ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 1, с. 3-17
УДК 551.511
ВАРИАЦИИ КЛИМАТА И УГЛЕРОДНОГО ЦИКЛА В XX-XXI ВЕКАХ ПО МОДЕЛИ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ СЛОЖНОСТИ
© 2007 г. А. В. Елисеев, И. И. Мохов, А. А. Карпенко
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: eliseev@ifaran.ru Поступила в редакцию 02.02.2006 г., после доработки 21.03.2006 г.
Климатическая модель промежуточной сложности ИФА РАН (КМ ИФА РАН) дополнена нуль-мерным блоком углеродного цикла. При задании эмиссий углекислого газа для второй половины XIX и XX вв. модель неплохо воспроизводит оценки характеристик углеродного цикла за этот период. При дальнейших антропогенных эмиссиях CO2 (при использовании сценариев SRES A1B, A2, B1 и В2), однако, в модели обратная связь между климатом и углеродным циклом приводит к дополнительному (по сравнению со случаем неучета влияния изменений климата на обмен углеродом между атмосферой и подстилающей поверхностью) росту концентрации углекислого газа в атмосфере. В зависимости от сценария этот дополнительный рост варьируется в диапазоне 67-90 млн.1 и определяется в основном динамикой запаса углерода в почве. Параметр обратной связи между климатом и углеродным циклом меняется во времени немонотонно. Положения его экстремумов позволяют выделить характерные периоды изменения интенсивности антропогенных эмиссий и вариаций климата. К концу XXI в. для использованных сценариев антропогенных эмиссий концентрация углекислого газа в зависимости от сценария эмиссий возрастает до 615-875 млн.-1, а глобальная температура - на 2.4-3.4 К относительно доиндустриального значения. В XX-XXI вв. можно ожидать общего роста доли эмиссий, накапливающихся в атмосфере и океане, и уменьшение - доли эмиссий, накапливающихся в наземных экосистемах. В целом более агрессивные сценарии эмиссий к концу XXI в. характеризуются меньшим параметром обратной связи между климатом и углеродным циклом, меньшей чувствительностью климата к единичному росту концентрации углекислого газа в атмосфере, большей долей эмиссий, накапливающихся в атмосфере и океане, и меньшей - накапливающихся в наземных экосистемах.
1. ВВЕДЕНИЕ
В последние десятилетия наблюдается рост приповерхностной температуры как при глобальном осреднении, так и в различных регионах [1-4]. Одной из вероятных причин этого изменения является парниковый эффект углекислого газа (и других антропогенных парниковых газов) [1, 3, 5]. Так, начиная с доиндустриального периода, концентрация углекислого газа в атмосфере ^со2, аш, выросла примерно 274-284 млн.-1 [6] до
377 млн.-1 в 2004 г. [7] (см. также [8]). В XXI в. ожидается дальнейший рост антропогенных эмиссий парниковых газов [1, 3, 8], что должно привести к дальнейшему росту дс02, аШ.
До недавнего времени климатический эффект роста содержания парниковых газов в атмосфере оценивался при задании сценариев изменения их концентраций в атмосфере (см., напр., [3, 9, 10]). Однако изменение концентрации парниковых газов в атмосфере определяется не только их эмиссиями, но и соответствующими потоками между атмосферой и подстилающей поверхностью. В свою очередь, климатические изменения могут
привести к изменению таких потоков. Так, поток углекислого газа из атмосферы в наземные экосистемы может измениться за счет отклика изменения биопродуктивности этих экосистем и интенсивности почвенного дыхания на вариации климата. В частности, заметные изменения первичной биологической продуктивности в последние десятилетия были отмечены как по результатам обработки спутниковых данных [11-13], так и по результатам моделирования первичной биологической продуктивности при задании сценариев климатических изменений [14, 15]. Также были отмечены заметные изменения потока углекислого газа между атмосферой и океаном между 1980-ми и 1990-ми гг. [3, 16-18]. Все эти изменения могут сказаться на будущем тренде дс0 ат, а следовательно, и на возможном отклике климата.
В связи с этим в последние несколько лет в ряде мировых центров моделирования климата в трехмерные климатические модели были внедрены интерактивные блоки углеродного цикла [19-30]. Основным результатом этих работ явилось выявление положительной обратной связи между климатом и углеродным циклом. Вариации климата
приводят к дополнительному росту углекислого газа в атмосфере (по сравнению со случаем, когда влияние климатических изменений на потоки между атмосферой и подстилающей поверхностью не учитывается). Однако интенсивность этой обратной связи существенно варьируется между моделями, меняясь в диапазоне 20-250 млн.-1 [19, 30].
В настоящей работе приводится описание результатов включения нуль-мерного блока углеродного цикла в климатическую модель промежуточной сложности Института физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН (КМ ИФА РАН) [31]. При этом впервые анализ обратной связи между климатом и углеродным циклом проводится для ансамбля четырех сценариев эмиссий SRES [3]. Следует отметить, что мультисценарные расчеты с климатическим моделями с углеродным циклом к настоящему времени проводились только с климатической моделью промежуточной сложности [29], но подробный анализ обратной связи между климатом и углеродным циклом в этой работе проведен не был.
2. ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ КЛИМАТА-УГЛЕРОДНОГО ЦИКЛА
Детальное описание климатического блока модели Института физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН (КМ ИФА РАН) приведено в [10, 32-34] и в настоящей работе не приводится для краткости. Сравнение КМ ИФА РАН (для версии без углеродного цикла) с данными наблюдений для современного климата и с результатами расчетов других климатических моделей различной степени сложности для сценариев климатических вариаций XXI века приведено в [10, 34, 35]. В частности, чувствительность модели к удвоению содержания концентрации углекислого газа в атмосфере составляет 2.2 K [10, 35] и расположена в нижней части диапазона, характерного для современных климатических моделей [3].
2.1. Общие уравнения нуль-мерного блока углеродного цикла
Считая углекислый газ в атмосфере хорошо перемешанным, изменение его среднегодовой концентрации можно описать уравнением
/CO,, atm
ECO2, ind + ECO2, lu FCO2, l FCO2, oc, (1)
где t - время, E,
CO , ind
и E
, lu - антропогенные
эмиссии углекислого газа за счет сжигания топлива и землепользования соответственно,
CO2, l
и
F,
CO2, oc
Сток углерода из атмосферы в наземные экосистемы моделируется системой уравнений
dCn
fco2, npp + FCO2, lf eco2, U
dC<
(2)
FCO2, lf FCO2, sr,
где С и, и С; - запас углерода в живой биомассе и в почве, FCOl мрр - первичная биологическая продуктивность, FCo2г у - опад, Есо2> „ - почвенное
дыхание. Последние три переменные зависят от соответствующих запасов углерода и аномалии глобально осредненной среднегодовой температуры (далее - просто глобальной температуры) ДТ, г Температурные зависимости при этом описываются зависимостями типа "Q10" [36] :
F
CO2, NPP
_ F
CO2, ph FCO2, br,
FCO2, ph Aphqf( qCO2, atm) Clb, corQw, ph
F _ A C QATS.q 'AT 0
FCO,, br AbrClbQ10, br ,
(3)
FCO2, lf AlfClb, FCO2, sr A srCsQ 10, sr
Здесь FCO рк - интенсивность фотосинтеза, Fco2, ъг - автотрофное дыхание, ЛрЪ ЛЪп Лу, Л6Т -постоянные, ДТ = 10 К, Q10,хх (хх = рк, Ъг, sг) - постоянные. Несмотря на недостатки Q10 - зависимостей для региональных или сезонных особенностей переменных в левых частях (3) [36], они достаточно аккуратно описывают соответствующие глобально осредненные характеристики [37, 38]. Последнее связано с относительной малостью вариаций глобальной температуры как для наблюдений за инструментальный период и реконструкций для последних нескольких тысячелетий, так и для модельных оценок климатических вариаций, ожидаемых в XXI в. [3]. Следует также отметить, что подобные зависимости используются и в ряде других климатических моделей. Так, зависимость ^10" используется при описании блока почвенного дыхания в большом числе современных климатических моделей с углеродным циклом различной степени сложности, участвовавших в проекте С4М1Р [30]. Ферти-лизация углекислым газом gf в (3) описывается согласно зависимости Михаэлиса-Ментон
Sf( qCO2, atm)
qCO,
' qCO,
qCO,, atm + qCO,, 1/2 qCO,, c
- потоки углекислого газа (в углеродных
единицах) из атмосферы в наземные и морские экосистемы соответственно.
где qco2,1/2, - точка полунасыщения, <^со2, с, - точка компенсации (пороговая концентрация углекислого газа в атмосфере, ниже которой фото-
синтез невозможен). Переменная Сй, сог - запас углерода в живой биомассе, "подправленный" с учетом потерь этой биомассы из-за сельскохозяйственной деятельности [38]:
dC
lb, cor
ADECO2, lu,
Л0 - постоянная. Такая формулировка грубо учитывает влияние землепользования на общую биомассу наземной растительности. Речной сток углерода в океан в модели не учитывается ввиду малости его вклада в общий баланс углерода [1]. Окончательно, поток углерода из атмосферы в наземные экосистемы [39]
F
CO, l
= Fe
•-Fe
(4)
Поток углекислого газа из атмосферы в океан в модели описывается, исходя из соображений пассивности океанического углеродного цикла [40]. Так, в настоящее время океан обменивается неорганическим углеродом с атмосферой в зависимости от растворимости С02 в морской воде. Эта растворимость в основном определяется разностью парциальных давлений С02 в верхнем слое морской воды и в приповерхностном слое воздуха. В принципе, при глобальном осреднении может быть сделана попытка связать указанную разность парциальных давлений с характеристиками концентрации углекислого газа в атмосфере дС0 аШ и
глобально осредненной среднегодовой температуры поверхности океана Тос, г В настоящей работе используется простейшая билинейная зависимость [23, 41]:
FC
= uC
iCO2, atm
dTo
■ - uT
(5)
с положительными постоянными иС0 и иТ.
Такая параметризация потока обладает физически желательным свойством обращения в ноль в случае нахождения системы в равновесии, когда концентрация углекислого газа в атмосфере и температура не меняются со временем. В то же время она обладает и рядом недостатков. Так, в случае прекращ
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.