научная статья по теме ЦИКЛ МЕТАНА В МОДЕЛИ КЛИМАТА ИВМ РАН Геофизика

Текст научной статьи на тему «ЦИКЛ МЕТАНА В МОДЕЛИ КЛИМАТА ИВМ РАН»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 2, с. 163-170

УДК 551.513.1

ЦИКЛ МЕТАНА В МОДЕЛИ КЛИМАТА ИВМ РАН

© 2008 г. Е. М. Володин

Институт вычислительной математики РАН 119991 Москва, ул. Губкина, E-mail: volodin@inm.ras.ru Поступила в редакцию 21.03.2007 г., после доработки 27.09.2007 г.

В модель общей циркуляции атмосферы и океана с углеродным циклом включен блок эволюции метана. Он состоит из расчета источников метана в почве болотных экосистем и эволюции метана в атмосфере. С моделью проведен численный эксперимент по воспроизведению изменения климата и метанного цикла в 1860-2100 гг. по заданному сценарию выбросов метана согласно сценарию А1В. Распределение источников метана из почвы в модели соответствует имеющимся представлениям и составляет в XX веке около 240 Мт/год. К концу XXI века поток метана из почвы увеличивается до 340 Мт/год. Модель правильно воспроизводит рост концентрации метана в атмосфере от 800 частей на млрд. в 1860 г. до примерно 1800 частей на млрд. в 2000 г., но наблюдаемая стабилизация концентрации метана в начале XXI века в модели не получается. Около 2060 г. концентрация метана в модели достигает максимума, равного 2700 частей на млрд. Увеличение концентрации метана в атмосфере в основном достигается за счет антропогенных выбросов. Аналогичный численный эксперимент с фиксированными на уровне 1860-1900 гг. источниками метана из почвы показывает, что в этом случае максимальная концентрация метана согласно модели будет составлять 2400 частей на млрд. Повышение температуры в конце XXI века по сравнению с XIX веком составляет в модели при рассчитываемом изменении потока метана из почвы 3.5 градуса, а при фиксировании потока метана из почвы на 0.25 градуса меньше.

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных методов решения проблемы предсказания будущих изменений климата, обусловленных, прежде всего, ростом концентрации парниковых газов, является проведение численных экспериментов с моделями климата. Под моделями климата здесь будем понимать модели общей циркуляции атмосферы и океана, которые учитывают все основные климатообразующие факторы наиболее точным на настоящий момент способом. Кроме того, эти модели должны включать расчет концентрации самих парниковых газов по заданным антропогенным эмиссиям. Это необходимо потому, что концентрация парниковых газов зависит не только от антропогенных выбросов, но и от естественных источников и стоков, которые, в свою очередь, зависят от климата. Основным парниковым газом является углекислый газ. Модель общей циркуляции атмосферы и океана Института вычислительной математики (ИВМ) с включением эволюции углерода растений, почвы, океана и атмосферы, взятая за основу настоящей работы, описана в [1]. Следующим по важности парниковым газом, изменение радиационного воздействия которого в течение индустриального периода занимает второе место после СО2, является метан [2]. Данная работа посвящена включению блока эволюции метана в модель общей циркуляции атмосферы и

океана с углеродным циклом. В то время как углеродный цикл включен в настоящее время более чем в десяти моделях климата [3], эволюция метана при глобальном потеплении рассчитывается в меньшем количестве моделей. Изменение концентрации метана при глобальном потеплении обычно рассчитывается по упрощенным, интегральным моделям [4]. Или же разрабатываются отдельные модели эволюции метана в почве [5], включающие расчет потока из почвы, но не являющиеся составной частью модели климата. Частично такой подход обусловлен тем, что величина обратной связи между метанным циклом и изменениями климата не так сильна, как между углеродным циклом и изменениями климата. Это будет показано в настоящей работе. Тем не менее включение метанного блока в модель климата и оценка влияния изменения метанного цикла при изменении климата на само изменение климата представляют интерес.

ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ

В качестве модели общей циркуляции атмосферы и океана используется модель, разработанная в Институте вычислительной математики РАН [6]. Модель атмосферы имеет разрешение 5 х 4 градуса по долготе и широте и 21 уровень по вертикали. В модели океана разрешение составляет 2.5 х х 2 градуса по долготе и широте и 33 уровня по

163

2*

вертикали. С моделью проводились численные эксперименты по воспроизведению современного климата, его изменений в Х1Х-ХХ веках и оценке вероятных будущих изменений климата в ХХ1-ХХ11 веках при различных сценариях концентрации парниковых и других газов [7]. В качестве модели эмиссии метана из почвы используется модель [8]. Она включает следующие процессы: образование метана в насыщенной водой почве, окисление метана в ненасыщенной почве, вертикальная диффузия метана и выделение метана путем образования пузырьков и их всплывания.

Для концентрации метана в порах почвы О решается следующее уравнение:

д О/дг = д/дz(кд О/дz) - (Е, - Ер - ^о) 0 + Ео, (1)

где г - время, z - глубина, к - коэффициент диффузии, Ев, Ер, Ео - скорости уменьшения концентрации метана вследствие образования и всплывания пузырьков, всасывания растениями и окисления соответственно. ЕО - генерация метана в насыщенных водой почвах. Уравнение (1) решается на неравномерной сетке из 23 уровней. Глубина нижнего уровня составляет 10 м, а верхнего -0.01 м. Уровни для модели метана совпадают с уровнями в модели почвы [9], используемой в модели климата. На верхней границе в качестве граничного условия ставится заданная концентрация метана, соответствующая концентрации в воздухе. В качестве нижнего граничного условия используется условие отсутствия потока метана из глубины. Для решения применяется неявная схема по времени с шагом 1 час.

