Физико-математическая модель взаимодействия поверхности суши с атмосферой SWAP и ее

Физико-математическая
модель взаимодействия
поверхности суши с
атмосферой SWAP и ее
приложение к решению
гидрологических и
экологических задач
Авторы:
Е.М.Гусев
О.Н.Насонова
Цель доклада - показать возможности физико-математических
моделеи SWAP, воспроизводящей радиационный, тепловой, водный и
углеродный обмен (в их взаимосвязи) в геофизических объектах
различных пространственных масштабах и находящихся в различных
природных условиях *), для решения ряда задач, связанных с динамикой
окружающей среды
*) в международной литературе подобные модели относятся к классу так называемых LSM-
моделей – Land Surface Models
Используемый метод
LSM – моделей
Физико-математическое
моделирование процессов
тепло- массообмена в
системе «почва –
растительный/снежный
покров – атмосфера»
Land surface model SWAP
( Soil Water - Atmosphere – Plants )
Система почва – растительный/снежный покров атмосфера
Soil - Vegetation - Atmosphere - System
Атмосферная
циркуляция
Гидрологический цикл
Солнечное
излучение
Тепловое
излучение
Земли
Циркуляция биоэлементов
Часть литературы
по модели SWAP
«Право, печатной бумаги развелось столько, что не
придумаешь скоро, что бы такое завернуть в нее».
Н.В.Гоголь. ВЕЧЕРА НА ХУТОРЕ БЛИЗ ДИКАНЬКИ
Gusev Ye.M., Nasonova O.N. The land surface parameterization scheme Swap: description and partial validation. Global
and Planetary Change. 1998. Vol.19, N 1-4, pp.63-86.
Гусев Е.М., Насонова О.Н. Опыт моделирования процессов тепловлагообмена на поверхности суши в
региональном масштабе // Водные ресурсы. 2000. Т.27, № 1, с.32-47.
 Gusev Ye.M., Nasonova O.N. An experience of modelling heat and water exchange at the land surface on a large river
basin scale // Journal of Hydrology. 2000. Vol.233, N 1-4, pp.1-18.
Гусев Е.М., Насонова О.Н. Параметризация процессов тепловлагообмена в системе “грунтовые воды - почва растительный / снежный покров - атмосфера” для территорий с четко выраженной сезонной изменчивостью
климата // Почвоведение. 2000. № 6, с.733-748.
Гусев Е.М., Насонова О.Н. Параметризация процессов тепловлагообмена в бореальных лесных экосистемах //
Известия АН. Физика атмосферы и океана. 2001. Т. 37. № 2. С. 182-200.
Гусев Е.М., Насонова О.Н., Бусарова О.Е. Параметризация тепло- и влагообмена на поверхности суши для
территорий с умеренным континентальным климатом // Водные ресурсы. 2002. Т. 29. № 1. С. 107-119.
Gusev Ye.M. Nasonova O.N. The simulation of heat and water exchange at the land-atmosphere interface for the boreal
grassland by the land-surface model SWAP. Hydrological Processes. 2002. Volume 16, № 10, pp. 1893-1919.
Gusev Yeugeniy M. and Nasonova Olga N. The simulation of heat and water exchange in the boreal spruce forest by the
land-surface model SWAP // Journal of Hydrology, Volume 280, Issues 1-4, September 2003, Pages 162-191.
Гусев Е.М., Насонова О.Н. Проблемы изучения и моделирования тепло- и влагообмена в системе почва растительный и (или) снежный покров - приземный слой атмосферы // Водные ресурсы. 2004. Т. 31. № 2. С. 148-164.
Гусев Е.М.Б Насонова О.Н., Моханти Б.П. Оценка радиационного, теплового и водного обмена степных экосистем
с атмосферой на основе модели SWAP // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2004, том 40, №3, с.330-346.
Гусев Е.М., Насонова О.Н. Моделирование процессов тепловлагообмена суши с атмосферой в локальном
масштабе для территорий с многолетней мерзлотой // Почвоведение. 2004, №9, с. 1077-1092.
Гусев Е.М., Насонова О.Н., Джоган Л.Я. Моделирование процессов теплового, водного и углеродного обмена в
экосистеме соснового леса. Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2005. Том 41, №2, стр.227-241.
Гусев Е.М., Насонова О.Н., Джоган Л.Я. Моделирование стока на малых водосборах в зоне многолетней мерзлоты
на основе модели SWAP // Водные ресурсы. 2006, №2, стр.133-145.
Моделирование составляющих теплового и водного балансов поверхности суши земного шара // Водные ресурсы.
2006. № 6, с.664-676.
Гусев Е.М., Насонова О.Н., Джоган Л.Я., Ковалев Е.Э. Использование модели взаимодействия подстилающей
поверхности суши с атмосферой для расчетов речного стока в высоких широтах. Водные ресурсы. 2008. Т.35, №2.
С.181-195. И Т.Д.
Основные особенности модели SWAP
Структура системы “почва – растительный / снежный покров –
приземный слой атмосферы”
Почва
Задача формирования теплового режима:
Задача формирования водного режима:
Снежный покров Задача формирования водного
и теплового режимов
Растительность Задача формирования водного,
теплового режимов и
углеродного режима
Приземный слой атмосферы
Основные уравнения
Уравнения сохранения (баланса)
Уравнения переноса
Уравнения состояния
Граничные условия
Начальные условия
Расчетные методы
преимущественно аналитические по пространству
численные по времени
1 – 3 слоя
3 – 4 слоя
1 слой
1 – 2 слоя
1 слой
Схематизация формирования теплового баланса в SVAS в летний и зимний
периоды года.
RS и RL - соответственно приходящие на верхнюю границу крон потоки коротковолновой и
длинноволновой радиации, RL,f - длинноволновое излучение древесного яруса в направлении
подстилающей поверхности, RL,s - длинноволновое излучение подстилающей поверхности, RS,s - отраженная
поверхностью солнечная радиация, RL,f - длинноволновое излучение древесного яруса в атмосферу, RS,f отраженная кронами радиация, Hf и Ef - соответственно вертикальные турбулентные потоки тепла и
водяного пара, генерируемые кронами деревьев; Hs и Hsf - турбулентные потоки явного тепла под пологом
леса, характеризующие соответственно теплообмен с атмосферой и фитоэлементами древесного яруса; G поток тепла в почву от подстилающей поверхности; lEC , lwET , lEs , l IсMf ,
l IсMs - затраты тепла на
испарение перехваченных осадков, транспирацию, снега, на таяние снега на деревьях, на таяние снежного
покрова под пологом леса, соответственно (l = l Iс+ l w - удельная теплота сублимации, равная сумме
значений удельной теплоты плавления льда l Iс и удельной теплоты испарения воды l w).
ЛЕТО
ЗИМА
Схематизация формирования водного баланса в системе “почва –
растительный / снежный покров – атмосфера” в летний и зимний
периоды года.
P - атмосферные осадки, ET - транспирация; ES - испарение воды почвой; EC - испарение
осадков, перехваченных растительным покровом; Esn - испарение снега; I - впитывание воды
в почву; Ys - поверхностный сток; YG - сток грунтовых вод, Yf – водоотдача снега на кронах
деревьев.
ЛЕТО
ЗИМА
влагозапасы
UPSCALING
ИСХОДНЫЕ
ДАННЫЕ
Гидрометеорологические данные


