PDF (рукопись) - Институт физики атмосферы им. А.М.Обухова
реклама
Оценки изменений климата с помощью модели промежуточной сложности, включающей углеродный и метановый циклы А.В.Елисеев, И.И.Мохов, М.М.Аржанов, П.Ф.Демченко, С.Н.Денисов Институт физики атмосферы им. А.М.Обухова РАН г.Москва, 119017, Пыжевский пер., д.3 тел. (495) 951-5387, факс (495) 953-1652, e-mail: eliseev@ifaran.ru Климатическая модель (КМ) климата промежуточной КМ ИФА РАН [1] дополнена блоком углеродного цикла, включающего в себя подциклы углекислого газа и метана. В качестве блока расчета углекислого газа используется глобально осредненная модель [2, 3 ], учитывающая антропогенные эмиссии, прямое влияние роста концентрации углекислого газа в атмосфере на потоки CО2 между атмосферой, с одной стороны, и океаном и наземными экосистемами - с другой, а также влияние изменений климата на эти потоки. Дополнительно учитывается образование углекислого газа в атмосфере за счет окисления метана. В блоке метана учитывается влияние антропогенных эмиссий, влияние климатических изменений на эмиссии метана из почвы, а также атмосферный и почвенный стоки метана за счет его окисления с образованием углекислого газа [4, 5]. В модели не учитывается взаимодействие между подциклами углекислого газа и метана, связанное с ограничением по количеству углеродного субстрата почвы. Пространственное распределение болотных экосистем в модели задано по данным CDIAC NDP017 (http://cdiac.ornl.gov/epubs/ndp/ndp017/ndp017.html). С КМ ИФА РАН были проведены численные эксперименты для 1610--2100~гг. с заданием антропогенных эмиссий углекислого газа и метана по сценариям [6] и [5], соответственно. Для 2001-2100 гг. оба этих типа эмиссий задавались для сценариев SRES A1B, A2, B1 [7]. Концентрация закиси азота и сульфатных аэрозолей в были заданы подобно [6]. Внутригодовые изменения перечисленных радиационно-активных компонент атмосферы, а также вариации других внешних воздействий (солнечной постоянной, вулканизма, других антропогенных аэрозолей) не учитывались. Начальным условием для всех численных экспериментов служило равновесное доиндустриальное состояние модели. В доиндустриальный период площадь распространения вечной мерзлоты Sp в КМ ИФА РАН составляет около 14 млн.км2, что в целом согласуется с оценками Международной ассоциации исследования вечной мерзлоты (см. [6]). В экспериментах Sp меняется незначительно вплоть до конца ХХ века. Затем площадь распространения ВМ уменьшается вплоть до середины XXI века, достигая 9.3-9.8 млн.км2. Для современного режима наибольшие значения глубины сезонного протаивания Df (>2.5 м) достигаются на южной границе распространения многолетнемерзлых грунтов. К полярной границе континентов Северного полушария Df уменьшается до 1 м. При развитии антропогенного потепления глубина сезонного протаивания увеличивается на 0.4-0.8 м в средней Сибири и на Чукотке, в восточной Сибири увеличение глубин сезонного протаивания меньше (0.2-0.6 м в зависимости от сценария); еще меньшее изменение Df (<0.4 м) воспроизведено для Северной Америки. Доиндустриальное значение эмиссий метана ECH4,bs болотными экосистемами в КМ ИФА РАН составляет около 130 МтСН4/год, согласуясь с наблюдательными оценками. Вклад тропических и внетропических болотных экосистем в модельные ECH4,bs, МтСН4/год эмиссии составляет около 95 МтСН4/год и 30 МтСН4/год соответственно. Для тропиков модельная величина хорошо согласуется с наблюдательными оценками, для внетропической зоны она ниже их. В КМ ИФА РАН основное выделение метана болотными экосистемами сосредоточено в центральной Африке, западной Сибири, на северо-востоке Северной Америки, в центре Южной Америки, и в меньшей