ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 2, с. 147-162
УДК 551.511
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТАНОВОГО ЦИКЛА И ПРОЦЕССОВ В БОЛОТНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ В КЛИМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ СЛОЖНОСТИ
© 2008 г. А. В. Елисеев, И. И. Мохов, М. М. Аржанов, П. Ф. Демченко, С. Н. Денисов
Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: eliseev@ifaran.ru Поступила в редакцию 06.04.2007 г., после доработки 05.06.2007 г.
Климатическая модель ИФА РАН (КМ ИФА РАН) дополнена блоком термофизики почвы и метановым циклом, учитывающим отклик на вариации климата эмиссий метана болотными экосистемами. Эмиссии метана возможны только от незамерзших верхних слоев почвы с дополнительным ограничением по глубине расчетного слоя. Все болотные экосистемы считаются насыщенными влагой. Молярное количество метана, окисленного в атмосфере, добавляется к модельной атмосферной концентрации CO2. С полученной моделью проведены контрольный доиндустриальный эксперимент, а также численные эксперименты для XVII-XXI веков с учетом форсинга за счет парниковых газов и тропосферных сульфатных аэрозолей. Получено, что КМ ИФА РАН в целом воспроизводит доинду-стриальные и современные характеристики сезонного протаивания/промерзания грунта и метанового цикла. В XXI веке при общем потеплении площадь распространения вечной мерзлоты сокращается на 4 млн. км2. Эмиссии метана болотными экосистемами, для доиндустриального и современного периода равные 130-140 МтСН4/год, к концу XXI века возрастают до 170-200 МтСН4/год. Концентрация метана в атмосфере при агрессивном сценарии антропогенного воздействия А2 монотонно возрастает до =3900 млрд-1. При более умеренных сценариях А1В и В1 она растет вплоть до середины XXI века, достигая =2100-2400 млрд-1, а затем уменьшается. Окисление метана в воздухе приводит к небольшому дополнительному росту концентрации углекислого газа в атмосфере. Учет взаимодействия процессов в болотных экосистемах и метанового цикла в КМ ИФА РАН приводит к дополнительному росту содержания метана в атмосфере на 10-20% в зависимости от сценария антропогенного воздействия и момента времени. Причинами этого служат температурная зависимость интегрального производства метана и увеличение длительности теплого периода в почве. Однако связанные с этим увеличение мгновенного парникового радиационного форсинга атмосферного метана и повышение средней приповерхностной температуры воздуха невелики (глобально < 0.1 Вт/м2 и < 0.05 К соответственно).
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время в ряде мировых центров развиваются климатические модели с интерактивным углеродным циклом [1-6]. Одним из основных результатов численных экспериментов с такими моделями является установление положительной обратной связи между климатом и углеродным циклом, увеличивающим содержание углекислого газа в атмосфере рС02 а и антропогенное потепление. Однако большинство таких моделей не учитывает метановый цикл как под-цикл углеродного цикла, и/или соответствующие расчеты проводятся без анализа обратных связей между климатом и метановым циклом [7]. В настоящее время парниковый радиационный форсинг метана сравним с соответствующим радиационным форсингом углекислого газа (=0.5 Вт/м2 и =1.5 Вт/м2 соответственно [8]) при росте концентрации метана в атмосфере с 630-720 млрд-1 в
доиндустриальный период [9] до =1800 млрд 1 в начале XXI века [8].
При этом характеристики метанового цикла также могут меняться при климатических изменениях. Одним из возможных механизмов является изменение эмиссий метана болотными экосистемами, связанное с температурной зависимостью производства метана бактериями почвы и изменениями уровня грунтовых вод [8, 10]. В настоящее время эмиссия метана влажными экосистемами (включая болота) является одним из основных источников метана, составляя 90-234 МтСН4/год [8, 11-15] при общей интенсивности источников метана (включая антропогенные) 600 ± 80 МтСН4/год [8, 11, 15].
В субполярных регионах суши, где ожидается наибольший рост температуры при будущих изменениях климата [8, 16], может также оказаться важным эффект деградации вечной мерзлоты
(ВМ), приводящий к вовлечению в биогеохимические процессы большие слои почвы с соответствующим увеличением производства метана [8, 11]. Так, для болот западной Сибири запас углерода в почве оценивается ~Ю ГтС [17]. При дальнейшем потеплении климата накопленный углерод может выделиться в атмосферу в виде метана или углекислого газа с соответсвующим парниковым эффектом. При общем потеплении может также усиливаться выделение метана растениями [18]. Однако современные климатические модели, включающие метановый цикл, не учитывают возможные изменения таких естественных источников метана. Дополнительным фактором, влияющим на содержание метана в атмосфере, является возможное изменение времени его нахождения в атмосфере из-за изменения интенсивности процессов его химического разложения [11, 15, 19].
