ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 6, с. 723-736
УДК 551.511
ВЛИЯНИЕ ВУЛКАНИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ НА ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА ПОСЛЕДНИХ НЕСКОЛЬКИХ ВЕКОВ: ОЦЕНКИ С КЛИМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛЬЮ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ СЛОЖНОСТИ
© 2008 г. А. В. Елисеев, И. И. Мохов
Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: eliseev@ifaran.ru Поступила в редакцию 27.02.2008 г., после доработки 08.04.2008 г.
Климатическая модель промежуточной сложности Института физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН (КМ ИФА РАН) дополнена блоком учета вулканического воздействия на климат. С моделью проведены ансамблевые эксперименты для XVII-XX веков, в которых, наряду с учетом вулканического воздействия, учитывалось также антропогенное воздействие на климат за счет парниковых газов и сульфатных аэрозолей, а также естественное воздействие на климат за счет изменения светимости Солнца. Модель реалистично воспроизводит среднегодовой отклик приповерхностной температуры атмосферы и осадков на крупнейшие извержения как на глобальном, так и на региональном масштабе. В частности, уменьшение глобальной среднегодовой температуры Tg в КМ ИФА РАН после крупнейших извержений второй половины XX века - вулканов Агунг (1963 г.), Эль-Чичон (1982 г.) и Пинатубо (1991 г.) - составляет 0.28 К, 0.27 К и 0.46 К соответственно, согласуясь с оценками по данным наблюдений. Кроме того, в КМ ИФА РАН вулканические извержения приводят к общему уменьшению осадков, наиболее заметному также над сушей средних и высоких широт Северного полушария. Сезонное распределение отклика хорошо согласуется с наблюдениями для извержений тропических и субтропических вулканов. На междекадном масштабе вулканизм приводит к вариациям Tg порядка 0.1 К. В численных экспериментах с учетом антропогенного и естественного форсинга модель воспроизводит общее изменение приповерхностной температуры за последние несколько веков. При этом учет вулканического воздействия на климат, наряду с воздействием за счет изменения светимости Солнца, позволил частично воспроизвести немонотонность глобального потепления XX века.
1. ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на то, что согласно современным представлениям основной вклад в глобальное потепление, наблюдавшееся в последнее столетие, вносит антропогенное воздействие, нельзя исключать роль и естественных внешних воздействий на климатическую систему (а также вклада естественной климатической изменчивости) [1, 2]. Среди естественных внешних воздействий, значимых на масштабах десятилетий и столетий, можно выделить изменение светимости Солнца (включая как циклические компоненты, так и трендовую составляющую) и вулканическую активность.
В результате крупных вулканических извержений в атмосферу выбрасывается большое количество соединений серы. При этом большая часть этих соединений оказывается в стратосфере, где остается в течение 1-2 лет [3]. Охлаждающий глобальный мгновенный радиационный форсинг (называемый также радиационным возмущающим воздействием [4]) для наиболее сильных извержений по абсолютной величине достигает 3-5 Вт м-2, а для сильнейшего за последние 200 лет извержения вулкана Тамбора (1815 г.) - ~6 Вт м-2 [5-7].
Как следствие вулканические извержения приводят к похолоданию климата в течении 1-2 лет [2, 3, 8, 9]. В частности, после извержения вулкана Тамбора лето 1816 г. было аномально холодным ("год без лета") [3]. С другой стороны, зимой, следующей после извержения вулкана в тропиках или субтропиках, отмечается потепление над сушей внетропиче-ских широт Северного и Южного полушарий [2, 3, 8, 9]. Последнее связывают с откликом циркуляции тропосферы (развитием положительной фазы Арктического и Антарктического колебаний) [3, 10-12] и усилением адвективного переноса тепла с океанических регионов на сушу. Зимнее потепление суши Северного полушария не проявляется при извержениях высоких широт, например, при извержении вулкана Катмай (1912 г.) [13].
Кроме того, уменьшение притока солнечной радиации к поверхности океана вызывает уменьшение испарения и соответствующее уменьшение осадков [14, 15] (см. также [16, 17]).
При увеличении повторяемости вулканических извержений в отдельные периоды они могут привести к заметному похолоданию климата в эти периоды. Так, совместное уменьшение солнечной посто-
янной и усиление вулканической активности считается основной причиной развития малого ледникового периода XVП-XIX веков [2, 3, 6, 18-20]. В свою очередь, уменьшение вулканической активности и рост солнечной постоянной могут служить причиной как средневекового климатического оптимума 1Х-Х11 веков [2, 3, 6, 18, 19, 21], так и потепления, наблюдавшегося в первой половине XX века [2, 3, 6, 18, 19, 21-23].
