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.