Изменение глобальной приповерхностной температуры по

Диагностика и моделирование
глобальных и региональных изменений климата
И.И. Мохов
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН
mokhov@ifaran.ru
Борок
20 мая 2008 г.
Изменения глобальной приповерхностной температуры
по данным наблюдений
Изменения приповерхностной температуры (oC)
в России и для Земли в целом
Тренд приповерхностной температуры по данным наблюдений (oC/10 лет)
1976-2006 гг. (по данным Росгидромета)
80o 20 o
70o
180
40 o
60o
160
o
80
100
o
120
o
140
o
o
o
60o
50 o
50
40 o
о
C/10 лет
0.0
o
0.2
0.4
0.6
0.8
Год
Характерные особенности потепления
Увеличение приповерхностной температуры
Изменение
режимов
осадков,
снежного
влагосодержания почвы и речного стока
покрова,
Уменьшение площади морских льдов в Арктике
Изменение режима вечной мерзлоты
Изменение режимов циклонов и антициклонов в средних и
полярных широтах
Изменение режимов засух и пожаров
Изменения площади морского льда в Арктическом бассейне в сентябре
(с минимумом площади арктического морского льда в годовом ходе)
по спутниковым данным с 1979 г. по 2007 г.
(Скорость уменьшения около 10% за 10 лет или 72 000 км2 в год.
Протяженность морского льда в Арктическом бассейне в сентябре 2007 г. (4.28 млн км2) и 2005 г.
(5.57 млн км2) по сравнению со средней протяженностью в 1979-2000 гг.
Изменения продолжительности ледового сезона (в днях) для периода 1998-2007 гг.
(относительно 1979-1988 гг.) по спутниковым данным (а) и по результатам мультимодельных расчетов (b).
(с) По результатам мульти-модельных расчетов: изменения к концу XXI века
относительно конца ХХ века при антропогенном сценарии SRES-A1B
(d) Варианты трасс Северного морского пути и Северо-западного прохода
Длительность навигационного сезона (сут.) с полностью открытыми Северным морским
путем (a) и Северо-западным проходом (b) по спутниковым данным (жирная кривая) и
по модельным расчетам (среднее по ансамблю моделей) при умеренном антропогенном
сценарии SRES-A1B для XXI века.
Изменения количества осадков (%)
к концу XXI века относительно конца ХХ века.
Средние по ансамблю моделей (IPCC-AR4) при сценарии SRES-A1B.
Зима
Лето
30
0
bccr_bcm2_0
cccma_cgcm3_1_t47
cccma_cgcm3_1_t63
cnrm_cm3
csiro_mk3_0
gfdl_cm2_0
gfdl_cm2_1
giss_model_e_h
giss_model_e_r
hadcm3
hadgem1
iap_fgoals1_0_g
inmcm3_0
ipsl_cm4
miroc3_2_hires
miroc3_2_medres
miub_echo_g
mpi_echam5
mri_cgcm2_3_2a
ncar_ccsm3_0
ncar_pcm1
IAP_RAS
Multi-model mean
Возможные изменения (в %) стока Оби и Лены в XXI веке
при умеренном антропогенном сценарии SRES-A1B
40
Обь
20
10
Лена
Изменения характеристик осадков в ХХI веке
(мульти-модельные средние)
%
Интенсивность осадков
%
Вероятность осадков
Индексы риска летней пожароопасности лесов для последнего десятилетия
ХХ века по модельным расчетам для европейской и азиатской частей России:
I – непожароопасно, II - малый, III - умеренный, IV - высокий, V –
экстремальный уровень.
Климатическая модель ИФА РАН с углеродным циклом
Климатическая система: 4.5oх6o, L11 - атмосфера, L4 - океан, L1 - суша. Годовой ход инсоляции.
Атмосфера: 3D квазигеострофическая крупномасштабная динамика. Синоптическая динамика
параметризована, исходя из ее представления в виде гауссовых статистических ансамблей. В каждом
характерном слое атмосферы предполагается линейный профиль зависимости температуры от
высоты. Полностью интерактивный гидрологический цикл.
Океан: Прогностическое уравнение для температуры поверхности океана (ТПО). Геострофическое
приближение для расчета динамики. Универсальные профили температуры в каждом характерном
слое океана. Распределение солености океана задано. Интерактивный цикл СО2.
Морской лед: Диагностическая схема, основанная на значениях ТПО.
Растительность: Распределение экозон согласно схеме BATS.
Углеродный цикл:
Наземные экосистемы: наземная биота и почвенный резервуар.
Фотосинтез, первичная биопродуктивность, биотическое и почвенное дыхание зависят от
температуры экспоненциально.
Фертилизация углекислым газом - закон Михаэлиса-Ментон.
Океан: потоки из атмосферы в океан зависят от изменений ТПО и концентрации СО2 в атмосфере.
