Пархоменко ЧИСЛЕННЫЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ В.П.

Пархоменко В.П. ©
К. ф.-м.н., Вычислительный Центр им. А.А. Дородницына РАН (Москва)
ЧИСЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ОЦЕНКЕ ВЛИЯНИЯ АНТРОПОГЕННЫХ И
ЕСТЕСТВЕННЫХ ФАКТОРОВ НА КЛИМАТ
Аннотация
Модель климата состоит из взаимодействующих блоков: моделей океана, морского
льда и атмосферы. Проведены численные эксперименты по моделированию климата,
соответствующего периодам 120.4 млн лет назад и 200 млн лет назад. Получены основные
глобальные и пространственные климатические характеристики для атмосферы, океана,
морского льда. Расчетная средняя глобальная температура атмосферы укладывается в
пределы, реконструированные по данным наблюдений. Проведено исследование гистерезиса
Атлантической термохалинной циркуляции и моделирование перехода к режиму оледенения
при уменьшении солнечной постоянной. Работа выполнена при поддержке Проектов РФФИ
№ 14-01-00308 и №14-07-00037.
Ключевые слова: модель климата, чувствительность климата.
Keywords: climate model, climate sensitivity.
Система уравнений модели океана рассматривается в геострофическом приближении
с фрикционным членом в уравнениях импульса по горизонтали [1]. Значения температуры и
солености удовлетворяют адвекционно-диффузионным уравнениям, что позволяет описать
термохалинную циркуляцию океана. Приближенным образом учитываются также
конвективные процессы.
В термодинамической модели морского льда динамические уравнения решаются для
сплоченности льда и для средней толщины льда. Рост и таяние льда в модели зависят только
от разности между потоком тепла из атмосферы в морской лед и потока тепла изо льда в
океан. Для температуры поверхности льда решается диагностическое уравнение.
Для описания процессов, протекающих в атмосфере, используется энерго- и влагобалансовая модель. В модели решается вертикально проинтегрированное уравнение для
температуры, определяющее баланс приходящего и уходящего радиационных потоков,
явных (турбулентных) обменов потоками тепла с подстилающей поверхностью,
высвобождения скрытого тепла из-за осадков и простой однослойной параметризации
горизонтальных процессов переноса. Источники в уравнении переноса для удельной
влажности определяются осадками, испарением и сублимацией с подстилающей
поверхности.
Все блоки модели связаны между собой обменом импульсом, теплом и влагой.
Используются реальная конфигурация материков и распределение глубин мирового океана.
Уравнения в сферической системе координат решаются численным конечно-разностным
методом. Глубина океана представляется в виде восьмиуровневой логарифмической шкалы
до 5000 м [2, 3].
При выделении периодов эволюции Земли для проведения численных экспериментов
по моделированию климата будем исходить из принципа наиболее сильно отличающейся
структуры материков и океанов. При этом будем рассматривать только относительно
поздние этапы эволюции, чтобы при моделировании использовать более или менее точные
данные значений солнечной постоянной, концентрации СО2 и конфигурации материков [4].
Первый период 120.4 млн лет назад выделяем вследствие больших значений
концентрации СО2 и ввиду того, что материки расположены в меридиональном направлении
непрерывно от северного до южного полюсов.
©
Пархоменко В.П., 2015 г.
Второй период 200 млн лет назад выбираем из-за того, что суперматерик
располагается в области северного полюса, не доходя до южного. При этом на месте
современного Северного ледовитого океана располагается материк, а на месте Антарктиды –
океан. Эта ситуация должна привести к формированию климата и океанической циркуляции,
значительно отличающихся от современных. Использованы данные, размещенные на сайте
http//www.serg.unicam.it/Geo.html.
С использованием описанной выше модели проведены следующие варианты
численных экспериментов:
1) для современных климатических условий,
2) для периода 120.4 млн лет назад,
3) для периода 200 млн лет назад.
Расчеты показывают выход средних глобальных климатических характеристик на
стационарный режим за период порядка 1500-2000 лет [5]. Расчетная средняя глобальная
температура атмосферы укладывается в пределы, реконструированные по данным
наблюдений [6].
Отметим значительное увеличение глобальной температуры (на 7.3 оС), увеличение
влажности атмосферы на 50% и практически полное исчезновение морского льда для
варианта 124 млн лет назад по сравнению с современным состоянием. Безусловно, это
связано с повышенной концентрацией углекислого газа. Фиксируются также высокие
июльские температуры в северных полярных областях (15˚-25˚С) для вариантов 120.4 млн и
200 млн лет назад. Это обусловлено как наличием континента вплоть до северного полюса,
так и повышенным содержанием СО2.