степени - в северо-восточной части Европы, на западе Тибета и на Аляске. Это в целом согласуется с оценками по данным наблюдений CDIAC Рис.1: Полные эмиссии метана болотными NDP017. Для XVII-XX веков экосистемами для сценариев A2, А1В и В1 (сплошная, полные эмиссии метана штрихпунктирная и пунктирная линии соответственно). болотными экосистемами Светло-серой областью показаны наблюдательные меняются незначительно (рис.1). В оценки Института морских и атмосферных XXI веке КМ ИФА РАН исследований (Утрехт, Голландия). воспроизводит заметный рост эмиссий метана от болотных экосистем. К концу XXI века их значения достигают 168 МтСН4/год при сценарии В1, 179 МтСН4/год при сценарии А1В и 191 МтСН4/год при сценарии А2 (рис.1). Рост эмиссий отмечен для всех регионов, где метан выделяется при современном климате. Особенно сильно значения ECH4,bs возрастают в регионах западной Сибири и в Северной Америки, где в XXI веке при антропогенном потеплении отмечается большой рост температуры и увеличение глубины сезонного протаивания многолетнемерзлых грунтов. Эмиссии метана внетропическими болотными экосистемами к концу XXI с полной моделью возрастают до 57 МтСН4/год, 63 МтСН4/год и 70 МтСН4/год при сценариях В1, А1В и А2 соответственно. Общее увеличение эмиссий метана от тропических болотных экосистем меньше чем от внетропических. Сравнение экспериментов с различными версиями модели показывают, что рост эмиссий метана болотными экосистемами определяется, в основном, температурной зависимостью производства метана. Однако для регионов Сибири и Северной Америки вклад изменений длительности сезонного протаивания в общие изменения эмиссий метана болотными экосистемами достигает 10-20% от общего изменения эмиссий. В контрольном доиндустриальном эксперименте с КМ ИФА РАН равновесное значение концентрации метана в атмосфере составляет pCH4,a = 685 млрд-1. Это значение находится внутри интервала 630-720 млрд-1, характерного для доиндустриального периода, полученного п данным ледового бурения. Модель также в целом воспроизводит изменения концентрации метана в атмосфере для XVII-XX веков. Так, для 1991-2000 гг. эта величина меняется в интервале 1750-1843 млрд-1 (рис.2), согласуясь с наблюдаемыми -1 значениями (рис.2). Для более pCH4,a, млрд раннего периода отмечено некоторое завышение pCH4,a моделью. Влияние этой модельной ошибки на ошибку в воспроизведении глобального мгновенного радиационного форсинга на верхней границе атмосферы в XIX-XX вв. не оказывает. В XXI веке в полной версии модели при агрессивном сценарии эмиссий А2 концентрация метана в атмосфере монотонно возрастает до 3900 млрд-1 (рис.2). При более умеренных сценариях эмиссий А1В и В1 pCH4,a растет вплоть до середины XXI века, достигая 2400 млрд-1 и 2100 Рис.2. Концентрация метана в атмосфере в для млрд-1 соответственно, а затем сценариев A2, А1В и В1 (черные сплошная, уменьшается, достигая к концу XXI штрихпунктирная и пунктирная линии века значений 2000 млрд-1 и соответственно) в сравнении с данными ледового 1750 млрд-1 соответственно (рис.2). бурения на станции Лоу Доум (Антарктида) (серая Глобальный мгновенный кривая) радиационный форсинг метана на верхней границе атмосферы в полной версии модели к концу XXI века составляет 1.1 Вт/м2, 0.5 Вт/м2 и 0.4 Вт/м2 при сценариях A2, А1В и В1 соответственно. Эти величины существенно меньше величин соответствующего радиационного форсинга за счет CO2 в атмосфере (6.9 Вт/м2 при сценарии А2 и 4.5 Вт/м2 при сценарии В1). В версии модели, в которой изменения климата на метановый цикл не учитываются (fixclim), концентрации метана в атмосфере меньше, чем в полной модели. Так, к концу XXI века в версии fixclim pCH4,a составляет 