Скорость вычислений: ~ 17 сек на модельный год
Общая схема КМ ИФА РАН
АТМОСФЕРА
образование облаков
(один эффективный слой)
осадки
конвекция
коротковолновая радиация
стратомезосфера
свободная тропосфера
крупномасштабная
циркуляция,
синоптические
процессы
параметризованы
явное тепло, влага, импульс, CO2
ОКЕАН
МОРСКОЙ ЛЕД
квазиоднородный слой
эмиссии СН4 болотами
пограничный слой
концентрации
N2O, фреонов
тропосферных и
стратосферных
аэрозолей
антропогенные
эмиссии СО2,CH4
явное тепло, влага, CO2
РАСТИТЕЛЬНОСТЬ
(типы экосистем
предписаны,
запас углерода
интерактивен)
во всем океане рассматриваются:
распространение тепла,
отмирание
крупномасштабная циркуляция,
ПОЧВА
синоптические процессы параметризованы, сток
влаги
глубокий океан
слой придонного трения
длинноволновая радиация
приходящее солнечное излучение
ЛЕДНИКОВЫЕ
ЩИТЫ
(предписаны)
СНЕГ
ВЕЧНАЯ
МЕРЗЛОТА
(термо- и гидрофизические процессы,
преобразование углерода)
Изменения концентрации CO2 в атмосфере
по расчетам с КМ ИФА РАН с углеродным циклом
при разных сценариях антропогенных эмиссий
pCO2,a, млн-1
сплошные – интерактивный режим
пунктир – неинтерактивный режим
SRES-A2
875 млн-1 (90 млн-1)
SRES-A1B
762 млн-1 (83 млн-1)
SRES-B2
669 млн-1 (69 млн-1)
SRES-B1
615 млн-1 (67 млн-1)
Изменение глобальной приповерхностной температуры
по расчетам с климатической моделью ИФА РАН с углеродным циклом
при разных сценариях антропогенных эмиссий
сплошная - интерактивный режим
пунктир - неинтерактивный режим
T, K
SRES-A2
3.38 K (0.31 K)
SRES-A1B
3.05 K (0.34 K)
SRES-B2
2.65 K (0.34 K)
SRES-B1
2.43 K (0.35 K)
наблюдения
Поток СО2 из атмосферы в наземные экосистемы
Fl, ГтC/год
сплошная - интерактивный режим
пунктир - неинтерактивный режим
SRES-A2
SRES-A1B
SRES-B2
SRES-B1
Доминирует прямой
(фертилизационный) эффект,
увеличивающий поглощение
СО2 наземными
экосистемами
Доминирует косвенный
(климатический) эффект,
уменьшающий поглощение СО2
наземными экосистемами из-за
роста дыхания почвы
Поток СО2 из атмосферы в океан
Foc, ГтС/год
сплошные – интерактивный режим
пунктир - неинтерактивный режим
SRES-A2
SRES-A1B
SRES-B2
SRES-B1
Доминирующий рост Foc связан с увеличением скорости прироста
концентрации СО2 в атмосфере со временем. Начиная с конца ХХ
века, на рост Foc влияет потепление климата (уменьшение
растворимости).
Изменение запаса углерода в почве
Cs, ГтС
сплошные - интерактивный режим
пунктир - неинтерактивный режим
SRES-A2
SRES-A1B
SRES-B2
SRES-B1
Рост запаса углерода в почве Cs в неинтерактивном режиме связан с
эффектом фертилизации растений за счет СО2 ( рост
продуктивности  рост биомассы  рост опада  рост Cs). В
интерактивном режиме, начиная с середины ХХ века, в изменениях Cs
превалирует эффект роста почвенного дыхания из-за роста
температуры.
Доля кумулятивных антропогенных эмиссий СО2 ,
остающаяся в атмосфере
ra
сплошные - интерактивный режим
пунктир - неинтерактивный режим
SRES-A2
SRES-A1B
SRES-B2
SRES-B1
На временных масштабах до нескольких столетий около половины
антропогенных эмиссий остается в атмосфере. Доля этих эмиссий,
остающаяся в атмосфере, больше в интерактивном режиме, чем в
неинтерактивном из-за положительной обратной связи между
климатом и углеродным циклом. При этом в целом эта доля растет
со временем, указывая на усиление такой обратной связи.
Учет метанового цикла и процессов в болотных экосистемах в КМ ИФА РАН
Модель для эмиссий СН4 из болотных экосистем
-
ECH4,bs = i,k ECH4,bs(H(Ti,k),DDTi),
где DDTi - число градусо-дней за теплый период года i-го слоя почвы,
Н(...) - функция Хэвисайда, Ti,k - температура i-го слоя почвы [oC] в k-ый
день года.
- почвы болот считаются насыщенными влагой.
- эмиссии метана от мерзлого слоя (и всех более глубоких слоев) почвы
нулевые.