Tair Приповерхностная температура воздуха (на 2 м)
Qair Приповерхностная удельная влажность воздуха
(на 2 м)







Wind Приповерхностная скорость ветра (на 10 м)
SWdown Приходящая коротковолновая радиация
LWdown Приходящая длинноволновая радиация
Psurf Приповерхностное давление воздуха
Rainf Интенсивность жидких осадков
Rainf_C Интенсивность конвективных жидких осадков
Snowf Интенсивность твердых осадков
Параметры растительного покрова
 VegClass Класс растительного покрова
 LAI
Относительная площадь листьев (Total LAI)
 vegFrac Доля площади, занятая растительностью
 grnFrac Доля зеленых листьев (green LAI / Total LAI)
 classFrac Доля каждого класса растительного покрова
 Z0Surf
Параметр шероховатости
 DisplH
Высота слоя вытеснения
 Albedo
Альбедо поверхности в отсутствии снега
 RootDepth Толщина корнеобитаемой зоны
(зоны, где сосредоточено 95% корневой
биомассы)

Rs_min
Mинимальное устьичное сопротивление
SoilClass
Тип почвы по мехсоставу
SoilDepth
Глубина почвенной колонки
Clay
Почвенные
параметры:
Clay fraction
Sand
Sand fraction
Silt
Silt fraction
Organic
Доля органики
W_fieldcap
Наименьшая влагоемкость
W_wilt
Влажность завядания
W_sat
Пористость
W_bpower
Степенной показатель B
W_sat_hydc
Коэффициент фильтрации
W_sat_matp Потенциал почвы при насыщении
Albedo_vi
Albedo_ir
Альбедо почвы в видимом диапазоне
Альбедо почвы в инфракрасном
диапазоне
Основные выходные переменные модели SWAP

Гидрологические характеристики
- данные о перехвате осадков (жидких и твердых) растительным покровом
- снегозапасы, высота и плотность снега
- интенсивность снеготаяния или замерзания жидкой воды в снеге,
водоотдача снежного покрова
- влагозапасы в различных слоях почвенного профиля
- уровень грунтовых вод
- поверхностный и подземный сток
- испарение с почвы, транспирация, испарение задержанных осадков,
испарение со снега, суммарное испарение
- глубины промерзания и оттаивания почвы

