ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 4, с. 379-400
УДК 551.513.1
ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ПРОГНОЗ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ В XIX—XXI ВЕКАХ С ПОМОЩЬЮ МОДЕЛИ ЗЕМНОЙ КЛИМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ИВМ РАН © 2013 г. Е. М. Володин, Н. А. Дианский, А. В. Гусев
Институт вычислительной математики РАН 119333 г. Москва, ул. Губкина, 8 E-mail: volodin@inm.ras.ru Поступила в редакцию 05.07.2012, после доработки 24.09.2012 г.
Рассматриваются результаты моделирования изменений климата в XIX—XXI веках с помощью модели климатической системы INMCM4 (Institute of Numerical Mathematics Climate Model, version 4) в рамках программы CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project, Phase 5). Эта модель, как и предыдущая версия INMCM3, обладает низкой чувствительностью к учетверению концентрации СО2, равной 4.0 К. Глобальное потепление к концу XXI века при сценарии RCP4.5 составляет в модели 1.9 К, а при сценарии RCP8.5 — 3.4 К. Пространственное распределение изменения температуры и осадков при увеличении парникового эффекта близко к тому, что было по данным модели INMCM3. Однако поток тепла в океан, а также рост уровня моря вследствие термического расширения в модели INMCM4 примерно в 1.5 раза превосходят эти показатели в модели INMCM3 при аналогичном сценарии. Рассматривается уменьшение площади морского льда, изменение потоков тепла, меридиональной циркуляции в океане при глобальном потеплении, а также некоторые аспекты естественной изменчивости климата в модели.
Ключевые слова: изменения климата, атмосфера, океан, криосфера, глобальное потепление, парниковые газы, углеродный цикл, МГЭИК.
Б01: 10.7868/8000235151304010Х
ВВЕДЕНИЕ
Согласно докладам МГЭИК (2007) (Международная группа экспертов по изменению климата) [1, 2], наблюдаемые в XX и начале XXI веков изменения климата обусловлены в основном антропогенным воздействием, связанным с выбросом в атмосферу парниковых газов, аэрозолей и других загрязняющих веществ. Понимание энергетического баланса климатической системы на базовом уровне означает, что простые модели типа модели Будыко [3] могут обеспечить грубую количественную оценку некоторых глобально усредненных характеристик климата. Однако более точные оценки обратных связей между компонентами климатической системы и региональных подробностей могут быть получены только с помощью сложных моделей климата и, следовательно, только с их помощью могут быть спрогнозированы глобальные и региональные изменения климата [1, 2].
Согласно определению Всемирной метеорологической организации (ВМО) [4], климатическую систему (КС) планеты Земля образуют следующие взаимодействующие между собой компоненты: 1) атмосфера — газовая оболочка Земли
сложного состава (кислород, азот, углекислый газ, водяной пар, озон и т.д.), воздействующая на перенос к поверхности Земли солнечной радиации, поступающей на ее верхнюю границу, и являющаяся наиболее изменчивой составляющей рассматриваемой системы; 2) океан — главный водный резервуар в системе, состоящий из соленых вод Мирового океана и прилегающих к нему морей, поглощающий основную часть поступающей на его поверхность солнечной радиации и представляющий собой благодаря высокой теплоемкости воды мощный аккумулятор энергии; 3) суша — поверхность континентов с ее гидрологической системой (внутренние водоемы, болота и реки), почва (в том числе с грунтовыми водами) и криолитозона ("вечная мерзлота"); 4) криосфера — континентальные и морские льды, горные ледники и снежный покров; 5) биота — растительность на суше и в океане, а также живые организмы в воздухе, море и на суше, включая человека.
Сложный нелинейный характер процессов, происходящих в климатической системе, не допускает использования экстраполяции прошлых тенденций или статистических и прочих, чисто
эмпирических, методов для получения прогностических оценок. Единственный инструмент, который может дать количественные оценки будущих изменений климата — это модель климатической системы Земли на основе совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана [1, 2]. При этом одним из основных требований к моделям, используемым для такого рода прогнозов, является адекватное воспроизведение современного климата и его прошлых изменений. Здесь под адекватным воспроизведением климата понимается согласованное с наблюдениями воспроизведение не только среднего состояния, но и, как минимум, вторых моментов климатических характеристик [5, 6]. Именно этому посвящена предыдущая работа авторов [7].
