ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 5, с. 591-601
УДК 551.511
ВЛИЯНИЕ УЧЕТА ПРЯМОГО РАДИАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ СУЛЬФАТНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ НА РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ С КЛИМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛЬЮ 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 13.11.2006 г., после доработки 27.12.2006 г.
Климатическая модель промежуточной сложности КМ ИФА РАН дополнена блоком учета прямого радиационного форсинга антропогенных сульфатных аэрозолей (СА). С моделью проведены эксперименты с заданием сценариев парникового и сульфатного антропогенного воздействия для XIX и XX в. по наблюдательным оценкам, а для XXI в. - по сценариям SRES A1B, A2 и B1. Глобально осредненная величина прямого радиационного форсинга FASA антропогенных СА к концу XX столетия относительно доиндустриального состояния составляет -0.34 Вт/м2, что находится внутри диапазона неопределенности соответствующих современных оценок. Абсолютное значение FASA наиболее велико в Европе, Северной Америке и юго-восточной Азии. Общий рост прямого радиационного форсинга в проведенных численных экспериментах продолжается вплоть до середины XXI столетия. При учете как парникового, так и сульфатного воздействия общее потепление климата в модели к концу XXI в. относительно конца XX в. составляет 1.5-2.8 К в зависимости от сценария, а относительно доиндустриального периода - 2.1-3.4 К. При этом сульфатный аэрозоль замедляет глобальное потепление в разные временные периоды на 0.1-0.4 К в зависимости от сценария. Наибольшее замедление потепления (>1.5 K) при этом наблюдается над сушей средних и высоких широт Северного полушария в середине XXI столетия при сценарии А2. Отклик КМ ИФА РАН неаддитивен по отношению к парниковому и аэрозольному воздействиям.
1. введение
Радиационный форсинг сульфатных аэрозолей (СА) в атмосфере, наряду с парниковым радиационным форсингом, в настоящее время является одной из доминирующих компонент антропогенного воздействия на земную климатическую систему [1, 2]. Так, согласно [1, 3], глобальный мгновенный (не учитывающий приспособление стратосферы) парниковый форсинг на верхней границе атмосферы составляет 2.3 Вт/м2, прямой радиационный форсинг антропогенных сульфатных аэрозолей (АСА) составляет -(0.3-0.4) Вт/м2. При этом происходит заметная компенсация антропогенного парникового форсинга прямым аэрозольным форсингом. Такая компенсация еще более заметна на региональном уровне. В частности, основное количество (около 4/5 в конце XX в.) сульфатных аэрозолей сосредоточено в Северном полушарии (СП) и имеет четко выраженные максимумы концентрации в окрестности основных регионов загрязнения [4].
Загрязнение атмосферы сульфатами резко возросло в течение последних примерно полутора столетий с общим ростом эмиссий сульфатов
от «1 в 1850 г. до «70 в 1990-е гг. [4, 5]. Дальнейшей рост сульфатных эмиссий ожидается и в первой половине XXI в. [1]. В связи с этим большинство современных климатических моделей учитывает радиационный эффект сульфатов в численных экспериментах на воспроизведение климата XX в. и оценок будущих климатических изменений [6-11].
В представленной работе приведены результаты включения параметризации оптических характеристик тропосферных сульфатных аэрозолей для учета их прямого радиационного форсинга в климатическую модель, разработанную в Институте физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (КМ ИФА РАН) [12-19] и относящуюся к классу глобальных климатических моделей промежуточной сложности [20, 21]. С КМ ИФА РАН были проведены численные эксперименты с учетом различных комбинаций антропогенного парникового и сульфатного воздействия на климат, заданных в соответствии с оценками по данным наблюдений для второй половины XIX и XX столетий и со сценариями SRES А1В, А2 и В1 [1] - для XXI в.
2. описание блока расчета радиационного форсинга антропогенных сульфатных аэрозолей
В предыдущих версиях КМ ИФА РАН [12-19] учитывался только фоновый тропосферный аэрозоль, который считался однородно распределенным по горизонтали с оптической толщиной та, о = 0.1, действительной и мнимой частью показателя преломления гА г, 0 = 1.5 и гА , 0 = 0.05 соответственно (альбедо однократного рассения 0.99) и параметром асимметрии, соответствующим эффективному косинусу угла рассеяния 0.57. Вертикальное распределение аэрозоля в атмосфере считалось экспоненциальным с характерным масштабом На = 1.8 км. Прямой радиационный форсинг таких аэрозолей производился с использованием двухпотокового метода дельта-Эддингтона.
В данной работе радиационный блок модели был дополнен схемой учета антропогенных сульфатных аэрозолей. Оптическая толщина антропогенных сульфатных аэрозолей на длине волны 0.55 мкм рассчитывается согласно
tsa - CsaM
sa sa
(1)
подпериодов указанного временного интервала. В регионах сильного аэрозольного загрязнения характерные значения С8А = (5-7) м2/г SO4. Полная оптическая толщина аэрозолей в КМ ИФА РАН
ТА = та, 0 + тба.
