ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 5, с. 591-610
УДК 551.511
ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕМПЕРАТУРНОГО И ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМОВ ПОЧВЫ В РАВНОВЕСНЫХ ЧИСЛЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ С МОДЕЛЬЮ КЛИМАТА ПРОМЕЖУТОЧНОЙ СЛОЖНОСТИ
© 2008 г. М. М. Аржанов, П. Ф. Демченко, А. В. Елисеев, И. И. Мохов
Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: arzhanov@ifaran.ru Поступила в редакцию 14.01.2008 г., после доработки 31.01.2008 г.
Климатическая модель (КМ) ИФА РАН расширена детальной схемой термических и гидрологических процессов почвы. В равновесных численных экспериментах с построенной совместной моделью при задании доиндустриального и современного значения концентрации углекислого газа в атмосфере модель хорошо воспроизводит характеристики теплового режима почвы, включая температуру ее поверхности и характеристики сезонного протаивания/промерзания грунта. В целом модель также воспроизводит гидрологию суши, включая зимний запас снега и речной сток с крупнейших водосборов. Несколько хуже модель воспризводит суммарное испарение с поверхности суши и влагосодержание почвы. Равновесный отклик модели на удвоение содержания углекислого газа в атмосфере характеризуется значительным потеплением поверхности почвы, сокращением площади распространения многолетнемерзлых грунтов и общим ростом испарения с континентов. Речной сток при этом увеличивается в высоких широтах и уменьшается в субтропических. Эти результаты качественно согласуются с выявленными по данным наблюдений для XX века и с расчетами с использованием современных климатических моделей для XXI века.
1. ВВЕДЕНИЕ
Климатические характеристики почвы важны как для взаимодействия суши и атмосферы [1], так и для определения состояния биосферы [2]. В частности, при антропогенном потеплении для большинства моделей характерно общее уменьшение влагосодержания почвы тропических и субтропических регионов [3, 4]. В более высоких широтах, наоборот, увлажненность почвы и сток увеличиваются [4-10].
Как следствие, задачи оценки термических и гидрологических характеристик состояния грунта пре-обретают все большую важность. Так, изменения приповерхностной температуры, происходившие в XX веке, были наиболее заметны над сушей высоких и субполярных широт [4]. Это же характерно и для ожидаемых в XXI веке климатических изменений [4]. Потепление суши высоких широт, в свою очередь, может привести к деградации и сокращению площади распространения вечной мерзлоты (ВМ) [4, 8, 10-19] с существенными изменениями природной среды [19-21] и значительным экономическим последствиям [19]. В частности, в [22] было выявлено резкое сокращение площади распространения многолетнемерзлых грунтов в модели СС8М3 в XXI в. при реалистичных сценариях антропогенного воздействия. Меньший, но значительный отклик на идентичные сценарии антропогенно-
го воздействия был получен в [23] для модели МШОС 3.2. Кроме того, изменение состояния почвы может приводить к дополнительному усилению потепления, прежде всего, из-за возможного исчезновения лесов в тропиках [24], служащих важным стоком углекислого газа из атмосферы, а также из-за выделения метана из почвы [21, 25-27].
В настоящее время большинство климатических моделей содержит схемы почвы, охватывающие лишь небольшую глубину (типично — до 3-4 м) и с небольшим числом расчетных слоев (1-5) [28]. Такая грубая дискретизация не позволяет достаточно подробно описывать характеристики сезонного протаивания/промерзания грунта и его влагосодержание [29]. Для уровня грунтовых вод недостаточная толщина расчетного слоя в ряде случаев приводит к опусканию этого уровня ниже границы расчетной области [30]. Подобного эффекта можно ожидать и для фронта фазового перехода влаги в грунте, прежде всего, при формировании таликов. Кроме того, даже при формальном расположении этого фронта внутри расчетной области, но достаточно близко к ее нижней границе, можно ожидать ухудшения точности расчета из-за влияния граничных условий [31]. В частности, указанные недостатки характерны для модели [22], что может сказаться на надежности ее оценок.
В современные климатические модели внедряются схемы с увеличенной глубиной расчетного слоя и с более детальной дискретизацией по вертикали [32, 33]. Однако такие схемы характеризуются достаточно большой вычислительной дороговизной. Последнее, в частности, существенно затрудняет их использование в упрощенных моделях климата, предназначенных для проведения массовых вычислений с суммарной длительностью в сотни тысяч и миллионы модельных лет [34, 35].
В Институте физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН разработана детальная, но относительно вычислительно дешевая схема термо- и гидрофизических процессов в почве [36, 37]. В настоящей работе представлены результаты включения этой схемы в КМ ИФА РАН на примере равновесных численных экспериментов при различной концентрации углекислого газа в атмосфере. Результаты соответствующих транзитивных (с реалистичными внешними воздействиями) численных экспериментов с КМ ИФА РАН будут опубликованы отдельно.
2. ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ И ЧИСЛЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
КМ ИФА РАН (версия, обозначеная в [38] FocNL-F1450) была дополнена детальным блоком термо- и гидрофизических процессов в почве [36, 37]. Одновременно из КМ ИФА РАН была исключена менее реалистичная схема теплофизики почвы, основанная на модели [39] и использованная ранее в [40]. По сравнению с [36, 37] при включении схемы почвенных процессов в КМ ИФА РАН в этой схеме были произведены следующие изменения:
• Параметризация длинноволновой составляющей радиацинного баланса была исключена из уравнения баланса энергии на поверхности почвы и заменена соответствующими радиационными потоками, непосредственно рассчитываемыми атмосферным блоком КМ ИФА РАН.
• В блоке гидрологии суши добавлен учет перехвата влаги растениями подобно модели ВАTS [41].
• Схема переноса влаги из почвы в атмосферу была дополнена блоком учета транспирации влаги растениями согласно [42].
• В верхнем слое почвы, наряду с возможностью выбора между минеральной почвой (глиной, суглинком, песком) и торфом, была добавлена возможность задания слоя нижней растительности (мхов и/или лишайников). Этот слой учитывался только в регионах тундры, лесотундры, холодного редколесья и бореальных лесов [43], где его толщина задавалась равной 5 см.
Доля модельной ячейки, покрытой растительностью, задавалась по среднегодовым данным FASIR [44], осредненным для 1982-1998 гг. Листовой индекс (с учетом только живых листьев), был задан по аналогичным среднемесячным данным. Распреде-
ление типов экосистем согласно упрощенной классификации Холдриджа [45] было взято по данным [46].
Географическое распределение минеральных типов почвы, как и в более ранних версиях модели, задавалось по данным [41]. В регионах болотных экосистем (согласно [47]) верхний двухметровый слой почвы считался заполненным торфом. При этом в гидрологическом блоке суши использовалась эффективная пористость, рассчитываемая как взвешенное по площади среднее между пористостью торфа и пористостью соответствующего типа минеральной почвы. Пористость минеральной почвы считалась независящей от глубины.
Расчетная толщина слоя почвогрунта (в дальнейшем для краткости называемым просто "почва") в модели составляет 63.15 м. Вертикальное разрешение составляет 5 см в верхних 10 м почвы, а ниже постепенно возрастает до 1 м. При диагностировании в том или ином вертикальном слое фазового перехода влаги толщина этого слоя уменьшается до 1 см с одновременным растяжением нижележащего слоя [48].
Следует отметить следующий недостаток гидрологической схемы модели. Так как пространственная неоднородность тех или иных величин внутри модельной клетки не учитывается и весеннее оттаивание почвы начинается только после полного протаивания снежного слоя, то весь талый снег прибавляется к речному стоку, а не участвует в увлажнении почвы. Это, по-видимому, служит одной из причин дефицита влаги в почве летом (см. ниже). В настоящее время предпринимаются попытки исправления этого недостатка модели.
Указанная схема почвенных процессов в почве использовась только для регионов суши, не покрытых ледовыми щитами. В регионах распространения ледовых щитов температура скинслоя поверхности считалась равной температуре приповерхностного воздуха. Толщина снежного покрова при этом считалась нулевой в предположении мгновенного преобразования снега в лед. Соответственно нулевыми в регионах ледниковых щитов считались также поток скрытого тепла и сток.
В используемой версии КМ ИФА РАН приповерхностная температура атмосферы была скорректирована на орографию (заданную по данным HYDROlk, http://edc. usgs.gov/products/eleva-tion/gtopo30/hydro/index.html), с учетом вертикального градиента температуры тропосферы, интерактивно рассчитываемого моделью [49].
Построенная совместная модель отличается высокой вычислительной эффективностью. Без учета затрат на сохранение данных на жесткий диск она требует около 50 с для расчета одного модельного года при использовании процессора Intel Xeon и компилятора Intel Fortran 9.0.
С моделью были проведены равновесные численные эксперименты с различными значениями концентрации углекислого газа в атмосфере: доин-дустриальной (270 млн-1, в дальнейшем этот эксперимент обозначается PI), современной (380 млн-1 эксперимент PD) и удвоенной доидустриальной (560 млн-1, эксперимент 2CO2). Влияние других внешних воздействий не учитывалось.
Следует отметить, что различие климатических характеристик между равновесными экспериментами Р! и PD не может служить аналогом изменения реального климата, начиная с доиндустриального периода. Адекватный учет такого изменения возможен только в транзитивных численных экспериментах и только при учете и других внешних воздействий (изменения концентрации других антропогенных газов, аэрозолей различной природы, солнечной постоянной). Можно ожидать, что отклик КМ ИФА РАН на рост концентрации углекислого газа между экспериментами Р1 и PD будет переоценивать реальные климатические изменения. Проведенные
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.