Прогноз будущих изменений климата может быть получен, если есть прогноз внешних воздействий, благодаря которым климат будет меняться. Как известно, основным воздействием, определяющим изменения климата в ближайшее столетие, считается увеличение концентрации парниковых газов, аэрозолей и других загрязняющих веществ вследствие антропогенного воздействия и, прежде всего, углекислого газа [1, 2], обусловленное в основном сжиганием ископаемого топлива. Напомним, что согласно оценкам IPCC [2], при различных сценариях развития человечества в XXI веке будет сожжено от 1 до 2.5 тыс. Гт топлива в пересчете на углерод (все разведанные запасы ископаемого топлива оцениваются в 5 тыс. Гт углерода [2]). Поэтому прогноз изменений климата зависит от прогноза роста концентрация этих газов, что, в свою очередь, является трудной задачей. Однако даже если сценарий изменения концентрации парниковых и других газов известен точно, различные модели климата могут давать различный прогноз изменений климата. Поэтому при составлении прогноза изменений климата в программах МГЭИК используют данные ансамбля моделей, для чего проводят международные сравнения этих моделей. В начале 2003 г. был объявлен международный проект CMIP3 — как продолжение CMIP (Coupled Model Intercomparison Project) и CMIP2 (см. http://cmip-pcmdi.llnl.gov) — по воспроизведению современного климата и прогноза его изменений с помощью климатических моделей. В 2004—2005 гг. проводились эксперименты по общим сценариям, предложенным МГЭИК [1]. В этом проекте принимали участие 23 модели климата, созданные в разных странах (см. [2]), в том числе и совместная модель INMCM3 (Institute of Numerical Mathematics Climate Model, версия 3), созданная в Институте вычислительной математики (ИВМ) РАН. Результаты этих экспериментов с INMCM3.0, выполненных по сценариям МГЭИК климатических изменений, описаны в [7]. Ансамблевые результаты по моделям МГЭИК положены в основу 4-го
отчета 1РСС [2] в качестве прогноза будущих изменений климата. Анализ воспроизведения современного климата моделями МГЭИК приведен в главах 8 и 9 4-го отчета [2], а также в большом ряде работ (см., например, [8—15]). Список подобных работ, рассортированный по проектам, можно найти на сайте СМ1Р3: http://www-pcm-di.llnl.gov/ipcc/subproject_publications.php.
Моделирование изменений климата при изменении концентрации парниковых газов проводилось и проводится и по более простым моделям, учитывающим, однако, нелокальные нелинейные взаимосвязи в климатической системе. Так, в работе [16] еще в 1980 г. с помощью зонально-осредненной модели общей циркуляции атмосферы было проведено изучение чувствительности климата к удвоению С02. В этой работе было показано, в частности, что нагревание тропосферы и подстилающей поверхности за счет парникового эффекта увеличивает вынос водяного пара в тропосферу с поверхности в низких и средних широтах и перенос его в высокие широты. Перенесенный пар способствует повышению температуры тропосферы в высоких широтах. Созданная в ИФА РАН климатическая модель промежуточной сложности [17] также применяется для изучения влияния парникового эффекта на изменение климата. Так, в работе [18] эта модель была дополнена нульмерным блоком углеродного цикла. В более позднюю версию климатической модели ИФА РАН [19] включен пространственно-распределенный блок углеродного цикла [20, 21]. Было показано, что параметр обратной связи между климатом и углеродным циклом меняется во времени не монотонно. Эта связь может приводить к дополнительному росту концентрации С02 в атмосфере.
Однако, как было сказано выше, более точные оценки обратных связей между компонентами климатической системы и региональных подробностей могут быть получены только с помощью более сложных моделей климата. В России первый опыт проведения расчетов влияния парниковых эффектов с совместной моделью, в которой основные климатообразующие процессы были бы представлены наиболее полно, был получен в работе Володина и Дианского [22] в 2003 г. В этой работе был проведен анализ отклика ШМСМ2 [23] на увеличение содержания С02 в атмосфере и сопоставление этого отклика с данными других моделей, участвующих в СМ1Р2.
Таким образом, современные климатические модели считаются одним из наиболее мощных инструментов для анализа современного климата, понимания его прошлых изменений и прогноза вероятных будущих изменений. В настоящее время в мировом научном сообществе насчитывается несколько десятков климатических моде-
лей. Раз в 6—7 лет проводятся скоординированные сравнения этих моделей по программам СМ1Р. В 2010—2011 гг. проходила следующая фаза проекта по сравнению моделей климата СМ1Р5, в которой эксперименты проводились по заданным сценариям климатических изменений. Данная работа посвящена обзору основных результатов, полученных по модели климата ИВМ РАН ШМСМ4 при моделировании климата и его изменений в рамках проекта СМ1Р5. Настоящая работа в большей части не ставит целью подробный анализ физических механизмов представленных результатов по изменению климата, так как такой анализ выходит за рамки одной статьи. Также за рамками данной статьи остается сравнение данных модели ШМСМ4 с результатами других моделей СМ1Р5, потому что такое сравнение по многим показателям сразу очень трудоемко, и в будущем, несомненно, сравнению каждого аспекта климата в моделях СМ1Р5 будет посвящено множество работ. Здесь же ограничимся в основном сравнением с результатами, полученными по предыдущей версии модели ШМСМ3 и представленными в [7].
1. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
СОВМЕСТНОЙ МОДЕЛИ И ЧИСЛЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Изменения климата модел
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.