научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ПОДСЕТОЧНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ РАСТИТЕЛЬНОСТИ НА РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ ХАРАКТЕРИСТИК УГЛЕРОДНОГО ЦИКЛА Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ПОДСЕТОЧНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ РАСТИТЕЛЬНОСТИ НА РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ ХАРАКТЕРИСТИК УГЛЕРОДНОГО ЦИКЛА»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2014, том 50, № 3, с. 259-270

УДК 551.511

ВЛИЯНИЕ ПОДСЕТОЧНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ РАСТИТЕЛЬНОСТИ НА РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ ХАРАКТЕРИСТИК УГЛЕРОДНОГО ЦИКЛА

© 2014 г. А. В. Елисеев*, **, Д. Е. Сергеев***

*Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН

119017Москва, Пыжевский пер., 3 **Казанский (Приволжский) федеральный университет 420008 Казань, ул. Кремлевская, 18 ***Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119991 Москва, ГСП-1, Ленинские горы E-mail: eliseev@ifaran.ru Поступила в редакцию 12.03.2013 г., после доработки 18.04.2013 г.

Блок углеродного цикла глобальной климатической модели, разработанной в Институте физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской академии наук (КМ ИФА РАН), расширен учетом подсе-точной неоднородности (ПН) функциональных типов растительности (ФТР). Учет ПН ФТР приводит к увеличению интенсивности фотосинтеза и запаса углерода в растительности и почве в регионах доминирования травяной растительности и увеличивает значения этих переменных в регионах доминирования древесной растительности. В ряде регионов учет ПН ФТР может приводить к двукратному изменению указанных переменных. Учет ПН ФТР в целом увеличивает (уменьшает) поток углерода в регионах, где он направлен из наземных экосистем в атмосферу (из атмосферы в наземные экосистемы).

Ключевые слова: углеродный цикл, подсеточная неоднородность, антропогенное воздействие, ЯСР, СМ1Р5, КМ ИФА РАН.

Б01: 10.7868/80002351514020035

1. ВВЕДЕНИЕ

Наземная растительность является одной из составляющих земной климатической системы. Как следствие, глобальные климатические изменения проявляются и в изменениях характеристик углеродного цикла, в том числе его наземного компонента. При этом изменения климата и углеродного цикла оказываются взаимодействующими между собой. В связи с этим в последние примерно полтора десятилетия в климатические модели внедряются схемы углеродного цикла [1].

Однако в настоящее время горизонтальный размер ячеек сетки атмосферных моделей составляет от половины градуса широты и долготы до нескольких градусов [1]. В тропиках и средних широтах это соответствует нескольким десяткам километров. Такой размер превышает пространственный масштаб смены разных типов растительности в пределах одной и той же биоклиматической зоны, часто составляющий несколько километров.

Учет подсеточной неоднородности (ПН) растительности в климатических моделях возможен

при использовании так называемого "мозаичного" подхода, когда модельная ячейка делится на части, в которых характеристики поверхности суши считаются однородными [2, 3]. Состояние атмосферы в такой ячейке предполагается однородным. "Мозаичный" подход удобен также при включении в климатическую модель блока динамики растительности (см., например, [4, 5]). При этом оказывается удобным объединение различных видов растений в группы, основанные на сходстве видов растений по физическим, филогенетическим и фенологическим свойствам. Такие группы получили название функциональных типов растительности (ФТР; в английском языке используется термин "plant functional types") [6].

В данной работе приведены результаты учета ПН типов наземной растительности с использованием "мозаичного" подхода в глобальной климатической модели (КМ) Института физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской Академии наук (ИФА РАН) [7—10]. При этом анализируются как влияние учета подсеточной неоднородности на доиндустриальные и современные характеристики наземного углеродного цикла, так и соответ-

260

ЕЛИСЕЕВ, СЕРГЕЕВ

ствующее влияние на отклик углеродного цикла модели при наличии антропогенного и естественного воздействия на земную климатическую систему.

2. МОДЕЛЬ

По сравнению с предыдущей версией КМ ИФА РАН [10], в используемую в данной работе версию модели были внесены следующие изменения:

1. Был произведен полный учет подсеточного распределения функциональных типов растительности. В предыдущих версиях КМ ИФА РАН ячейка вычислительной сетки делилась на две части, в одной из которых находился единственный доминирующий тип естественной растительности, а в другой — сельскохозяйственные угодья [7, 8]. В данной работе в модель включен полный учет мо-заичности: в каждой такой ячейке возможно наличие до ^PFT = 8 типов растительности (до семи функциональных типов естественной растительности).

2. К пяти ранее используемым естественным ФТР были добавлены еще два типа — пустоши и болотная растительность. Формальное включение пустоши в список ФТР удобно с технологической точки зрения. Включение болотной растительности связано с важностью болотных экосистем в углеродном балансе земной климатической системы. В частности, в болотах и других экосистемах с насыщенной влагой почвой углеродный субстрат почвы преобразуется в метан, а не в углекислый газ, типичный для других экосистем [11, 12]. Отклик продукции болотной растительности на изменение влагосодержания почвы качественно отличается от соответствующего отклика для других ФТР [13]. Значения определяющих параметров углеродного цикла КМ ИФА РАН для этого типа экосистем в настоящее время идентичны соответствующим значениям для кустарников. В дальнейшем планируется уточнение описания этого функционального типа растительности.