Выделим сильное влияние увеличенной концентрации СО2 для варианта 120.4 млн лет
– повышение температуры в экваториальной области достигает 8˚С. Наблюдаются очень
сильные отличия океанической циркуляции для всех трех основных вариантов расчетов. Это
обусловлено совершенно разными конфигурациями материков и распределением глубин
океана. Для варианта 120.4 млн лет отметим сильную положительную циркуляцию в южном
полушарии в районе южного материка и протяженную отрицательную циркуляцию в
западной части океана. Циркуляция в северной части довольно слабая. Для варианта 200 млн
лет видим подавленную циркуляцию в северной области Мирового океана и довольно
сложную картину в южной области.
Далее представлены некоторые результаты численных экспериментов по
определению возможного гистерезиса блокировки Атлантической термохалинной
циркуляции, при котором поток пресной воды в Атлантику, в регионе 50-70Ос.ш. постепенно
увеличивается, а затем снижается с одинаковой медленной скоростью 0,05 Св (поток 1 Св
равен 1 млн м3/с) за 1000 лет. Поток пресной воды из Атлантики в Тихий океан установлен
на уровне 75% его значения по умолчанию. Это соответствует как раз бистабильному
режиму циркуляции, но вблизи состояния моностабильного режима развитой термохалинной
циркуляции. Результаты моделирования показывают наличие гистерезиса этой циркуляции,
подтверждая также существование точки бифуркации. Полный коллапс термохалинной
циркуляции наступает, когда поток пресной воды достигает примерно 0.12 Св и далее
сохраняется. При обратном уменьшении потока, термохалинная циркуляция не включается,
пока он не достигнет значения примерно -0.02 Св. Общее время счета составляет около 24
тыс. лет.
Таким образом, в диапазоне двух пороговых значений потока пресной воды
наблюдается возможность существования двух различных состояний климатической
системы – с развитой термохалинной циркуляцией и подавленной, что влияет и на
температурный режим атмосферы.
В численном эксперименте по оценке влияния изменения потока солнечной радиации
(солнечной постоянной) на глобальный климат предполагается, что солнечная постоянная
постепенно уменьшается по сравнению с современным значением и в каждом случае
определяется установившийся климатический режим. Расчеты проведены для трех
последовательно уменьшающихся значений солнечной постоянной: 0.950S, 0.947S и 0.946S,
где S – современное значение солнечной постоянной.
Для этапов 1 и 2 понижение среднеглобальной температуры атмосферы
соответственно составляет 8оС и -6 оС в конце каждого этапа. Для этапа 3 при понижении
температуры до -10оС происходит резкое падение температуры за время, меньшее 50 лет, до
температуры около -50оС. Это связано (или сопровождается) полным оледенением
поверхности Мирового океана.
Наблюдается увеличение площади морского льда и катастрофический рост площади в
конце этапа 3, когда Мировой океан полностью покрыт льдом. Эти результаты естественно
объясняются наличием положительной обратной связи «оледенение - понижение
температуры» [7]. В конце этапа 2 максимальная температура атмосферы для января месяца
составляет 12оС, минимальная -58оС. Отметим распространение морского льда вплоть до
широты 40о. В конце этапа 3 максимальная температура атмосферы для января месяца
составляет -30оС, минимальная -85оС. Морской лед полностью покрывает Мировой океан.
Такие сильные изменения температуры и ледового покрова приводят существенным
изменениям горизонтальной циркуляции и вертикальной термохалинной циркуляции.
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Marsh R., Edwards N.R., Shepherd J.G. - Development of a fast climate model (C-GOLDSTEIN) for
Earth System Science. - SOC, - 2002. - No.83. - 54 p.
Пархоменко В.П. - Глобальная гидродинамическая климатическая модель промежуточной
сложности.// Вестник Нижегородского университета им. Н.И.Лобачевского. – 2011 - №4 - Часть
2 – Н.Новгород, Изд-во ННГУ им. Н.И.Лобачевского. - с. 511-514.
Пархоменко В.П. - Организация совместных расчетов по модели общей циркуляции атмосферы
и модели океана. // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. - 2015. - № 4.
- с. 41-57.
Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. - Развитие Земли. - М: Изд-во МГУ. - 2002. - 506 с.
В.П. Пархоменко - Численные эксперименты на глобальной гидродинамической модели по
оценке чувствительности и устойчивости климата. // Вестник МГТУ им.Н.Э.Баумана. Сер.
Естественные науки. Спец.выпуск № 3 «Математическое моделирование». - 2012. - с.134-145.
Climate Change 2007 – The physical Science Basis. Contribution of Working Group 1 to the Fourth
Assessment Report of IPCC. – 2007. - 989 p.
Пархоменко В. П. - Анализ чувствительности арктического морского ледового покрова в
глобальной климатической модели. // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон.
журн. 2014. - № 3. - с. 372-387.