Энергетические характеристики
- отраженная коротковолновая радиация, длинноволновое излучение
подстилающей поверхности
- радиационный баланс и радиационная температура подстилающей
поверхности, температура почвы и снега
- турбулентные потоки явного и скрытого тепла, поток тепла в почву
Местонахождение объектов
верификации модели SWAP
в Европе
- речной бассейн,
крупный водосбор
- малый или средний
водосбор, опытная
площадка
Местонахождение
объектов верификации
модели SWAP в
Северной Америке
- малый или
средний
водосбор,
опытная
площадка
- речной бассейн,
крупный водосбор
Россия, Валдайская возвышенность
Валдайская научно-исследовательская
гидрологическая лаборатория
Климат
умеренно-континентальный
Почва
подзолистая, средний суглинок
Период наблюдений
1966-1983
водосбор лога
Таежного
площадь
водосбор лога Усадьевского
площадь
0.36 км2
растительность многолетние
травы
0.45 км2
растительность хвойный
лес, ельник-кисличник,
возраст 80-90 лет
Динамика измеренной ( ) и рассчитанной (
) среднесуточной
температуры поверхности снега ( оС) на водосборе лога Усадьевский
XII - 1966
I - 1967
0
-10
-20
-30
-40
II - 1967
RMSD =2.9 oC
XII - 1967
I - 1968
II - 1968
III - 1967
r = 0.98
Eff=0.84
III - 1968
0
-10
-20
-30
-40
XII - 1968
0
-10
-20
-30
-40
I - 1969
II - 1969
III - 1969
Динамика измеренного ( ) и рассчитанного (
) испарения
(мм/сут) со снежного покрова на водосборе лога Усадьевский
0.4
1970
0
-0.4
I
II
III
-0.8
0.4
1970-1971
0.2
0
-0.2
-0.4
1972
XII
I
II
III
0.6
0.2
-0.2
-0.6
I
II
III
Динамика измеренной (
) и рассчитанной (
) водоотдачи
снежного покрова (мм/сут) в период весеннего снеготаяния
на водосборе лога Усадьевский
50
40
30
20
10
0
III
IV
1967
III
IV
1968
III
IV
1969
III
IV
1970
III
IV
1971
Динамика измеренного (1) и рассчитаннного (2) стока
(мм/сут) с водосбора лога Усадьевского (1978-1981).
1
25
20
15
10
5
0
2
1978
15
10
1979
5
0
25
20
15
10
5
0
1980
25
20
15
10
5
0
1981
J
F
M
A
M
J
RMSD =1.6 мм/сут
J
A
S
r = 0.79 Eff=0.67
O
N
D
Динамика измеренных ( ) и рассчитанных ( ) значений снегозапасов S,
плотности снега sn и высоты снежного покрова h (лог Таежный)
S , мм
RMSD = 43 мм
200
r = 0.78
150
100
50
0
 sn , кг/м3
400
200
0
400
h , см
RMSD = 14 cм
100
r = 0.85
200
50
0
0
1967
1968
1969
1970
1971
1972
1973
1974
Измеренные ( ) и рассчитанные ( ) влагозапасы в различных слоях
почвы и уровень грунтовых вод (ВНИГЛ, лог Таежный)
Влагозапасы
почвы, мм
в слоях
RMSD=11 мм
r=0.80
100
0-20 см
50
0
300
0-50 см
RMSD=24 мм
r=0.77
RMSD=34 мм
r=0.82
200
100
0
400
0-100 см
300
200
100
0
Уровень
грунтовых
вод, м
0
1
2
1967
1968
1969
1970
1971
1972
1973
1974
1975
Моделирование тепловлагообмена поверхности суши с
атмосферой в районах субтропических степей
США, Южные Великие Равнины,
Оклахома,
«South Grate Plains Hydrology Experiment
1997»
Климат
субтропический континентальный
Растительный покров пастбищные травы
Почва
средний суглинок
Карта-схема района исследований.
Динамика рассчитаннных и измеренных различными участниками
эксперимента SGP-97 значений радиационного баланса Rn, а также
турбулентных потоков скрытого LE и явного H тепла для экспериментальной
площадки с травяным покровом в районе Литтл Вашита (35о с.ш., 98о з.д.,
Оклахома, США)
R n, Вт м-2
1000
800
600
400
200
0
-200 0
наблюдение (TM)
наблюдение (JN)
наблюдение (Сирил)
расчет
50
100
150
200
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
250
300
350
400
450
500
LE , Вт м-2
600
400
200
0
0
-200
Н , Вт м-2
600
400
200
0
-200 0
-400
Время (в часах) с 10 июня 1997 года
Моделирование
тепловлагообмена
поверхности суши с
атмосферой в
районах с
многолетней
мерзлотой
Высокогорный район с многолетней мерзлотой – водосбор ручья
Контактовый (красный крест), верняя часть бассейна р.Колымы
Колымская
воднобалансовая
станции (КВС)
«Колыма, ты Колыма,
‘
Чудная
планета.
Двенадцать месяцев зима,
Остальное – лето.»
/ ГУЛАГовский фольклор /
Высота: 1000-2000 m
Климат: субарктический
Зона многолетней мерзлоты
Почвы:
глинистые,
каменнистые осыпи
Тип поверхности:
каменистые осыпи,
редколесье,
низкорослый кустарник
Водосбор ручья Контактовый
(площадь водосбора - 21.2 km2 )
Calibration watershed
Validation watershed
Параметризация поступающей к поверхности суши
длинноволновой радиации для районов высоких широт
(характеризующих географический пояс бореальной зоны)
Основа расчета: модель
формирования приходящей
длинноволновой радиации RL:
RL  RL0  1  aN b , RL0  T 4,
где RL0 - приходящая длинноволновая
радиация при ясном небе,  коэффициент длинноволнового
излучения атмосферы при ясном небе
(коэффициент “серости”),
 - постоянная Стефана-Больцмана,
N - облачность, T - температура
воздуха на 2 м, a и b – эмпирические
параметры.
GEWEX Asian Monsoon
Experiment
GAME-Siberia
Значения параметров
 = 0.76, a = 0.126 и b = 3.17
были получены по уникальным
данным измерений RL,
проводившимся
в районе Якутска в 1998-2000 гг.
в рамках международного проекта
GAME
(GEWEX Asian Monsoon
Experiment),
а также с использованием
стандартных метеорологических
наблюдений за температурой воздуха
и облачностью на близлежащей
метеостанции.
Сопоставление рассчитанных (
) и измеренных ( ) значений
приходящей длинноволновой радиации в районе г.Якутска
LWdown_obs
Приходящая длинноволновая среднесуточная радиация, вт м-2
LWdown_cal
500
400
300
200
100
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Номера суток с измерениями радиации
Рассчитанные
среднесуточные
значения
приходящей
коротковолновой и
длинноволновой
радиации в районе
КВС
Приходящая среднесуточная радиация, вт м-2
SWr-daily
LWr-daily
400
300
200
100
0
1969
1970
1971
1972
1973
1974
1975
1976
1977
1978
Годовой ход измеренных (1) и рассчитанных по модели SWAP (2) средних суточных
температур (С) поверхности почвы или снега на метеоплощадке “Нижняя”
t0
1
1969
2
20
0
-20
-40
-60
1970
20
0
-20
-40
-60
1971
20
0
-20
-40
-60
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
XII
Месяцы
Многолетняя динамика смоделированных (1, 2, 5) и измеренных (3, 4, 6) на
метеоплощадке “Нижняя” значений глубин промерзания  (1, 3) и оттаивания от (2, 4)
почвы, а также высоты снежного покрова h (5, 6).
1
h , см
2
3
4
5
6
100
50
0
0
50
100
150
1969
1970
1971
1972
200
1973
   от , см
250
h , см
100
50
0
0
50
100
150
1974
1975
1976
1977
1978
200
250
   от , см
Динамика смоделированных (1) и измеренных (2) на метеоплощадке
“Нижняя” месячных значений суммарного испарения.
E , мм/мес
60
50
40
30
20
10
0
-10
1
2
IV
VIII
1973
XII
IV
VIII
1974
XII
IV
VIII
1975
XII
IV
VIII
1976
XII
IV
VIII
1977
XII
IV
VIII
1978
XII
Деление исследуемого водосбора руч.Контактовый на частные водосборы.
Гидростворы: А – Контактовый-Нижний, Б – Встреча,
В – Контактовый-Средний.
Сопоставление гидрографов смоделированных и измеренных
суточных слоев стока R (мм) в гидростворах
руч. Встреча, Контактовый-Средний и Контактовый-Нижний
д)
15
Руч.Встреча
10
RMSE= 1.02мм
наблюдение
расчет
Eff= 0.57
Corr=0.76
5
0
18
е)
Руч.Контактовый
Средний
12
RMSE= 1.28мм
Eff= 0.53
Corr=0.78
6
0
ж)
Руч.Контактовый Нижний
16
12
RMSE= 1.10мм
Eff= 0.64
8
4
0
1970
1971
1972
Corr=0.81
Международный
проект Rhone-AGG
Местонахождение (зеленая часть карты) и
cеточная схематизация бассейна р. Роны
(площадь: 86996 km2)
Рельеф На юго-западе и юго-востоке - горные массивы (высотой до 4000 м в районе
французских Альп), остальная часть бассейна равнинная
Климат От средиземноморского до умеренно-континентального и альпийского в горных
районах
Растительность Лиственные и хвойными леса, луговые травы и сельскохозяйственные
культуры
RMSD= 26.9 см
Динамика
измеренных ( 1 )
и рассчитанных ( — 2 )
высот снежного покрова
на наблюдательных постах
во французских Альпах
(1986-1989 гг.):
·
- Пралоньян
- Тинь
- Нивуаз ле Рошейес
r2 = 0.74 bias =1 .6 см
Статистические характеристики точности расчета высоты снежного покрова
во Французских Альпах различными моделями, участвовавшими в
международном эксперименте Rhone-AGG
(в среднем за 3 года и по 24 измерительным площадкам)
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
Среднеквадратическое отклонение рассчитанных и измеренных данных (м)
RMSE(m)
Квадрат коэффициента корреляции
R^2
BIAS(m)
Систематическое отклонение рассчитанных и измеренных данных (м)
SPO NSO R
CO LA
O RCHIDEE
MO SES_RERUN
SIBUC
O RCHIDEE_RERUN
MO SES
CO LA_RERUN
NO AH
MECMWF
NSIPP
VIC
ECMWF
SPO NSO R_RERUN
VIC_rerun
CLASS_RERUN
CLASS
ISBA
VISA
-0.6
SWAP
SWAP
-0.4
Динамика измеренных (1) и рассчитанных (2) расходов воды в
замыкающих створах р.Роны, а также ее притоков - р.Соны и
р.Ардеш
Eff = 0.69
r2 = 0.78 Vc/Vm = 1.097
Eff = 0.50
r2 = 0.64 Vc/Vm = 0.909
Eff = 0.80
r2 = 0.82 Vc/Vm = 0.998
Цель проекта GSWP-2:
оценка возможностей получения LSM-моделями
глобальных оценок динамики почвенной влажности
и температуры, снегозапасов, речного стока, а также
вертикальных потоков различных субстанций для 10летнего периода (1986-1995 гг.) при использовании
моделями заданных значений
гидрометеорологических факторов и стандартной
информации по почвам и растительному покрову
5000
4000
3000
Глобальное распределение высоты
подстилающей поверхности над
уровнем моря, м
2000
1000
0
Пример дискретизации поверхности Земли
Пространственное разрешение в проекте GSWP-2
равно 1 градусу и число расчетных ячеек
поверхности суши равно 15238
Гидрометеорологические данные