С КМ ИФА РАН были проведены численные эксперименты для 850—2300 гг. с учетом сценариев антропогенных и естественных воздействий на климат за счет парниковых газов, тропосферных и стратосферных вулканических сульфатных аэрозолей, изменения солнечной постоянной и изменения сельскохозяйственных площадей в соответствии с протоколом "Historical simulations" международного проекта сравнения климатических моделей CMIP5 (Coupled Models Intercom-parison project, phase 5, http://www.iiasa.ac.at/web-apps/tnt/RcpDb, см. также [11]). В частности, для XXI—XXIII веков антропогенные воздействия учитывались согласно сценариям RCP 2.6, RCP 4.5, RCP 6.0 и RCP 8.5. В соответствии с этим же про-

токолом в данной работе задавались изменения концентрации антропогенных парниковых газов, а не их эмиссии, и углеродный цикл КМ ИФА РАН использовался лишь для диагностики потоков СО2 из атмосферы в наземные экосистемы и запаса углерода в них.

Географическое распределение типов растительности было взято из данных [14] с пространственным разрешением 0.5° х 0.5°. Эти данные были объединены в 7 функциональных типов естественной растительности в соответствии с классификацией, используемой в КМ ИФА РАН. Были подготовлены два варианта распределения ФТР:

I. В каждой ячейке модельной сетки КМ ИФА РАН, имеющей размер 4.5° по широте и 6° по долготе, выбирался единственный доминирующий (по площади) тип естественной растительности.

II. В каждой ячейке модельной сетки КМ ИФА РАН задавалась доля площади, занятой каждым ФТР. При подготовке этих данных распределения растительности в модельных ячейках, где по данным [14] существовала сельскохозяйственная растительность, занимающая долю площади ячейки 8а, площадь 8}, } = 2,...,7, занятая каждым из естественных ФТР (за исключением пустоши), увеличивалась на ($2 + ... + 86).

Для обоих вариантов распределения ФТР (в дальнейшем в работе для простоты используется также синонимичный термин "вариант модели"; вариант I при этом идентичен версии модели, использованной в [10]) в расчетах дополнительно к естественным ФТР учитывалось изменение площади сельскохозяйственных угодий в соответствии со сценариями СМ!Р5. При этом доля площади ячейки, занятым естественными ФТР со второго по шестой, уменьшалась пропорционально доли площади, занятой им в предыдущий календарный год расчета (подобно тому, как это делалось при подготовке варианта II распределения типов растительности).

Начальным условием для всех расчетов служило равновесное состояние модели, полученное при варианте I распределения ФТР без учета сельскохозяйственных угодий. Дополнительно при этом считалось, что в частях ячеек модельной сетки, занятых пустошью, начальные значения запасов углерода в растительности и почве равны нулю. Это определяет, в частности, отнесение начального момента интегрирования варианта II модели по возможности дальше назад по времени (850 г. в данной работе), чтобы к началу периода интенсивных антропогенных эмиссий СО2 состояние углеродного цикла модели успело установиться.

В дальнейшем для любой модельной переменной Z символом 5Z будет обозначаться разность

ZII - ZI, где нижний индекс указывает на вариант модели.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ

Учет ПН ФТР в КМ ИФА РАН приводит к увеличению интенсивности фотосинтеза наземной растительности ¥0рр на 3 ПгС/год вплоть до начала ХХ века (рис. 1). Это составляет около 2.5% от значений ¥0рр в этот период.

Интенсивность фотосинтеза наземной растительности на единицу площади /врр при учете ПН ФТР увеличивается в регионах доминирования травяной растительности и уменьшается в регионах доминирования древесной растительности в тропиках (рис. 2). В регионах доминирования лесов умеренного пояса и тайги увеличение интенсивности фотосинтеза не столь значимо, так как летние температуры в этих регионах далеки от оптимальных для ФТР, отличных от внетропических лиственных и хвойных деревьев (более подробно см. [7, 8]). Это уменьшает отличие модельных значений интенсивности фотосинтеза от данных наблюдений, отмеченное в [8]. В частности, значения /ерр, полученные с вариантом II модели, хорошо согласуются с данными [15]. В большинстве регионов 5/еРР для доиндустриального периода и XIX века, как правило, равно нескольким десятых кгС м-2 е-1. Для ряда этих регионов это соответствует полутора-двукратному увеличению /врр относительно интенсивности фотосинтеза для варианта I модели, а интенсивность фотосинтеза древесных экосистем соответственно уменьшается на четверть-треть.

В XX-XXIII веках климатические изменения приводят к уменьшению различия Еврр между вариантами I и II модели. К началу XXI века 8ЕвРР уменьшается до 2 ПгС/год (рис. 1). При сценарии ЯСР 2.6 8ЕвРР немного увеличивается к концу XXIII века относительно своего значения в 2000 г. При сценариях ЯСР 4.5, ЯСР 6.0 и ЯСР 8.5 климатические изменения п

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