Моделирование палеоклиматов с целью изучения механизмов формирования климатических изменений А.В.Кислов Московский университет Географический факультет кафедра метеорологии и климатологии П Л А Н Проблемы, решаемые с помощью палеоклиматической информации. Источники данных: индикаторы и датировка. История климата: фанерозой, кайнозойская эра, плейстоцен, голоцен. Теория колебаний климата в плейстоцене. Моделирование климата 6 и 21 тыс. лет назад. Механизм Миланковича. Обратная связь «климат – растительность». События: Дансгора-Оешгера, Хайнриха, поздний дриас. Параллель с современным климатом. Климат последнего тысячелетия. аномалии 0 температуры С Использование палеоклиматических данных: прогноз изменений климата XXI века 5 4 3 палеоаналоги будущего потепления 2 1 1 2 3 4 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 сев. широта Нормированные на величину средней по полушарию температуры зональноосредненные аномалии температуры воздуха Палеоданные – тест для валидации климатических моделей Выявление новых физических механизмов формирования колебаний климата Использование палеоклиматических данных: динамика уровней морей, озер и Мирового океана f Y F e f0 Y0 F0 e0 Климатически-обусловленная динамика уровня океана Моделирование падения уровня Каспийского и Черного моря за счет снижения речного стока 21 тыс. лет назад во время максимума позднеплецйстоценового похолодания h (h)Y Использование палеоклиматических данных: история и археология Коллапс цивилизации майя рациональная интерпретация библейских событий: Всемирный потоп затопление древних поселений на шельфе Черного моря 14-15 тыс. лет назад 4200 лет назад: катастрофическ ая засуха, похолодание и коллапс цивилизации (Аккадианская культура) Интенсивность муссона южной Азии Использование палеоклиматических данных: реакция и адаптация состояния окружающей среды на изменения климата Биомы: современное распределение и 6000 14C лет назад Источники информации: индикаторы и датировки Древнейшее из ныне живущих деревьев (Bristlecone pine) ~ 5000 лет (Северная Америка) Перекрывающиеся участки Датировка по изотопным данным Th/U и 14С Палеоокеанологические индикаторы История климата: фанерозой, кайнозойская эра, плейстоцен, голоцен. Теория колебаний климата в плейстоцене СО2 и температура за последние 0,5 млрд. лет 3000 0 600 500 400 300 200 Ma, before present 100 0 600 500 400 300 200 100 0 106 years BP 1 - Будыко (1985), 2 - Frakes (1979) C 0 -10 -20 0 1000 20 10 ppmv 2000 Вариации дейтерия (t,0C), СО2, СН4, N2O в Антарктическом ледниковом керне и кривая 18О в морских отложениях Расположение скважин Морские изотопные стадии Ритмы: 100, 41, ~20 тыс. лет Спектр колебаний индикаторов Механизмы изменений климата: вариации инсоляции на внешней границе атмосферы T T T 2 T 3 T (t g ) f ak cos k t k Красный шум вклад гармоник Миланковича в дисперсию <20% Вариации инсоляции: ритмы 41 и ~20 тыс. лет Механизмы изменений климата T T T 2 T 3 T (t g ) f ak cos k t k Осциллятор с запаздыванием Эффект «переброса» dT T T 3 T ( t g ) dt dT T T 3 f dt Уравнение Ланжевена (броуновское движение) dT/dt=T(t)+ f 10 нормализованные флуктуации температуры (a=0.5,t=2) ~ 1 1 0,1 0,5 0 -0,5 0 10 20 30 40 *10 ka T T T 3 f a cos t k k k Стохастический резонанс 2 0,01 циклы/тыс.лет 0,001 0,001 -1 1 0,01 частота k совпадает с частотой переброса между устойчивыми состояниями 0,1 1 Криохрон, позднеледниковье и голоцен Восток Изменение уровня Мирового океана Русская равнина Сибирь Бэрд Купол «С» КемпСенчури Анализ пузырьков воздуха в ледниковых кернах Антарктиды и Гренландии Проект PMIP. Моделирование климата 6 и 21 тыс. лет назад. Механизм Миланковича. Обратная связь «климат – растительность». PMIP: граничные условия для LGM Моделирование глобально-осредненной температуры у поверхности (21 ka BP – 0) year jja djf -6 ukmo ugamp mri2 lmcelmd4 gfdl gen2 gen1 ccm1 ссс2.0 -5 -4 0 C МОЦА/МОЦО -3 -2 -1 МОЦА/ SST CLIMAP ugamp msu mri2 lmcelmd5 lmcelmd4 gen2 echam3 ccsr1 ссс2.0 year jja djf 0 -6 -5 -4 0 C -3 -2 -1 0 Среднегодовые аномалии температуры (LGM минус современный климат) средние аномалии -4 по PMIP -8 моделям 0 50 0 -12 -16 Современная ТНС -50 -20 -24 -150 -100 -50 0 50 100 150 Модельные отклонения температуры (K) воздуха у поверхности Земли 21000 лет назад от современных значений ( для среднегодовых условий ) Средняя SST. Модели: CCSM, FGOALS, HadCM, IPSL-CM, MIROC. LGM ТНС Сравнение реконструированных и модельных температурных аномалий (LGM минус современный климат) -20 -15 -10 -5 0 0 реконструкции -25 Равнинные регионы -5 -10 -15 -20 -25 модель -20 -15 -10 -5 1 0 0 реконструкции -25 -5 -10 -15 -20 -25 модель 2 3 4 5 6 7 8 9 1 – Western Europe (9) and North Africa (1) 2 - East European Plane (5) 3 – North-East North America (4) 4 – West Siberian Plane (10) 5 – Eastern Siberia and Chukotka (6) 6 – Greenland (1) 7 – Antarctica (1) 8 – Mongolia (2) and North China (2) 9 – Brazil (1) 10 – South Africa (2) 11 – Australia (1) Пространственное осреднение модельных данных и реконструкций PMIP: граничные условия для условий 6 тыс. лет назад Инсоляция на ВГА 6 тыс. лет назад СО2 - доиндустриальный уровень Средние по моделям PMIP аномалии температуры и осадков 6 тыс. лет назад Модельные различия (0С ) (мм/сут) Связь для различных моделей PMIP осадки (70-100E; 20-40N), мм/сут 3 bmrc ссс2.0 2 ccm1 ccsr1 cnrm2 csiro echam3 gen2 gfdl 1 giss lmcelmd4 lmcelmd5 mri2 msu ugamp 0 uiuc11 0 1 2 температура (40-150E; 30-60N) 3 ukmo yonu Изменения годовых сумм осадков в Северной Африке («6» минус «0» тыс. лет назад, PMIP) Границы в годовых суммах осадков для условий сухого степного ландшафта МОЦА/МОЦО Обратная связь «климат – растительность». «Зеленая волна» Вариации индийского муссона и климата Северной Атлантики в голоцене «Миланкович» YD a,b – индексы протяженности морского льда (по разным бурениям) с,d – индикаторы интенсивности муссона Номера – события IRD (ice-rafted debris events); 0 – малый ледниковый период Ea.Pl. S.Lett. 211 (2003) 371-380 Динамика климата за последние 12000 лет В тропиках – сдвиг Внутритропической зоны конвергенции (ВЗК) Интенсификация муссона в ответ на орбитальные изменения инсоляции 1.Рост наклонения 2.Перигелий совпадает с летним солнцестоянием +I’0 +RS +TS Рост осадков Перестройка свойств поверхности Увеличение транспирации Контраст суша-море Интенсификация муссона Региональные изменения в океане Рост переноса водяного пара на материк Короткопериодные явления: события ДансгораОешгера, Хайнриха, молодой дриас. Параллель с современным климатом. YD События Дансгора-Оешгера (D-О) и Хайнрика (Н) Баренцевоморский шельф Норвежское море Гренландия, Саммит Источники материала, переносимого айсбергами в океан во время Н-событий D-O события Глобальное проявление событий D-О и Н Синхронность вариаций интенсивности летнего муссона с событиями D-О Отклики на события D-O и Н в различных регионах Сибири Ослабление муссона в ответ на событие Хайнрика в Северной Атлантике Событие Хайнрика Сердж льда Гренландия, Исландия, Барентцевский шельф, Лаврентийский ледник распреснение остановка конвекции Охлаждение поверхности Изменения глобального конвейера: Прекращение захвата тепла в Южной Атлантике Рост температуры южного океана ? Сдвиг Маскаренского антициклона в высокие широты Ослабление муссона южной Азии О генезисе событий D-O Спектры колебаний палеоиндикаторов Потепление климата приводит к уменьшению интенсивности ТНС и приближает систему к бифуркационной точке (100 экспериментов с моделью промежуточной сложности) Распреснение Северной Атлантики и похолодание молодой дриас (YD) – последнее Н-событие (?) Пути перемещения талых вод, скапливающихся в оз.Агассиз Оз.Агассиз Аномалии температуры при прекращении термохалинной циркуляции в Северной Атлантике Событие 8.2 тыс. лет назад: D-O или «ординарная» флуктуация голоцена? Современное распреснение вод Северной Атлантики Черная кривая – аномалии запасов. Цветные области - вклад источников: 1) Р-Е, Атлантика (темно-зеленая) 2) Р-Е, Ледовитый океан, Канадский архипелаг, речной сток (светозеленая) 3) Уменьшение льдов (голубая) 4) Таяние ледников, в том числе Гренландия (красный) Климат последнего тысячелетия Разные взгляды на динамику климата последних 1500 лет Обеспеченность данными низкая ! Были или не были большие колебания климата в последнюю 1.5 Радиационные факторы, определяющие вариации климата Критика долгопериодных изменений солнечной постоянной Моделирование климата за последние 1000 лет Obs. моделирование (GFDL): потепление Арктики 40-х годов – естественная флуктуация Механизмы короткопериодных изменений климата, развиваемые в палеоклиматологии Механизм похолодания, связанный с изменением циркуляции водных масс Северной Атлантики из-за распреснения вод (худ.фильм «Послезавтра») Нестабильность континентального оледенения, выражаемая массовым сбросом айсбергов Положительная обратная связь «региональные изменения климата – динамика растительности» Положительная обратная связь «глобальный климат – глобальная карбонатная система» Концепция вариаций солнечной постоянной и влияния на климат Концепция влияния вулканических извержений на формирование аномалий климата