявить наиболее и наименее чувствительные модельные параметры и лишь затем перейти к более сложным и громоздким моделям.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИСПОЛЬЗУЕМОЙ МОДЕЛИ
Одномерная нестационарная радиационно-фо-тохимическая модель представляет собой сочетание одномерных радиационно-конвективной и транспортно-фотохимической моделей с глобальным горизонтальным усреднением. Модель учитывает около 150 основных фотохимических атмосферных реакций (в том числе фотолитиче-ских), она позволяет рассчитать вертикальные профили 44 компонент атмосферного воздуха в слое 0-50 км. Среди них: кислородные - O(XD), O(3P) и O3, водородные - H2, HO2, OH, H2O2, H2O (рассчитывается только в стратосфере), азотные -N2O, NO, NO2, NO3, N2O5, HNO3, HNO4, углеродные - CO, CH4, CH2O, CH3OOH, хлорные - Cl, ClO, HCl, HOCl, ClONO2 и бромные - Br, BrO, HBr, HOBr, BrONO2, а также большая группа других хлор- и бромсодержащих соединений. Концентрации ко-роткоживущих составляющих вычисляются в предположении фотохимического равновесия между ними. Для долгоживущих газов учитывается параметризованный вертикальный макротурбулентный перенос. В модели также учтены вымывание растворимых газов облаками и осадками, сухое оседание и взаимодействие с подстилающей поверхностью озона, образование окиси азота NO при грозовых разрядах, под действием галактических космических лучей и при работе двигателей транспортной авиации. По полученным профилям ради-ационно-активных газов в радиационно-конвек-тивном блоке рассчитываются вертикальный профиль температуры воздуха и изменения спектра солнечной радиации от концентраций H2O, O3, N2O, CH4 и т.д. Далее эти профили температуры и спектр радиации используются в фотохимическом блоке при расчете скоростей реакций. При расчете профиля температуры в радиационном блоке учитывается инерционная задержка, обусловленная океаном. Более подробное описание использованной модели можно найти в [11].
Ниже рассматривается чувствительность модельных результатов к неточностям задания приземной концентрации (или потоков от земной поверхности в атмосферу) ряда основных газов-загрязнителей. Таких газов (называемых источниковыми) в модели 18, а именно: закись азота N2O, метан СН4, окись углерода СО, азотные окислы NOX = NO + + NO2 и большая группа хлор- и бромсодержащих
химикатов (в дальнейшем для краткости именуемая ХФУ (хлорфторуглероды)) СБС13 (фреон-11), СБ2С12 (фреон-12), СНБ2С1 (фреон-22), СС12РССШ2 (фреон-113), СС1Р2ССШ2 (фреон-114), ССШ2СР3 (фреон-115), СН3СБС12 (фреон-141Ь), СНРС1СБ3 (фреон-124), СНС12СБ3 (фреон-123), СН3СС13 (метилхлороформ), СС14 (четыреххлори-стый углерод), СН3С1 (хлористый метил), СБ3С1Вг (галон-1211), СБ3Вг (галон-1301), СН3Вг (метил-бромид). При этом С02, ^0, СН4, СО, N0* обладают как естественными, так и антропогенными источниками, в то время как ХФУ (кроме СН3С1, СН3Вг) имеют антропогенное происхождение. Потоки в атмосферу источниковых газов и, как следствие, их концентрации растут от года к году (и эта тенденция, вероятно, сохранится в будущем), исключение составляют лишь некоторые ХФУ (фреоны-11, -12, метилхлороформ, четы-реххлористый углерод и др.), производство и использование которых регламентировано Монреальским протоколом.
Величину суммарной эмиссии источниковых газов в атмосферу практически невозможно определить непосредственно измерениями, вследствие разнородности их источников. Как следствие, ее размеры определяются экспертными оценками и отчасти решением обратной задачи, т.е. модельным восстановлением потока по измеренным значениям концентраций. Полученные экспертные оценки имеют значительные погрешности. Так, согласно [12], погрешности оценок ежегодных глобальных эмиссий закиси азота составляют -43.2...+74.5%, метана -35.7...+59.3%, азотных окислов -30.6.. .+53.0%, окиси углерода -40.8.. .+70.0%. Меньшая неопределенность в выбросах ХФУ обусловлена тем, что объемы их производства известны, и в этом случае погрешности экспертных оценок связаны только с разным сдвигом во времени между моментами производства и выброса различных ХФУ в атмосферу. Эти экспертные оценки получены в независимых исследованиях разных авторов, что приводит к столь заметному разбросу полученных значений. Здесь мы рассматриваем ряд модельных экспериментов, в каждом из которых задается ряд уровней неопределенности значений приземных концентраций (или эмиссий) источниковых газов.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Использованы два варианта модельных экспериментов. В первом из них поддерживается постоянный от года к году уровень загрязнения атмосферы, соответствующий величинам выбросов в 1995 г. В этом случае задача считается на 500 модельных лет до сходимости к состоянию равновесия и анализируются следующие 500 лет (стационарный вариант I). В основе второго варианта модельных экспериментов лежит сценарий А2 из [1], согласно которому выбросы источниковых
Таблица 1. Отношения* среднеквадратических отклонений содержаний в столбе к их средним значениям (%, числитель) и среднегодовые среднеглобальные значения (ед. Добсона (озон), мол/см2 (С1у, ОН), знаменатель) для возмущений в приземных концентрациях (потоках) ряда атмосферных газов (стационарный вариант I, группа О)
Возмущенный Содержание в столбе
поток газа (03)тр (03)стр (О3) (С1Х)стр (ОН)тр (ОН)стр
СН4 6.98/34.23 1.58/315.13 2.19/349.36 0.32/4.32 х 1015 13.28/1.07 х 1012 11.20/1.50 х 1013
СО 17.58/34.21 0.78/315.73 2.42/349.94 0.18/4.32 х 1015 45.77/1.09 х 1012 0.28/1.51 х 1013
Шу 26.06/33.83 0.69/315.64 3.41/349.46 0.94/4.32 х 1015 34.18/1.03 х 1012 0.003/1.51 х 1013
N20 9.54/34.21 4.29/310.10 7.40/344.30 0.58/4.33 х 1015 2.30/1.08 х 1012 1.50/1.51 х 1013
ХФУ 0.47/34.42 2.49/315.33 2.28/349.74 40.02/4.41 х 1015 2.18/1.06 х 1012
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.