Tair Приповерхностная температура воздуха (на 2 м)
Qair Приповерхностная удельная влажность воздуха
(на 2 м)







Wind Приповерхностная скорость ветра (на 10 м)
SWdown Приходящая коротковолновая радиация
LWdown Приходящая длинноволновая радиация
Psurf Приповерхностное давление воздуха
Rainf Интенсивность жидких осадков
Rainf_C Интенсивность конвективных жидких осадков
Snowf Интенсивность твердых осадков
Базы данных по осадкам
/основа баз данных - ISLSCP II (International Satellite Land-Surface Climatology
Project Initiative II )/ GSWP-2 (“The Second Global Soil Wetness Project”)/




Использование «чистого» реанализа:
NCEP-DOE (The National Center for Environmental
Prediction - Department of Energy) или
ERA-40 (ECMWF Re-analysis-40, European Centre for
Medium-Range Weather Forecasts)
Гибридизация результатов реанализа с данными
наземных наблюдений без введения поправки «на
ветер», т.е. обусловленной влиянием ветра на
проведение измерений
Гибридизация данных реанализа с данными наземных
наблюдений с введением поправки «на ветер»
Подключение к результатам
спутниковых наблюдений
гибридизации
данных
База данных об осадках,
использованная в работе
Гибридизация
результатов реанализа NCEP-DOE
с данными наземных наблюдений,
учитывающими поправку на ветер, и
с подключением к результатам гибридизации
данных спутниковых наблюдений
База данных по приходящей к поверхности
суши коротковолновой и длинноволновой
радиации, использованная в работе
Для периода с января 1986 г. по октябрь 1995 г. - база
данных SRB (Surface Radiation Budget)
Получена при реализации проекта GSWP-2 на основе 3-часовых
данных по радиации, подготовленных Исследовательским
центром НАСА/Лэнгли (NASA/Langley Research Center)
Для периода с июня 1982 г. по декабрь 1985 г. для
ноября - декабря 1995 г. – гибридизация результатов
реанализа NCEP-DOE с климатическими данными,
полученными на основе SRB
Примеры глобального
распределения
гидрометеорологических
характеристик
Глобальное распределение cреднемноголетних
осадков (жидких и твердых), мм/год
(осреднение за 1986 – 1995 гг.)
80
3000
2000
Latitude , degree
60
1500
40
1000
800
20
600
400
0
200
-20
100
0
-40
-60
-180 -160 -140 -120 -100
-80
-60
-40
-20
0
20
Longitude , degree
40
60
80
100
120
140
160
180
Глобальное
распределение
среднемноголетней
температуры воздуха, oC
30
25
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
Глобальное распределение зоны
многолетней мерзлоты
(белая зона)
90
Latitude
60
30
0
-30
-60
-180
-150
-120
-90
-60
-30
0
30
60
90
120
150
180
Longitude
За южную границу зоны многолетней мерзлоты принято положение
среднемноголетней изотермы воздуха с температурой -1 oC
Подготовка
глобальных
банков данных
по параметрам
подстилающей поверхности
Глобальное распределение высоты
растительного покрова, м
20
16
12
8
Рассчитанное на основе оценок данной величины,
выполненных авторами модели SWAP
4
0
Глобальное распределение среднемноголетних
значений относительной площади листьев (LAI)
7
6
5
4
3
2
1
0
В соответствии с данными проекта GSWP-2
Глобальное распределение глубины
корнеобитаемой зоны, м
1.4
1.2
1
0.8
0.6
«Гибрид» данных проекта «Тhe International
Satellite Land-Surface Climatology Project
(ISLSCP), Initiative II» и экспертных оценок
авторов модели SWAP
0.4
0.2
0
Полученные
результаты
моделирования
глобального
тепло- и влагообмена
на поверхности суши
Composite mean
annual runoff
(mm/yr) derived by
Fekete et al. (2002)
“by combining
observed river
discharge
information with
climate-driven
water balance model
(WBM) outputs”
Latitude
Модель SWAP
(осреднение за
1985-1996 гг.)
Latitude
Пространственное распределение формирования
суммарного стока на суше, мм/год
Longitude
Пространственное распределение суммарного
испарения с поверхности суши Земли, мм/год
Модель SWAP (осреднение за 1985-1996 гг.)
80
2000
1500
Latitude , degree
60
1200
40
1000
800
20
600
400
0
200
-20
100
0
-40
-60
-180 -160 -140 -120 -100
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
Longitude , degree
40
60
80
100
120
140
160
180
Пространственное распределение суммарного
испарения с территории Африки, мм/год
Longitude , degree
Longitude , degree
-20
40
-10
0
10
20
30
40
50
60
-20
40
-10
0
10
20
30
40
50
60
30
30
Latitude, degree
1400
20
20
10
10
1200
1000
800
0
0
-10
-10
600
400
200
-20
-20
-30
-30
-40
-40
100
0
Расчет по модели SWAP
(осреднение за 1986 – 1995 гг.)
Львович М.И. Мировые водные
ресурсы и их будущее. 1974.
Пространственное распределение формирования стока
на территории Африки, мм/год
Longitude , degree
Longitude , degree
-20
40
-10
0
10
20
30
40
50
60
-20
40
30
30
20
20
-10
0
10
20
30
40
50
60
1500
1000
Latitude , gegree
800
10
10
0
0
600
400
200
100
-10
-10
50
-20
-20
-30
-30
10
0
-50
-40
-40
Расчет по модели SWAP
(осреднение за 1986 – 1995 гг.)
Львович М.И. Мировые водные
ресурсы и их будущее. 1974.
Пространственное распределение суммарного
испарения с территории Северной Америки
(без Гренландии), мм/год
1400
Latitude, degree
1200
1000
800
600
400
200
100
0
-100
-170
-150
-130
-110
-90
-70
Longitude, degree
Расчет по модели SWAP
(осреднение за 1986 – 1995 гг.)
-50 -170
-150
-130
-110
-90
-70
-50
Longitude, degree
Львович М.И. Мировые водные
ресурсы и их будущее. 1974.
Пространственное распределение формирования стока
на территории Северной Америки (без Гренландии),
мм/год
Latitude, degree
90
80
2000
70
1500
1000
60
800
50
600
40
400
200
30
100
20
50
10
10
0
-170
0
-150
-130
-110
-90
-70
Longitude, degree
Расчет по модели SWAP
(осреднение за 1986 – 1995 гг.)
-50
-170
-150
-130
-110
-90
-70
-50
Longitude, degree
Львович М.И. Мировые водные
ресурсы и их будущее. 1974.
• Экологические
задачи
Схематизация формирования углеродного баланса в
системе “почва – растительный покров – атмосфера”
NP - нетто фотосинтез,
rl - дыхание фотосинтезирующей
фитомассы,
rB - дыхание одревесневшей
фитомассы (стволов и веток),
rS - дыхание почвы,
включающее автотрофное дыхание
подземной фитомассы (корней,
клубней)
и дыхание гетеротрофов микроогрганизмов, разлагающих
лесную подстилку и опад, а также
участвующих в минерализации
почвенной органики.
Основные резервуары углерода в
экосистеме хвойного леса:
§ (1) фотосинтезирующие элементы хвойных
деревьев (хвоя),
§ (2) надземная фитомасса живой древесины
(ветки, стволы),
§ (3) подземная живая фитомасса (корни деревьев),
§ (4) надземная фотосинтезируящая фитомасса под
пологом леса (кустарниковый или травяной
покров),
§ (5) подземная корневая фитомасса травяного
покрова,
§ (6) опад и лесная подстилка,
§ (7) органический углерод почвы.
Система уравнений, описывающих динамику углеродного
баланса рассматриваемой лесной экосистемы
dCn knGPP  On

dt  Rn  On
при Ssh  0
при Ssh  0
dCw
 kwGPP Rw Ow
dt
dCr
 krGPPRr Or
dt
dCgu
dt
 kguGPPg  Rgu Ogu  ATr
dC go k goGPPgo  Ogo  ATr при Ssh  0

