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.
Скачать