В связи с тем, что фоновый аэрозоль в модели является частично поглощающим, мнимая часть показателя преломления на длине волны 0.55 мкм (определяющая интенсивность поглощения) также изменяется в зависимости от оптической толщины аэрозолей
1.0-2arctgCT(TASA"TA'o)"
П ТА, 0
(2)
где MSA - общая масса сульфатов на единицу площади. Величина коэффициента CSA была получена сравнением результатов расчетов распределения сульфатов по модели химии и переноса примесей в атмосфере MOZART 3.0 [22] и данных о суммарной в атмосферном столбе оптической толщине антропогенных СА для 1960-2000 гг. [23]. Средние для этого периода величины коэффициентов приведены на рис. 1. При этом значения CSA мало меняются при использовании данных для различных
Такое соотношение дает правильные асимптотики при доминировании СА, являющихся чисто рассеивающими, (гА г = 0, альбедо однократного рассеяния 1.0) и при их незначительно малом вкладе в общие оптические характеристики (гА, г = гА> и 0). Значение коэффициента СТ = 0.5 было выбрано из соображений реалистичного воспроизведения аэрозольного форсинга для XX в. (см. раздел 4). Остальные параметры радиационной коротковолновой схемы модели (действительная часть показателя преломления, параметр асимметрии), ее общая структура и вертикальный профиль аэрозолей остались такими же, как и в предыдущей версии.
Соотношение (1) аналогично (включая в том числе и характерные значения коэффициента С5А) использованным в [24, 25], за исключением явного неучета эффектов вариаций относительной влажности атмосферы на оптическую толщину аэрозоля. Последнее, однако, согласуется с используемым в данной версии КМ ИФА РАН приближением по-
rA, i rA, i, 0
стоянной относительной влажности атмосферы. Влияние региональных вариаций влажности на пространственное распределение TSA неявно учтено в соответствующем географическом распределении CSA. Зависимость оптических характеристик сульфатов от относительной влажности характеризуется заметной неопределенностью, в том числе из-за эффектов гистерезиса гидрации сульфатных аэрозолей и их химического состава [26, 27]. Влияние изменений относительной влажности на оптические параметры сульфатных аэрозолей так же не учитывается, как, например, в [28].
В настоящее время в КМ ИФА РАН учитывается только прямой радиационный эффект СА. Косвенные эффекты, связанные с ростом альбедо облаков при увеличении числа аэрозольных частиц, служащих ядрами конденсации [29], и увеличением общего количества облаков [30] (см. также [31-33]) в текущей версии модели не учитываются. Сульфатные аэрозоли в стратосфере из-за вулканических извержений в данной работе не рассматриваются.
3. численные эксперименты
С КМ ИФА РАН были проведены численные эксперименты для 1860-2100 гг. В этих экспериментах для XIX-XX в. были заданы эмиссии углекислого газа за счет сжигания топлива и промышленной деятельности по данным [34] и за счет землепользования - по данным [35]. Для 2001-2100 гг. оба этих типа эмиссий задавались для сценариев SRES A1B, A2, B1 [1]. Концентрация углекислого газа в атмосфере по этим эмиссиям была рассчитана интерактивно с использованием блока углеродного цикла КМ ИФА РАН. Концентрации метана и закиси азота для первого периода были заданы в соответствии с данными ледникового бурения в Гренландии [36, 37]. Для XXI в. изменения концентраций CH4 и N2O были заданы согласно расчетам с моделью BernCC при тех же сценариях эмиссий [1]. Изменение полного содержания СА в столбе атмосферы для всего периода было задано согласно результатам расчетов с моделью химии и переноса примесей в атмосфере MOZART 3.0 [22]. Внутригодовые изменения перечисленных радиационно-активных компонент атмосферы не учитывались. Начальным условием для всех численных экспериментов служило равновесное доиндустриальное состояние модели. В дальнейшем эти эксперименты обозначаются GHGSA.
Для анализа вклада СА в климатические изменения дополнительно были проведены численные эксперименты с заданием только парникового форсинга (с тА = тА, 0). В дальнейшем такие эксперименты обозначаются как GHG. Для анализа степени аддитивности отклика модели на радиационный парниковый и аэрозольный форсинги были
fasa, g, çt/m2 0 г
1900 1940 1980 2020 2060 2100 1920 1960 2000 2040 2080
Год
Рис. 2. Глобальный прямой радиационный форсинг за счет антропогенных сульфатных аэрозолей для сценариев А1В, А2, В1 (штрихпунктирная линия, сплошная и штриховая, линии соответственно). Дополнительно представлен диапазон неопределенностей оценок такого форсинга для 1990-х гг. [1, 3, 41, 42, 44, 45] (закрашенная область).
также проведены численные эксперименты с учетом только аэрозольного воздействия, в дальнейшем обозначаемые БА.
4. оценки прямого радиационного форсинга антропогенных сульфатных аэрозолей в км ифа ран
На рис. 2 приведена временная зависимость мгновенного глобального осредененного радиационного форсинга на верхней границе атмосферы FASA, g для трех сценариев изменения концентрации антропогенных C
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.