- доля болотных экосистем в каждой модельной ячейке предписана по
данным наблюдений.
Модель термофизики почвы
- учитывает годовой ход температуры на нижней границе атмосферы.
- учитывает влияние снежного и мохового покровов на затухание
температурной волны в почве.
- влияние эффектов метаморфизма снега не учитывается.
Эмиссии метана болотными экосистемами [МтСН4/год]
севернее 50оN
SRES-A2
SRES-A1B
SRES-B1
по данным [Christensen et al., 1996]
Взаимодействие процессов в болотных экосистемах и
метанового цикла в КМ ИФА РАН увеличивает рост
содержания метана в атмосфере на 10-20 % в
зависимости от сценария антропогенного воздействия
и момента времени.
Изменение глобальной температуры к концу XXI века
относительно доиндустриального периода в КМ ИФА
РАН составляет 2.1-3.4 К в зависимости от сценария
антропогенного воздействия. Интерактивный отклик
эмиссий метана болотами на изменения климата не
приводит
к
существенному
дополнительному
потеплению (< 0.05 K).
Изменение продуктивности растительного покрова
при увеличении глобальной приповерхностной температуры на 1оС
модель
HadCM3
модель
ИФА РАН
т/га/год
Глобальный углеродный цикл
Оценки эмиссий углекислого газа в XXI в. [IPCC, 2001]
E, ГтC/год
SRES A2
(2.00.103 + 0.23.103 ГтC)
SRES A1B
(1.67.103 + 0.31.103 ГтC)
SRES B2
(1.38.103 + 0.14.103 ГтC)
SRES B1
(1.22.103 + 0.24.103 ГтC)
сплошные линии - сжигание ископаемого топлива и
промышленность
пунктир – землепользование
(добавлены оценки для 1860-2000 гг.)
Доля кумулятивных антропогенных эмиссий СО2,
поглощенных океаном
roc
сплошные - интерактивный режим
пунктир - неинтерактивный режим
SRES-A2
SRES-A1B
SRES-B2
SRES-B1
Доля антропогенных эмиссий СО2, поглощенная океаном, больше в
неинтерактивном режиме, чем в интерактивном из-за уменьшения
растворимости при потеплении климата. Эта доля растет со
временем из-за роста разности парциального давления СО2 между
приповерхностным слоем атмосферы и верхним слоем океана
Доля кумулятивных антропогенных эмиссий СО2,
поглощенных наземными экосистемами
rl
сплошные - интерактивный режим
пунктир - неинтерактивный режим
SRES-A2
SRES-A1B
SRES-B2
SRES-B1
Доля антропогенных эмиссий СО2, накапливаемая в наземных
экосистемах, больше в неинтерактивном режиме, чем в интерактивном
из-за роста дыхания почвы с температурой. Эта доля уменьшается со
временем из-за роста антропогенных эмиссий в неинтерактивном
расчете и дополнительно – из-за роста почвенного дыхания в
интерактивном
Global surface temperature trends
(for 100-year moving intervals)
Тренды глобальной приповерхностной температуры для 100-летних скользящих
интервалов по данным наблюдений.
Вертикальными отрезками отмечены среднеквадратические отклонения.
Также приведены соответствующие коэффициенты корреляции (шкала справа).
Разные модельные оценки 100-летних трендов глобальной приповерхностной
температуры: 1 – КМ ИФА РАН А2-GHG, 2 – КМ ИФА РАН B2-GHG, 3 – CCCma
A2, 4 – CCCma B2, 5 – CCSRNIES A2, 6 – CCSRNIES B2) в сравнении с оценками
по данным наблюдений (черная кривая 7).
80o 20 o
B(Prec), %/10 лет
70o
170
40 o
60o
160
80o
100
o
120
o
50 o
140
o
o
o
60o
50
40o
%/10 лет
-20
-10
o
0
10
Год
20
1976-2006 гг.
Аномалии среднегодовой температуры в России
по данным наблюдений (Росгидромет) у поверхности (в 0.1°С) в 1891-2007 гг.
Среднегодовая температура у поверхности в 2007 г. в целом по территории России была
самой высокой с 1891 г. Предыдущее рекордное значение 1995 г. превышено на 0.3°С.
5000
Изменения циклонической
активности в атмосфере.
500
N
Приведены
функции
распределения количества
атмосферных циклонов
в зависимости от их
энергии
для двух десятилетий во
второй половине ХХ века
в
высоких
широтах
Северного полушария
циклоны(>60 0N)
Октябрь-Март
1960-1969
1990-1999
50
5
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
p 2, (hPa)2
(а - для холодного полугодия, б –
для теплого).
5000
циклоны(>60 0N)
Апрель-Сентябрь
1960-1969
1990-1999
N
500
50
5
0
20
40
60
80
100
120
p , (hPa)
2
2
140
160
180
200