при Ssh  0
dt  Rgo  Ogo  ATr
dCl
 On Ow Or Ogo Ogu  Rl  П
dt
dC s
 П  Rs
dt
где Сn, Сw, Сr, Сgo, Сgu, Сl, Сs - масса углерода (на единице площади
экосистемы), содержащегося в хвое; ветках и стволах; корнях деревьев;
живой надземной биомассе травы; живой подземной биомассе травы;
мертвой биомассе (опаде, корневых остатках, лесной подстилке); гумусе
почвы, соответственно;
GPP – общая первичная продуктивность хвои, равная ее
неттофотосинтезу минус темновое дыхание днем и нулю ночью;
GPPg – общая первичная продуктивность травы, равная ее
неттофотосинтезу минус темновое дыхание днем и нулю ночью;
Rn, Rw, Rr, Rgo, Rgu - автотрофное дыхание (дыхание хвои; веток и стволов;
корней деревьев; надземной фитомассы травы; подземной фитомассы
травы, соответственно);
Rl, Rs, - гетеротрофное дыхание (дыхание организмов, разлагающих
отмершую биомассу опада, корневых остатков, лесной подстилки;
дыхание микроорганизмов, обеспечивающих минерализацию гумуса,
соответственно);
Оn, Оw, Оr, Оgo, Оgu - интенсивность убыли углерода в соответствующих
резервуарах вследствие опада или отмирания различных фитоэлемнтов
экосистемы (хвои; веток и стволов; корней деревьев; надземной биомассы
травы; подземной биомассы травы, соответственно);
П – интенсивность пополнения углерода почвенной органики в результате
разложения отмершей биомассы (как надземной, так и подземной)
экосистемы;
ATr - интенсивность поступления ассимилятов многолетних трав из
подземной биомассы (луковиц, клубней и т.д) в надземную (в основном в
весенний период для создания системы побегов;
Ssh – интенсивность солнечного излучения (коротковолновая радиация).
Коэффициенты кn, кw, кr, кgo, кgu характеризуют распределение углерода,
связанного с поступлением ассимилятов после фотосинтеза в различные
компоненты
Международная сеть наблюдений
водного, теплового и углеродного обмена в лесных
и полевых экосистемах
Важной предпосылкой развития LSM-моделей явилось создание
с середины 90-ых годов прошлого столетия международной
инструментальной сети наблюдений за потоками тепла, водяного
пара и углекислого газа в различных экосистемах планеты
FLUXNET.
Широкий
спектр
экспериментальных
данных,
полученных в данной сети наблюдений, позволяет осуществлять
апробацию разрабатываемых LSM-моделей по формированию в
экосистемах суши радиационного, теплового, водного и
углеродного обмена
Экспериментальный полигон Лубус
международной сети ”CarboEuroflux” (красный крест)
Экосистема соснового
леса, высаженного на
песчанных дюнах
Вид полигона Лубус в 1906 г.
вверху
и в настоящее время
справа
Динамика углеродного баланса экосистемы соснового леса
NEE в районе исследовательской станции Лубос в апреле июне 1998 года.
NEE , г м-2 ч-1
1
0.8
наблюдение
апрель
модель SWAP
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
0
80
160
240
400
480
560
640
720
май
NEE , г м-2 ч-1
1
0.8
320
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
0
80
160
240
0
80
400
480
560
640
720
640
720
июнь
NEE , г м-2 ч-1
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
320
160
240
320
400
480
560
время, час
Внутригодовая динамика углеродного
баланса NEE экосистемы соснового леса в
районе исследовательской станции Лубос.
NEE , кгC м-2 мес-1
наблюдение
модель SWAP
0.15
0.1
0.05
0
-0.05
-0.1
1997
1998
Многолетняя динамика полной первичной продуктивности
GPP, неттопродуктивности NPP и углеродного баланса NEE
экосистемы соснового леса в районе исследовательской
станции Лубос
(моделирование)
NEE , NPP , GPP , кгC м-2
-1
год1.2
GPP
1.0
NPP
0.8
0.6
автотрофное дыхание
0.4
гетеротрофное дыхание
0.2
0.0
NEE
-0.2
1
11
21
31
41
51
61
71
годы (с 1906)
81
91
Многолетняя динамика углеродного баланса
экосистемы соснового леса NEE в районе
исследовательской станции Лубос.
0.4
NEE , кгC м-2 год-1
модель SWAP
наблюдение
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
1
11
21
31
41
51
61
71
81
годы (начиная с 1906)
91
Динамика содержания углерода в различных компонентах экосистемы соснового
леса в районе исследовательской станции Лубус (расчет)
(биомасса травяного покрова приведена по июльским данным, когда ее значения
максимальны)
хвоя
4.5
ветки и стволы
4.0
корни деревьев
3.5
детрит, подстилка
почвенная органика
-2
Содержание углерода, кгC м
Содержание углерода (кг/м2) на
станции в конце 90-х годов:
в почве, детрите, подстилке
3.0
надземная биомасса травяного
покрова
подземная биомасса травяного
покрова
2.5
2.0
расчет
5.6
-
7.7±0.7
- измерение
в живой биомассе
1.5
3.2
- расчет
3.5-4.5
- примерная оценка
по дендрологическим
характеристикам
растительности
1.0
0.5
0.0
0
10
20
30
40
50
годы (с 1906)
60
70
80
90
• Гидрологические
задачи
Схематизация основных речных бассейнов и речной сети пан-Арктического
бассейна с 100 - км разрешением
(зеленые точки – пункты наблюдений за речным стоком)
Местоположение бассейна р.Мезень (площадь 78000 км2
)
Бассейн р.Мезень и его схематизация
при проведении расчетов стока
– метеостанции
– стоковая станция
Линейная модель
формирования водного баланса в русловой сети
[ Kanae et al.,1995; Oki, 1997; Oki, Sud, 1998 ]
dS r
 Yin  Yout
dt
Sr – запас воды в русловом канале в пределах одной расчетной ячейки
Yin - расход воды, поступающий в канал (как от каналов соседних
ячеек, так и в виде боковой приточности в рассматриваемой ячейке)
Yout - расход воды в канале на выходе из ячейки
Yout
ue