В представленной работе приведены результаты, полученные при включении интерактивного метанового цикла (включающего в себя отклик эмиссий метана болотными экосистемами с учетом характеристик сезонного протаивания/промерза-ния почвы на изменения климата) и блока термофизики почвы (рассчитывающего характеристики сезонного протаивания/промерзания грунта) в климатическую модель, разработанную в Институте физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (КМ ИФА РАН) [2-5, 20-24] и относящуюся к классу глобальных климатических моделей промежуточной сложности [25, 26]. 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 ХУ11-ХХ столетий и со сценариями 8КБ8 А1В, А2 и В1 [8] - для XXI века.
2. ОПИСАНИЕ СОВМЕСТНОЙ
КЛИМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
Более ранние версии КМ ИФА РАН были описаны в [2-5, 20, 21, 23, 24, 27]. В данной работе в КМ ИФА РАН были включены интерактивные блоки термофизических процессов в почве, эмиссий метана болотными экосистемами и метанового цикла атмосферы.
2.1. Описание блока термофизики почвы
В текущей версии модели в качестве блока термофизики почвы взята схема [28]. Эта модель является обобщением задачи Стефана [29] на случай периодического годового хода температуры на нижней границе атмосферы Та, а также наличия снежного и мохово-лишайникового покровов. Исходя из годового хода полей осадков и температуры приземного воздуха, модель рассчитывает глу-
бину слоя сезонного протаивания/промерзания В. Зависимость текущей глубины протаивания/промерзания Д. от времени г в КМ ИФА РАН предписана в виде (г - г0)1/2 [29], начиная с весеннего перехода г0 температуры приземного воздуха через нулевое значение. Максимум глубины протаивания достигается в осенний момент перехода температуры через нулевое значение, после чего Д. скачком уменьшается до нуля, что соответствует развитию осеннего промерзания почвы.
Температура талого слоя почвы при наличии сезонного протаивания/промерзания рассчитывается линейной интерполяцией по глубине между температурой верхней границы почвы и нулевой температурой на глубине В.. В регионах, где Та положительна на протяжении всего календарного года (тропики и субтропики), температура почвы считается равномерно распределенной по глубине.
Влияние эффектов старения снега на Д. [3032] не учитывается. Плотность снега задается равной 250 кг/м3.
Пространственная неоднородность характеристик почвы внутри модельной ячейки не учитывается. Пространственное распределение типов почв задается по [33].
Следует иметь в виду, что в КМ ИФА РАН (как и в модели [34]) нет подразделения ВМ на сплошную, прерывистую и островную. Климатическая модель воспроизводит сезонное протаивание мно-голетнемерзлых грунтов в случае доминирования соответствующих климатических условий в модельной ячейке. В связи с этим воспроизведение площади распространения многолетнемерзлых грунтов 8р может считаться корректным, если эта площадь больше оцененной по наблюдениям площади распространения сплошной ВМ, но меньше оцененной по наблюдениям полной площади распространения ВМ [35]. При этом, однако, следует иметь в виду, что из-за большого отличия полной площади распространения многолетнемерзлых грунтов от площади распространения сплошной вечной мерзлоты (см. раздел 4) это условие является достаточно слабым критерием оценки реалистичности проведенных численных экспериментов. Более детальные критерии оценки реалистичности площади распространения ВМ для моделей относительно грубого пространственного разрешения в настоящее время, к сожалению, отсутствуют.
В будущей версии КМ ИФА РАН будет использована существенно более детальная модель почвенных процессов [36, 37], включающая в себя в том числе и детальный блок гидрологических процессов суши.
2.2. Описание блока эмиссий метана болотными экосистемами
Модель эмиссий метана болотными экосистемами основана на модели [38]. Общая интенсивность производства метана в единице объема взята равной
pch4, bs = ach4, bs + bch4, bs х DDT, (1)
где DDT - число градусо-дней за период, когда данный слой почвы не является замерзшим, а значения коэффициентов aCH , bs = 76.5 мгСН4 м-3 сут-1,
bCH bs = 8.1 х10-2 мгCH4 м-3 сут-2 °C-1 (эти значения
отличаются от рекомендованных в [38]). Полный поток метана от болотных экосистем в атмосферу
воздействия по данным реанализа была проведена в [40].
Недостатком использованной схемы расчета эмиссий метана болотными экосистемами является неучет ею влияния биопродуктивности болотных экосистем на количество углеродного субстрата почвы и, следовательно, на производство метана [41]. Это, в частности, приводит к неучету уменьшения выделения С02 из почвы болот при росте соответствующих эмиссий метана из-за уменьшения доступного углеродного субстрата почвы. Однако адекватный учет этого эффекта требует наличия пространственно распределенного блока наземного углеродного цикла, который еще не включен в КМ ИФА РАН.
Ech, bs = T)(20; -1) P
. (T - 2)/T0 ch, bs, ziQ10, bs , (2)
где T - температура данного слоя почвы (выраженная в гр
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.