ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 3, с. 311-323
УДК 551.513.1
СВЯЗЬ МЕЖДУ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ К УДВОЕНИЮ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА И РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ОБЛАЧНОСТИ В СОВРЕМЕННЫХ
МОДЕЛЯХ КЛИМАТА
© 2008 г. Е. М. Володин
Институт вычислительной математики РАН 119991 Москва, ул. Губкина, 8 E-mail :volodin@inm. ras.ru Поступила в редакцию 22.02.2007 г., после доработки 24.05.2007 г.
Рассматривается связь величины равновесного глобального потепления при удвоении содержания углекислого газа (чувствительности климата) и распределения облачности, а также относительной влажности, в 18-ти современных моделях климата. Существует значительная корреляция между тремя индексами: 1) чувствительностью климата в моделях, 2) изменением среднего количества облаков при глобальном потеплении и 3) разностью количества облаков в тропиках и умеренных широтах. В моделях с высокой чувствительностью при моделировании современного климата количество облаков в тропиках меньше, а количество облаков в умеренных широтах над океанами больше, чем в моделях с низкой чувствительностью. В моделях с высокой чувствительностью климата относительная влажность воздуха в тропиках меньше, чем в моделях с низкой чувствительностью. Существует подобие между вертикальными профилями изменения облачности и относительной влажности при глобальном потеплении и вертикальными профилями разности этих величин, осредненных по тропикам и умеренным широтам. На основе полученных корреляций и данных наблюдений облачности и относительной влажности делается оценка чувствительности реальной климатической системы.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из важнейших проблем современной науки о климате является проблема определения равновесной чувствительности реальной климатической системы к удвоению содержания углекислого газа. Для определения равновесной чувствительности, как правило, проводятся численные эксперименты с моделью атмосферы и однородного 50-метрового слоя океана. Равновесный отклик на удвоение содержания СО2 достигается в таких моделях за 15-20 лет, в отличие от моделей атмосферы с глубоким океаном, где приспособление к изменению концентрации СО2 может продолжаться сотни лет. Величина глобального потепления при удвоении концентрации СО2 в 18-ти таких моделях приведена в таблице. Численные эксперименты с моделями проводились в 2004-2005 г. Результаты этих экспериментов использованы при написании 4-го отчета Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) [1]. Сами модели здесь будем называть моделями МГЭИК-4. Согласно данным таблицы, чувствительность климата для различных моделей составляет величину от 2.1 К до 4.4 К. По сравнению с результатами, приведенными в 3-м отчете МГЭИК (2.0-4.5 К), этот интервал практически не изменился. Поэтому возникает задача определения того, какой
должна быть чувствительность реальной климатической системы.
Основной вклад в разброс модельных оценок чувствительности климата вносит различная реакция облачности на глобальное потепление [2]. Прямой эксперимент с реальной климатической системой, определяющий ее чувствительность, невозможен. Поэтому проводятся попытки косвенного определения чувствительности. Один из подходов к этому вопросу состоит в том, чтобы найти соответствие между чувствительностью модели и воспроизведением моделью каких-либо параметров современного климата. Например, в [3] выявлена корреляция между амплитудой годового хода температуры и чувствительностью климата в моделях с 50-метровым слоем. Однако для моделей МГЭИК-4 коэффициент корреляции между амплитудой годового хода температуры и чувствительностью климата не превышает 0.3 [3]. Другой величиной, которая может быть связана с чувствительностью климата, является баланс коротковолновой радиации на поверхности [4]. Однако в [4] использованы данные СМ1Р-2 [5], где вычислялся неравновесный отклик моделей с полным океаном на удвоение СО2, т.е. отклик при росте концентрации СО2 на 1% в год до удвоения. Такой отклик зависит еще от того, каков эффективный слой океана, участвующий в глобальном потеплении. Кроме
Чувствительность климата к удвоению содержания CO2 для моделей МГЭИК-4
№ Модель дг(К)
1 UKMO-HadGEM 1, Великобритания 4.4
2 IPSL-CM4, Франция 4.4
3 MIROC3.2(hires), Япония 4.3
4 MIROC3.2(medres), Япония 4.0
5 CGCM3.1(T47), Канада 3.4
6 CGCM3.1(T63), Канада 3.4
7 ECHAM5/MPI-OM, Германия 3.4
8 GFDL-CM2.1, США 3.4
9 UKMO-HadCM3, Великобритания 3.3
10 ECHO-G, Германия/Корея 3.2
11 MRI-CGCM2.3.2, Япония 3.2
12 CSIRO-Mk3.0, Австралия 3.1
13 GFDL-CM2.0, США 2.9
14 CCSM3, США 2.7
15 GISS-EH, США 2.7
16 GISS-ER, США 2.7
17 INM-CM3.0, Россия 2.1
18 PCM, США 2.1
Модели упорядочены по убыванию чувствительности климата. Сведения о перечисленных моделях можно найти на http://www.pcmdi-llnl.gov.
того, раз основной вклад в различие чувствительности дает различная реакция облачности на глобальное потепление, логично искать соответствия чувствительности климата и распределения облачности в модели, а архив данных СМ1Р-2 не располагал данными облачности. Целью настоящей работы является установление зависимости между модельным распределением облачности, полученным при воспроизведении современного климата, а также связанной с ней относительной влажностью, и чувствительность климата данной модели к удвоению содержания углекислого газа.