Sr
dc
dс – расстояние между расчетными ячейками
ue – эффективная скорость движения воды в русловом канале (с учетом
извилистости русла). Среднеглобальное значение ue равно примерно
0.35 – 0.36 м/с [Miller et al., 1994; Kanae et al., 1995; Oki et al., 1999]
Статистические критерии соответствия
рассчитанных и наблюденных значений
стока
♥
Систематическая ошибка bias, равная разности между рассчитанными
и наблюденными значениями стока, усредненными по рассматриваемому
периоду
♥
Коэффициент корреляции между рассчитанными (xcal) и наблюденными
(xobs) значениями стока Corr (суточными или месячными)
♥
Расчетная эффективность по Нэшу-Сатклиффу [Nash, Sutcliffe, 1970]
Eff, определяемая следующим выражением
Eff  1 
2
(
x

x
)
 cal obs
Ω
2
(
x

x
)
 obs obs
Ω
Согласно [Апполов и др., 1974]:
«хорошая» точность – при Eff > 0.75
«удовлетворительная» - при 0.36 < Eff < 0.75
Сопоставление наблюденных ( ) и рассчитанных (
) суточных величин стока
р.Мезень в районе ст. Малонисогорская с использованием априорных параметров
bias = 141 мм/год (или 40% от наблюденного стока), Corr = 0.94, Eff = - 0.49
16
R , мм/сут
14
12
10
8
6
4
2
0
1986
18
1987
1988
1989
1990
R , мм/сут
16
14
12
10
8
6
4
2
0
1991
1992
1993
1994
1995
Эффективность расчетов Eff
и систематическая ошибка Bias
месячных величин стока для ряда северных рек при
использовании априорных параметров поверхности
бассейнов и метеорологических характеристик из
глобальной базы данных проекта GSWP-2 за 1983-1995 гг.
Bias, мм/год
Eff
200
1
150
0.5
100
50
-1.5
-150
ка
г ир
Ал
дан
Лен
а
ра
Пе ч
о
Ол
е не
к
Кол
ым
а
а
ь
Ма
к ке
нз и
Ме
з ен
Инд
и
-100
Дви
н
-50
Юк
он
ка
гир
н
Ин
ди
Ал
да
Лен
а
ра
Печ
о
к
ене
Ол
ым
а
К ол
кке
н зи
Ма
зен
ь
Ме
ина
Дв
0
Се в
.
-1
Сев
.
-0.5
Юк
он
0
Пример прямого поиска минимума целевой функции Ext
для двумерной области переменных X и Y (RST –метод)
– точки первоначальной серии квазислучайных точек (X, Y)
– «лучшие» точки первоначальной серии
– точки повторной серии розыгрыша квазислучайных точек (X, Y)
– область точек со значениями X и Y, близких к оптимальным
Метод эволюций тасуемых групп SCE-UA
Duan Q., Sorooshian S., Gupta V.K. Effective and efficient global
optimization for conceptual rainfall runoff models // Water Resour. Res.
1992. V. 28. № 4.
Метод SCE-UA был разработан для оптимизации какой-либо одной целевой
функции. Чтобы применить его для двух целевых функций Ext и Bias, поиск
минимального значения Ext осуществлялся при условии, что Bias не должен
превышать 5%.
На первом этапе метода SCE-UA устанавливается исходная совокупность
значений оптимизируемых параметров путем случайной выборки в пространстве
допустимых значений n параметров, определяемом заданными диапазонами их
значений. Для каждой точки вычисляется значение целевой функции. На основе
этих значений выборка разделяется на несколько групп, каждая из которых
состоит из 2n+1 точек. В каждой группе поиск оптимума целевой функции
осуществляется в течение заданного числа шагов независимо от других групп
симплексным методом склонового спуска (downhill simplex method)], т.е.
происходит независимая эволюция этих групп. Периодически группы
объединяются в единую выборку, точки которой перемешиваются (тасуются) с
целью обмена информацией и разделяются на новые группы. Затем
осуществляется независимая эволюция вновь созданных групп. В процессе
поиска вся совокупность точек сходится к глобальному оптимуму при условии,
что исходная выборка достаточно велика. Эволюции и перемешивание
повторяются до достижения заранее определенного критерия сходимости. В
настоящей работе число групп задавалось равным 6 (с уменьшением до 3 в
процессе работы алгоритма), а критерий сходимости составлял 0.1% (изменение
значения Ext) в течение 8 циклов.
Среднемноголетняя (за 1986 – 1994 гг) динамика месячных
значений осадков (усредненных по бассейну р.Мезень):
(1) по данным наблюдений метеорологических станций
(2) взятых из глобальной базы данных проекта GSWP-2
100
1
данные
GSWP
2
Осадки, мм/мес
80
60
40
данные
метеостаций
20
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
месяцы
11
12
Набор калибруемых параметров
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
Оптимизируемые параметры
|Log10(kK0)| khr albsn kalbsum kh0 n, с/м1/3 ue, м/с klp
ksp
Оптимизированные параметры
ksw
klw
Сопоставление наблюденных (
) и рассчитанных суточных величин стока
р.Мезень в районе ст. Малонисогорская с использованием априорных (
) и
оптимизированных (
) параметров для калибровочного периода
16
R , мм/сут
14
Калибровочный период bias = 116 мм/год, Corr = 0.93, Eff = - 0.50
12
10
8
6
4
2
0
0
1986
1986
16
R
R ,, мм/сут
мм/сут
14
1987
1987
1988
1988
1989
1989
1990
1990
Калибровочный период bias = -2 мм/год, Corr = 0.89, Eff =0.80
12
10
8
6
4
2
0
1986
1986
1987
1987
1988
1988
1989
1989
1990
1990
Сопоставление наблюденных (
) и рассчитанных суточных величин стока
р.Мезень в районе ст. Малонисогорская с использованием априорных (
),
т.е. основанных на глобальных базах данных проекта GSWP-2,
и оптимизированных (
) параметров для проверочного периода
18
R , мм/сут
16
Проверочный период bias = 165 мм/год, Corr = 0.85, Eff = - 0.50
14
12
10
8
6
4
2
0
1991
18
R , мм/сут
16
1992
1993
1994
1995
Проверочный период bias = 0 мм/год, Corr = 0.91, Eff = 0.82
14
12
10
8
6
4
2
0
1991
1992
1993
1994
1995
Бассейн р.Печора (324 000 кв.км)
и его схематизация
при проведении расчетов стока
– стоковые станции
–
метеорологические
станции
Сопоставление наблюденных (
) и рассчитанных (
) суточных величин
стока р.Печора в районе ст. Оксино с использованием оптимизированных
параметров
/ метеорологические данные из данных наблюдений метеорологических станций/
12
R , мм / сут
10
8
Калибровочный период bias = -1%, Corr = 0.92, Eff = 0.82
(синяя линия)
6
4
2
0
1981
1991
12
1982
1992
1983
1984
1993
1985
1994
1986
1987
1995
1988
1996
1989
1990
1997
Проверочный период bias = -11%, Corr = 0.91, Eff = 0.82
(зеленая линия)
R , мм / сут
10
8
6
4
2
0
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
Сопоставление наблюденных (
) и рассчитанных (
) суточных величин
стока р.Печора в районе ст. Усть-Цильма с использованием оптимизированных
параметров (полученных по данным о стоке в районе ст.Оксино)
/ метеорологические данные из данных наблюдений метеорологических
станций/
14
12
10
R, мм/сут
расчет
наблюдение
8
6
4
2
0
1967
1978
1968
1979
1969
1970
1980
1971
1972
1981
1973
1974
1982
1975
