Моделирование палеоклиматов с целью изучения механизмов формирования климатических изменений

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