ДАННЫЕ
Работа проводится по данным 18-ти моделей МГЭИК-4, равновесная чувствительность которых приведена в [1]. Используются данные общей облачности на модельной сетке по долготе и широте, а также трехмерной среднемесячной облачности на модельной сетке по долготе, широте и вертикали, и трехмерной среднемесячной относительной влажности на сетке модели по долготе и широте и, как правило, на 17-ти стандартных ^-уровнях по вертикали. Данные модели линейно интерполировались на сетку с шагом 5 х 4 градуса по долготе и широте и в случае трехмерных полей на 17-ти стандартных ^-уровней по вертикали,
где, возможно, использовались данные контрольного эксперимента с моделью атмосферы и 50-метровым слоем океана и аналогичного эксперимента, в котором задана удвоенная концентрация С02. Для тех моделей, где данные экспериментов с 50-метровым океаном были недоступны, использовались данные численного эксперимента по воспроизведению предындустриального климата с помощью модели атмосферы и полного океана. Кроме того, рассматривались данные эксперимента с ростом концентрации С02 по отношению к предындустриальной на 1% в год до удвоения (за 70 лет) и последующие 150 лет с удвоенной концентрацией С02. Для рассмотрения среднего состояния и отклика на удвоение С02 в этом случае использовались последние 20 лет этого численного эксперимента и соответствующие годы предын-дустриального эксперимента.
Для нахождения отличий климата моделей с различной чувствительностью строились композиты данных моделей с высокой и низкой чувствительностью. Композит величины X для моделей с высокой чувствительностью Хн вычислялся следующим образом:
ин ин
Хн = £Х;(АТ; - [АТ])/£(АТ - [АТ]),
г = 1 г = 1
где Ин - количество моделей с чувствительностью больше средней, АТ; - чувствительность модели г, [АТ] - чувствительность, усредненная по всем моделям (около 3.2 К). Аналогично, композит величины X для моделей с низкой чувствительностью ХЬ вычислялся следующим образом:
ИЬ ИЬ
Хь = £X;([АТ] - АТ{)/£([АТ] - АТ;),
1=1 'г=1
где ИЬ - количество моделей с чувствительностью меньше средней. Разность величины X для моделей с высокой и низкой чувствительностью есть Б = Хн - ХЬ. Такой метод приводит к большему вкладу в Хн и ХЬ моделей с чувствительностью, отличающейся от средней по сравнению с моделями с чувствительностью, близкой к средней. Это, в свою очередь, приводит к статистически более значимому вычислению величины Б.
Для сравнения с данными моделей использованы наблюдения общей облачности КССР Б2 [6], а также трехмерной относительной влажности БКА-15 [7].
РЕЗУЛЬТАТЫ
Рассмотрим изменение общей облачности при удвоении содержания С02 для моделей с высокой и низкой чувствительностью (рис. 1). В моделях с высокой чувствительностью происходит уменьшение
(а)
0 60Е 120Е 180 120W 60W 0
(б)
0 60Е 120Е 180 120W 60IW 0
-6 -4 -2 2 4
Рис. 1. Изменение облачности (%) при удвоении содержания СО2 в моделях с высокой (а) и низкой (б) чувствительностью.
облачности на 4-6% на большей части тропиков и умеренных широт. В высоких широтах, наоборот, происходит рост облачности на 4-8%. В моделях с низкой чувствительностью происходят лишь незначительные изменения облачности. На большей части площади облачность уменьшается на 1-2%. Изменение радиационно-облачного форсинга при удвоении СО2 в умеренных и тропических широтах (52°8-52°К составляет для моделей с высокой чувствительностью величину 2.7 Вт/м2, а для моделей с
низкой чувствительностью 0.2 Вт/м2. Среднеквадратичное отклонение этой величины для всех моделей составляет 1.25 Вт/м2, т.е. в 2 раза меньше, чем разность между моделями с высокой и низкой чувствительностью. Учитывая, что радиационный форсинг от удвоения СО2 на верхней границе атмосферы составляет около 3.7 Вт/м2, получаем, что радиационный форсинг от удвоения СО2 и изменения облаков составляет для моделей с высокой чувствительностью величину 6.4 Вт/м2, а для моделей с низкой чув-
-155Р'
6014-
-15"^:
-10,'
3014-
--- -10
5
-5
ЕО
к, *_____ '| Тй'' - \ I. »у^ -А ------ 1 5________и,---* Б " Л.
■^■■М л .--ю-ю-^^'- ■-•.У"10 :
-1а ШеЯ* 5. _
0 -5 308 ---—-я
5 10
10
10
10
608-
10
60Е
120Е
180
120W
60W
Рис. 2. Разность облачности (%) для моделей с высокой и низкой чувствительностью. Серым отмечена разность, превышающая по величине модельное СКО.
ствительностью 3.9 Вт/м2, т.е. в 1.65 раза меньше, что и объясняет примерно во столько же раз меньшую чувствительность. Рассмотрим теперь, как связано воспроизведение облачности для современного климата с чувствительностью модели. На рис. 2 представлена разность облачности для моделей с высокой и низкой чувствительностью. Модели с высокой чувствительностью имеют большую облачност
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.