1976
1983
1977
1984
1985
1978
1986
1987
1988
14
12
10
8
6
4
2
0
1979
1980
1981
1982
1983
1984
1985
1986
bias = -9 %, Corr = 0.90, Eff = 0.79
1987
1988
1989
1990
Примеры измеренных (1) и рассчитанных на основе модели
SWAP (2) гидрографов суточного стока R рек Онеги, Поноя и
Туломы за части проверочных периодов
6
R , мм/сут
1Obs
Р.Онега, Eff=0.83
5
4
cal
2
3
2
1
0
1969
1970
1971
8
1972
1973
1974
1975
1976
1877
1978
Р.Поной, Eff=0.85
6
4
2
0
1975
1976
1977
1978
8
1979
1980
1981
1982
1983
1958
1959
1984
Р.Тулома, Eff=0.60
6
4
2
0
1951
1952
1953
1954
1955
1956
1957
1960
Географическое расположение бассейнов рек Таз, Пур
и Надым.
Сопоставления рассчитанных и измеренных гидрографов суточного
стока рек Таз (а), Пур (б) и Надым (в) за рассчитанные периоды.
8
R , мм/сут
1
Eff=0.80 Bias (% )=3.6
(а)
2
6
4
2
0
1967
1969
1971
1973
1975
1977
1979
Eff =0.78
8
1981
1983
1985
1987
1989
Годы
Bias (%)=-9.5
(б)
6
4
2
0
1978
1980
1982
1984
Eff=0.74
12
1986
1988
1990
Годы
Bias (%) = -6.6
(в)
10
8
6
.
4
2
0
1967
1970
1973
1976
1979
1982
1985
1988
Годы
Статистические характеристики соответствия наблюденных и
рассчитанных на основе моделей SWAP и VIC месячных слоев
стока рек Мезени, Печоры, Северной Двины, Индигирки, Оленек
(Bias, %, и Eff )
Модель
Река
Расчетный
период, годы
Bias
Eff
SWAP
Мезень
1986-1994
-2
0.96
SWAP
Печора
1981-2000
-9
0.94
SWAP
Сев. Двина
1967-1998
3
0.91
Индигирка
1967 – 1992
1
0.86
1967 – 1990
13
0.89
1979-1999
1979-1999
1979-1999
1979-1999
1979-1999
-9
-15
-1
6
15
0.83
0.77
0.85
0.83
0.85
4%
0.09
SWAP
SWAP
VIC
VIC
VIC
VIC
VIC
Оленек
Мезень
Печора
Сев. Двина
Индигирка
Оленек
Средняя разница абсолютных значений
Сопоставления рассчитанных и измеренных средних по бассейнам
рек Пур (а), Таз (б), и Надым (в) высот снежного покрова.
Высота снежного
покрова, см
1
2
(а)
100
75
50
25
0
1971
1972
1973
1974
1975
120
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982 Годы
(б)
80
40
0
1967
1969
1971
1973
1975
1977
1979
1981
1983
1985
1987
1989
Годы
(в)
100
75
50
25
0
1967
1969
1971
1973
1975
1977
1979
1981
1983
1985
1987
1989
Годы
Социально-экономический А1 SRES (Special Report
on Emissions Scenarios): -сценарий IPCC
Сценарий A1 описывает
будущий мир очень быстрого
экономического роста, с
низким приростом населения и
быстрым внедрением новых и
более эффективных
технологий.
Основополагающими темами
являются: сближение разных
регионов, наращивание
потенциала и активизация
культурных и социальных
взаимосвязей, а также
существенное сокращение
региональных различий в
доходе на душу населения.
Для оценки динамики
гидрометеорологических и
актинометрических
характеристик (в глобальном
и региональном масштабах),
служащих исходной
информацией для расчетов
воздействий климатических
изменений на формирование
водного, теплового и
углеродного баланса в
конкретной экосистеме, была
использована компьютерная
программа
MAGICC/SCENGEN,
представляющая собой по
существу генератор
климатических сценариев,
предназначенный для оценки
уязвимости или адаптации
различных экосистем или
биомов планеты к
климатическим изменениям.
MAGICC / SCENGEN:
Model for the Assessment of Greenhouse-gas
Induced Climate Change / A Global and
Regional Climate Scenario Generator
[Model for the Assessment of Greenhousegas Induced Climate Change, 2000]
Модели глобальной циркуляции атмосферы (высокого разрешения),
использованные в работе модельного комплекса SCENGEN.
HadCM2
Hadley Centre Unified Model 2 Transient Ensemble-mean (UK)
UKTR
UK Met. Office/Hadley Centre Transient
CSIRO-TR
Commonwealth Scientific and Ind. Research Org., Transient (Australia)
ECHAM4
European Centre/Gamburg Model 4 Transient (Germany)
UKHI-EQ
UK Met. Office High Resolution
CSIRO2-EQ
Commonwealth Scientific and Ind. Research Org., Mark 2 (Australia)
ECHAM3
European Centre/Gamburg Model 3 Transient (Germany)
UIUC-EQ
University of Illinois at Urbana Champaign (USA)
ECHAM1
European Centre/Gamburg Model 1 Transient (Germany)
CSIRO1-EQ
Commonwealth Scientific and Ind. Research Org., Mark 1 (Australia)
CCC-EQ
Canadian Climate Centre (Canada)
GFDL-TR
Geophysical Fluid Dynamics Laboratory Transient (USA)
BMRC-EQ
Bureau of Meteorology Research Centre (Australia)
CGCM1-TR
Canadian Climate Centre for Modelling and Analysis 1 Transient (Canada)
NCAR-DOE
National Centre for Atmospheric Research (DoE) Transient (USA)
CCSR/NIES
Centre for Climate Research Studies/NIES (Japan)
700
Климатические
Осадки
Составляющие водного баланса, мм/годд
Изменение
климатических
значений осадков,
испарения и речного
стока в бассейне р.
Северной Двины для
первых двух третей
XXI века при четырех
различных
сценариях
глобального
изменения климата
согласно семейству
сценариев SRES
МГЭИК.
сценарии:
600
А1
А2
В1
500
В2
400
Испарение
300
Сток
Измеренный
климатический
сток в конце ХХ
века
(1967 – 1998 гг.)
200
100
0
1970
1990
2010
2030
2050
Годы
Изменения климатических гидрографов слоя стока р. Северной
Двины для четырех сценариев изменения климата МГЭИК SRES.
Сценарий A1
Сценарий A2
100
2039-2063
100
Слой стока, мм/мес
2015-2038
80
1991-2014
80
1967-1990
60
60
40
40
20
20
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0
1
2
3
4
Слой стока, мм/мес
100
100
80
80
60
60
40
40
20
20
0
0
2
3
4
5
6
7
6
7
8
9
10
11
12
Сценарий B2
Сценарий B1
1
5
8
9
10
11
12
Месяцы
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Месяцы
Изменение
максимальных
(весенних)
снегозапасов в
бассейне р. Северной
Двины для первых
двух третей XXI века
при четырех
различных сценариях
глобального
изменения климата
согласно семейству
сценариев SRES
МГЭИК.
Пример пространственного распределения по бассейну р. Северной
Двины климатических годовых значений осадков в мм/год, за 1967 – 1990
и 2039 – 2063 гг. в соответствии с реализацией климатического сценария
МГЭИК SRES A1
с.ш., град
(а)
2039 – 2063 гг.
1967 – 1990 гг.
в.д., град
Пример пространственного распределения по бассейну р. Северной
Двины климатических годовых значений испарение в мм/год, за
1967 – 1990 и 2039 – 2063 гг. в соответствии с реализацией
климатического сценария МГЭИК SRES A1
с.ш., град
(б)
2039 – 2063 гг.
1967 – 1990 гг.
в.д., град
Пример пространственного распределения по бассейну р. Северной
Двины климатических годовых значений стока в мм/год, за 1967 –
1990 и 2039 – 2063 гг. в соответствии с реализацией климатического
сценария МГЭИК SRES A1
с.ш., град
2039 – 2063 гг.
1967 – 1990 гг.
в.д., град
 LAST SLIDE