М.И. Будыко предложил рассматривать отклик климата на извержения вулканов как обоснование способа предотвращения глобального потепления, связанного с контролируемыми эмиссиями соединений серы в стратосферу [24]. В настоящее время наблюдается увеличение интереса к такому подходу [25-29]. Оценка эффективности такого способа предотвращения глобального потепления может быть сделана только с использованием климатических моделей. При этом неопределенность ряда управляющих параметров указанного способа предотвращения глобального потепления приводит к необходимости проводить большое число численных экспериментов с суммарной длиной в десятки и сотни тысяч лет. В связи с последним для такой оценки целесообразно использовать, наряду с климатическими моделями общей циркуляции, и климатические модели промежуточной сложности. Модели последнего класса позволяют оценить эффективность предложенного способа предотвращения глобального потепления как на глобальном, так и на региональном уровне при разумных вычислительных затратах [30, 31]. Однако необходимым условием использования выбранной климатической модели для оценки эффективности контролируемого воздействия на климат, связанного с эмиссиями соединений серы в стратосферу, является реалистичность отклика этой модели на вулканические извержения.
В представленной работе приводится описание схемы учета вулканического воздействия в климатической модели промежуточной сложности, разработанной в Институте физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (КМ ИФА РАН) [32-36] и оценка влияния вулканической активности на вариации климата последних нескольких столетий. При этом, в частности, будет сделан вывод о возможности использования КМ ИФА РАН для оценки эф-фетивности предотвращения глобального потепления, связанного с контролируемыми эмиссиями соединений серы в стратосферу.
2. МОДЕЛЬ И ЧИСЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
В работе были использованы результаты численных расчетов с КМ ИФА РАН [32-40]. Эта модель включает в себя блоки переноса коротковолновой и длинноволновой радиации, конвекции, образования облаков и осадков. В схеме переноса
коротковолновой радиации учитывается влияние облаков, водяного пара, озона и тропоферных сульфатных аэрозолей [33, 39]. В блоке переноса длинноволновой радиации учитывается температура и влажность атмосферы, облачность, углекислый газ, метан и закись азота (два последних парниковых газа - в приближении "эквивалентного С02" [33-36]). Крупномасштабная динамика атмосферы (с масштабом больше синоптического) описывается явно. Синоптические процессы параметризованы в предположении гауссовости их ансамблей [32, 33, 37]. КМ ИФА РАН включает в себя блоки углеродного [34, 35, 38-40] и метанового [36] циклов. Характеристики морского льда в КМ ИФА РАН рассчитываются диагностически в зависимости от приповерхностной температуры атмосферы и температуры поверхности океана. Гидрология почв в рассматриваемой версии модели предписана. Горизонтальное разрешение КМ ИФА РАН составляет 4.5° широты и 6° долготы и 8 уровней по вертикали в атмосфере (вплоть до 80 км).
В работе были использованы результаты численных расчетов с версией КМ ИФА РАН [36]) для 1610-2000 гг. Эта версия модели была дополнена учетом стратосферных вулканических аэрозолей. Их мгновенный радиационный форсинг на верхней границе атмосферы Rvoi,toa, в Км ИФА РАН линейно зависит от оптической толщины tvo1 на длине волны 0.55 мкм согласно
Rvo1, TOA = -avolTvol (1)
с коэффициентом avol = 22 Вт/м2 [41]. Сходное описание вулканического воздействия использовалось, например, в численных экспериментах с климатической моделью общей циркуляции ECHAM4/QPYC3 [42]. Следует отметить, что коэффициент о,о1 в разных публикациях варьируется от 13 Вт/м2 [43] до 30 Вт/м2 [44] (см. также [5, 45]).
В численном эксперименте VOL учитывалось только вулканическое воздействие на систему. Зонально осредненная оптическая толщина вулканических аэрозолей в этом эксперименте для 16101889 гг. была задана по среднегодовым данным [46], а для 1890-2000 гг. - по среднемесячным данным [47]. Зональное осреднение характеристик вулканического аэрозоля допустимо, по крайней мере, для численных экспериментов с климатическими моделями промежуточной сложности (и более простыми), ввиду быстрого распространения продуктов вулканического извержения в атмосфере в зональном направлении. Например, для извержений вулканов Эль-Чичон (1982 г.) и Пинатубо (1991 г.) характерное время такого распространения составило 3 недели, а для извержения вулкана Кракатау (1883 г.) - 2 недели [3].
Наряду с этим численным экспериментом, был также проведен численный эксперимент GHGSASOL, в котором учитывалось антропогенное воздействие на климат за счет антропогенных
парниковых газов (С02, CH4 и N2O), тропосферных сульфатных аэрозолей и вариаций солнечной постоянной. В этом эксперименте годовые эмиссии углекислого газа для периода 1860-2000 гг. за счет сжигания топлива и промышленной деятельности были заданы по данным [48], за счет землепользования - по данным [49]. Для 1610-1859 гг. эти эмиссии были продолжены назад по времени согласно [50]. Антропогенные эмиссии метана задавались для 1860-2000 гг. по данным [51], но уменьшенными на 13% (см. обсуждение этого в [36]). Годовые антропогенные эмиссии метана также были продолжены назад по времени для 1610-2100 гг. согласно [36]. Годовые естественные эмиссии метана болотными
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.