Источники и стоки метана вычисляются согласно модели [8] по следующим эмпирическим формулам:

—0 3

Е, = 0, если 0 < 500 х 10 0моль/см3, Е, = 1/3600 с-1, если 0 > 500 х 10-9моль/см3,

(2)

ЕР = 0.075/3600 с-1 х Е

(3)

где ЕОц - безразмерный множитель, характеризующий условия для роста растений. Он изменяется от 0 при неблагоприятных условиях до 4 при максимально благоприятных условиях для роста.

Окисление метана в ненасыщенных водой почвах вычисляется следующим образом:

Е = V

п ' гт

Т0)/10/(о + 00),

(4)

где V™, = 45/3600 х 10-9 моль/(см3 с), С10 = 2, 00 = = 5 х 10-9 моль/см3, Т0 задается различным для различных типов растительности (от 10°С для

тундры и хвойных лесов до 21°С для тропических лесов), Т - температура почвы.

Генерация метана в насыщенных водой почвах вычисляется следующим образом:

ЕО = Г0 ЕОЕО( 1 + ЕДРР/ЕДРРтах

(Т - Т0)/10 ) О10 А ЕT, (5)

где г0 = 0.6/3600 х 10-9 моль/(см3 с), F0R0 - доля органического вещества в почве, которая считается равной 0.5 в корневой зоне и спадает по экспоненте с увеличением глубины ниже корневой зоны, ЕДРР и ЕдРРтах - текущее и максимально возможное значение первичной продукции данного типа растений, С10А = 6, ЕТ = 1, если Т > 0°С и ЕТ = 0, если Т < 0°С. Зависимость количества органического вещества в почве от углеродного и метанного циклов в модели не учитывается.

Коэффициент диффузии к полагается равным 0.066 см2/с в ненасыщенных почвах и 0.066 х х 10-4 см2/с в насыщенных почвах.

Поток метана из почвы в атмосферу Е30К состоит из потока, обусловленного диффузией Еео, потока вследствие всасывания растениями ЕРР и потока, обусловленного всплытием на поверхность пузырьков метана ЕЕВ:

Рзогь = Рео + Ррр + ЕРв = кд 0/Э z (z = 0) +

N2

+ £( Ер + Ев) О А г,.,

(6)

, = 1

где I - индекс по вертикали, N2 - количество уровней в почве.

Вычисленный поток домножается на долю ячейки, занятую болотами. Распределение болот в модели задано согласно [10] и приведено на рис. 1а. Максимальная доля поверхности суши, покрытая болотами, приходится на западную Сибирь и север Европы, где эта величина достигает 35%. Географическое распределение болот в модели не меняется при изменениях климата, однако меняется уровень воды в них. Для расчета уровня воды болота условно подразделяются на два типа. Первый тип - болота, существующие преимущественно за счет превышения осадков над испарением, и второй тип - болота, существующие преимущественно за счет увлажнения почвы водой рек и озер. К первым относятся болота, существующие в местах, где средний многолетний сток по данным модели превышает 20% от среднего многолетнего количества выпавших осадков. В противном случае считается, что болота относятся ко второму типу. Согласно этой классифицации, большая часть болот умеренных и высоких широт относится к первому типу, т.е. такие болота питаются в основном за счет локального превышения осад-

(а)

80К 70К 60К 50К 40К 30К 20К 10К

вд 108 208 308 408 508

80К 70К 60К 50К 40К 30К 20К 10К

вд 108 208 308 408 508

180

5 10 15 20 25 30 35

(б)

60в

15 20

180

Рис. 1. а - Заданная в модели доля площади болотных экосистем (%); б - поток метана из почвы в модели в 1860— 1900 гг., г/(м2 год).

ков над испарением. Большая часть болот второго типа расположена в тропиках и субтропиках.

Считается, что в болоте почва насыщена водой глубже уровня Ъ0. Глубина этого уровня вычисляется в модели как:

^ = Ътах( 1 - (W/ Wо - WшiJ/(^тах- Wшin)), (7)

где Ътах = 100 см, W — количество воды в модели почвы в слое от 0 до 100 см, W0 — максимально возможное количество воды в почве в слое от 0

до 100 см, Wmin = 0.3, Wmax = 0.8. Для болот первого типа считается, что Ъ0 не может быть больше 100 см, а для болот второго типа Ъ0 не может превышать 25 см.

Концентрация метана в атмосфере С вычисляется в модели с помощью уравнения

ЭС/дг = (^ + ГЕМ15)Б - С/т, (8)

где ГЕМ13 — заданные выбросы метана вследствие деятельности человека, Б — численный множи-

тель, переводящий массу метана в концентрацию, а т - характерное время:

т = т0( С/С0)д

(9)

Здесь т0 - характерное время разложения метана в атмосфере при концентрации С0. Зависимость (9) взята из [10]. Численные значения констант составляют: т0 = 7.2 года, С0 = 800 частей на млрд, N = 0.12. Эти значения несколько отличаются от рекомендованных в [10]. Причины этого состоят в том, что, во-первых, в данной модели, в отличие от [10], не учитывается изменение кон

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