Thank you!
FOR CONTACT
Yeugeniy M. GUSEV
gusev@aqua.laser.ru
Оценки составляющих водного баланса (мм/год) для континентов
Автор
Расчеты по
SWAP *
Львович
(1974)**
Будыко***
(1971),
Зубенок (1970)
Зубенок****
(1976)
Величина
P
E
R
R/P
P
E
R
R/P
P
E
R
R/P
E
Европа
Азия
1017
551
463
0.46
734
415
319
0.43
640
390
250
0.39
470
695
456
238
0.34
726
433
293
0.40
600
310
290
0.48
400
Африка
678
561
118
0.17
686
547
139
0.20
690
430
260
0.38
500
Сев.
Америка
753
468
275
0.36
670
383
287
0.43
660
320
340
0.52
400
Южн.
Америка
1506
957
548
0.36
1648
1065
583
0.35
1630
700
930
0.57
850
Австралия
749
560
188
0.25
736
510
226
0.31
470
420
50
0.11
490
Суша в
целом
837
562
272
0.33
834
540
294
0.35
730
420
310
0.42
450
P
790
740
740
756
1600
791
800
Корзун (1974)
E
507
416
587
418
910
511
480
R
283
324
153
338
690
280
320
R/P
0.36
0.44
0.21
0.45
0.43
0.35
0.40
P
657
696
696
645
1564
803
750
Баумгартнер,
E
375
420
582
403
946
534
480
Рейчел (1975)
R
282
276
114
242
618
269
270
R/P
0.43
0.40
0.16
0.38
0.40
0.33
0.36
* Северная Америка включает Канадский архипелаг и Гренландию, Австралия включает Тасманию, Новую Гвинею и
новую Зеландию, суша не включает Антарктиду.
** Северная Америка не включает Канадский архипелаг и Гренландию, Австралия включает Тасманию, Новую Гвинею
и Новую Зеландию (только на Австралии: P=440 мм/год, R=47 мм/год и E=393 мм/год), суша не включает Канадский архипелаг,
Гренландию и Антарктиду.
*** Суша включает Антарктиду.
**** Австралия с Тасманией, Новой Гвинеей и Новой Зеландией, Северная Америка с Гренландией.
Среднемноголетние глобальные годовые суммы (мм/год) осадков (P),
стока (R), испарения (E), а также коэфиициента стока (R/P) и отношения
испарения к осадкам (E/P)
Источник информации
P
R
E
E/P
R/P
Расчет по модели SWAP
(включая Гренландию)
Расчет по модели SWAP
(без Гренландиии)
837
273
563
0.67
0.33
845
271
573
0.68
0.32
Mather (1969)
712
274
438
0.62
0.38
Львович (1964)
Будыко (1971), Зубенок (1970)
730
470
0.64
0.34
Львович (1974)
834
Korzun et al. (1974)
800
Baumgartner, Reichel (1975)
Зубенок (1976)
Legates, Willmott(1990)
**)
730
250
310
420
0.58
0.42
540
0.65
0.35
320
480
0.60
0.40
746
266
480
0.64
0.36
804
354
450
0.56
0.44
294
820
UNESCO (1999)
800
294
506
0.63
0.37
Среднее по литературным
данным (исключая **) )
769
295
473
0.62
0.38
Вверх, вниз по кругу
несутся первостихии <…>
некоторым образом все
сплетается одно с другим
<…> одно другому
сообразно,
а это благодаря
напряженному движению,
единодыханию и
единению естества.
Марк Аврелий
121-180
«Размышления»
Размеры расчетных ячеек при моделировании
динамики водного баланса бассейна р.Роны в
различных численных экспериментах
эксп1
эксп2
эксп3
Расчетный период: август 1986 г. – июль 1989 г.
Разность
значений
различных
комонентов
водного баланса
бассейна р.Роны
(мм/год)
для 1-го и 3-го
численных
экспериментов
(средние
значения
за 3 года –
с августа 1986
по июль 1989)
Эксп1
Эксп3
Базы данных по приходящей к
поверхности суши коротковолновой и
длинноволновой радиации
1. Базы данных, основанные на «чистом» реанализе:
NCEP-DOE или ERA-40
2. База данных SRB (Surface Radiation Budget).
Получена при реализации проекта GSWP-2 на основе 3-часовых
данных по радиации, подготовленных Исследовательским
центром НАСА/Лэнгли (NASA/Langley Research Center)
3. База данных ISCCP, подготовленная в результате
реализации проекта «The International Satellite Cloud Climatology
Project»
Глобальное
распределение
коэффициента
фильтрации K0, м/с
(в логарифмической
шкале - Ln(K0))
Ln(K0)
-4.2
-4.6
-5
-5.4
-5.8
-6.2
Средние широтные значения годовых сумм осадков P (
стока R (
,
)
P, R, мм/год
Зубенок, 1970
SWAP
1900
) и
,
1400
900
с.ш.
-60-90
-60-50
-50-40
-40-30
-30-20
-20-10
-10-0
0-10
10-20
20-30
30-40
40-50
50-60
60-70
70-80
-100
80-90
400
ю.ш.
Примечание: модель SWAP - осреднение за 1985-1996 гг.
Средние широтные значения годовых сумм осадков P (
суммарного испарения Е (
,
,
)
P, E , мм/год
) и
,
Зубенок, 1970
SWAP
1900
Зубенок, 1976
1400
900
ю.ш.
-60-90
-60-50
-50-40
-40-30
-30-20
-10-0
0-10
10-20
20-30
30-40
40-50
50-60
60-70
-20-10
с.ш.
70-80
-100
80-90
400
Примечание: модель SWAP - осреднение за 1985-1996 гг.