3669 млрд-1, 1798 млрд-1 и 1617 млрд-1 при сценариях А2, А1В и В1 соответственно. Максимальные значения концентраций в середине XXI века при сценариях А1В и В1 равны при этом 2299 млрд-1 и 2038 млрд-1 соответственно. Влияние изменений климата на содержание эмиссий в атмосфере может быть оценено с помощью параметра обратной связи между климатом и метановым циклом fCH4 = pCH4,afull / pCH4,afixclim, где верхний индекс указывает на версию модели (полную или fixclim), а - на изменение величины от начала интегрирования до выбранного момента времени. Подобный индекс используется при анализе обратной связи между климатом и углеродным циклом [1]. Взаимодействие климата и метанового цикла увеличивает рост содержания метана в атмосфере относительно начала интегрирования на 5-10% вплоть до конца XX века. Для агрессивного сценария эмиссий А2 эта оценка остается справедливой вплоть до конца XXI века. При сценариях А1В и В1 параметр обратной связи fCH4 резко возрастает в XXI веке вплоть до значений около 1.2. Тем не менее, глобальный мгновенный радиационный форсинг на верхней границе атмосферы за счет метана не меняется существенно между Tg, K соответствующими расчетами с полной моделью и с версией fixclim (не более. 0.07 Вт/м2). В соответствии с этим, различие изменений глобальной среднегодовой приповерхностной температуры Tg между экспериментами не превышает 0.05 К (полные изменения Tg приведены на рис.3). Это существенно отличается от взаимодействия климата и подцикла углекислого газа, которое увеличивало глобальное потепление на 10% [1]. На региональном уровне различия приповерхностной температуры между экспериментами с полной Рис.3. Изменение глобальной среднегодовой моделью и с версией fixclim также температуры относительно доиндустриального невелики. состояния для сценариев A2, А1В и В1 (сплошная, Работа была выполнена при штрихпунктирная и пунктирная линии соответственно). поддержке Российского фонда Серой линией показаны наблюдения Climate Research фундаментальных исследований, Unit (University of East Anglia) Программ РАН и Роснауки и гранта Президента РФ НШ4166.2005.5. Литература 1. Мохов И.И., Елисеев А.В., Демченко П.Ф., Хон В.Ч., Акперов М.Г., Аржанов М.М., Карпенко А.А., Тихонов В.А., Чернокульский А.В. Климатические изменения и их оценки с использованием глобальной модели ИФА РАН // Доклады РАН. 2005. Т.402. N.2. C.243-247. 2. Елисеев А.В., Мохов И.И., Карпенко А.А. Вариации климата и углеродного цикла в XX-XXI веках в модели промежуточной сложности // Изв.РАН. Физика атмосферы и океана. 2007. T.43. N.1. С.3-17. 3. Eliseev A.V., Mokhov I.I. Carbon cycle-climate feedback sensitivity to parameter changes of a zerodimensional terrestrial carbon cycle scheme in a climate model of intermediate complexity // Theor.Appl.Climatol. 2007. V.89. N.1-2. P.9-24. 4. Мохов И.И., Елисеев А.В., Денисов С.Н. Модельная диагностика изменений эмиссии метана болотными экосистемами во второй половине ХХ века с использованием данных реанализа // Доклады РАН. 2007. [в печати] 5. Елисеев А.В., Мохов И.И., Аржанов М.М., Демченко П.Ф., Денисов С.Н. Учет взаимодействия метанового цикла и процессов в болотных экосистемах в климатической модели промежуточной сложности // Изв.РАН. Физика атмосферы и океана [представлена к публикации]. 6. Мохов И.И., Безверхний В.А., Елисеев А.В., Карпенко А.А. Модельные оценки глобальных климатических изменений в XXI веке с учетом различных сценариев вариаций солнечной активности // Доклады РАН. 2006. Т.411. N.2. C.250-253 7. Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Houghton J.T., Ding Y., Griggs D.J. et al. (eds.). Cambridge/New York: Cambridge University Press. 2001. 881 p.
