П.Ф. Демченко, А.В. Елисеев и другие [12]. Модель ИФА РАН име- ет следующие основные характеристики: пространственное разре- шение 4,5 ° по широте и 6 ° по долготе; вертикальная структура включает 8 слоев в атмосфере до высоты 80 км, 3 слоя в океане и 2 слоя на суше.

При этом каждый блок климатической системы имеет следую- щие особенности. Атмосфера представлена в виде 3D

представления в виде гауссовых ста- тистических ансамблей. В каждом характерном слое атмосферы предполагается линейный профиль зависимости температуры от высоты. В блоке дан полностью интерактивный гидрологический цикл. В океаническом блоке используется прогностическое уравне- ние для температуры поверхности океана (ТПО) и геострофическое приближение для

температуры в каждом характерном слое океана, также задано и распределение солености океана. В блоке используется интерактивный цикл СО2. Помимо блоков атмосфера–океан–суша

в модели учитываются биосферные эффекты и изменения морского льда. Для морского льда применяется диагностическая схема, осно- ванная на значениях ТПО. Распределение растительности на пла- нете задано по экозонам, согласно модифицированной BATS-схеме [10]. Углеродный цикл в наземных экосистемах учитывает назем- ную биоту и почвенный резервуар. В модель включены фотосинтез и первичная биопродуктивность, причем биотическое и почвенное дыхание зависят от температуры экспоненциально. Фертилизация углекислым газом дана по закону Михаэлиса-Ментона. Потоки СО2

из атмосферы в океан зависят от изменений ТПО и концентрации СО2 в атмосфере.

Общая схема КМ ИФА РАН приведена на рис. 13.5, из которой следует, что в качестве внешних воздействий для атмосферы зада- ются: приходящее солнечное излучение и антропогенные эмиссии углекислого газа (CO2), метана (CH4) и концентрации N2O, фреонов,

тропосферных и стратосферных аэрозолей. Атмосфера включает стратомезосферу, свободную атмосферу и пограничный слой. Об- лачность дана в виде одного эффективного слоя. Океан представ- лен квазиоднородным поверхностным слоем, глубоким океаном и слоем придонного трения. Криосфера включает в себя снег, вечную мерзлоту и предписанные ледниковые щиты. Обмен между

Рис. 13.5. Общая схема климатической модели ИФА РАН

и атмосферой осуществляется явным теплом, влагой, моментами импульса и углекислым газом. Обмен между атмосферой и сушей осуществляется явным теплом, влагой и углекислым газом. В почве учитываются термо и гидродинамические процессы и

преобразова- ние углерода.

Климатическая модель ИФА РАН позволила выполнить следу- ющие численные эксперименты:

–оценка глобальных и полушарных изменений температуры воздуха и осадков за счет изменения содержания CO2 в атмосфере;

–оценка изменений в составляющих углеродного цикла;

–вариации индекса Северо-Атлантического колебания (САК);

–изменение составляющих метанового цикла и процессов в болотных экосистемах;

–оценка региональных изменений гидрологического режима в бассейне Каспийского моря и крупнейших сибирских рек, впада- ющих в Северный Ледовитый океан;

– оценка возможных изменений вечной мерзлоты;

–оценка вклада вулканической активности в глобальное поте- пление.

Эффективность КМ ИФА РАН в последней версии с исполь- зованием модели общей циркуляции океана оценивалась при вос- произведении современных климатических характеристик. Так по модели получена глобальная среднегодовая температура равная 13,5 °С, которая практически совпадает с температурой по дан- ным наблюдений равной 14 °С за период, рекомендованный ВМО (1961–1990 гг.). Модельные значения региональной температуры поверхности океана отличаются от фактических не более, чем на несколько градусов. Величина глобальных годовых осадков по мо- дели 1097 мм также согласуется с эмпирическими данными, как и вычисленное глобальное значение общего количества облаков рав- ное 0,6. В модели воспроизводится и приэкваториальный и субпо- лярные максимумы общей облачности в обеих полушариях, а также достаточно удовлетворительно представлены основные горизон- тальные течения: Гольфстрим. Куросио, Антарктическое циркумпо-

лярное, пассатные течения в зоне экватора. Равновесная темпера-

турная чувствительность КМ ИФА РАН к удвоению CO2 составляет

2,9 К и находится в середине диапазона этих оценок по современ- ных МОЦАО (2,0–4,5 К).

Результаты численных экспериментов по оценке изменений глобальной температуры при задаваемых основных сценариях про-

на рис. 13.6. где слева показаны увеличения концентраций CO2 до

конца ХХI в., а справа – рост глобальной температуры [11].

По результатам рис. 13.6 следует. что при самом неблагопри- ятном сценарии SRES-A2 рост концентрации CO2 к концу ХХI в.

составит 875 ppm, а с учетом обратной связи с углеродным циклом на 90 ppm меньше; при сценарии SRES-A1B – 762 ppm (–83 ppm), при SRES-B2 – 669 ppm (–69 ppm) и при самом благоприятном сце- нарии SRES-B1 – 615 ppm (–67 ppm). В этих случаях глобальная температура увеличится к концу ХХI в. по самому неблагоприят- ному сценарию SRES-A2 на 3,38 K (–0,31 K при учете обратной связи с углеродным циклом), по SRES-A1B на 3,05 K (–0,34 K), по SRES-B2 на 2,65 K (–0,34 K) и по сценарию SRES-B1 температура вырастет на 2,43 K с возможным уменьшением на 0,35 K при учете обратной связи.

В модели ИФА РАН исследовались также изменения в отдель- ных составляющих углеродного цикла. Так, на рис. 13.7 показаны рассчитанные потоки CO2 в гигатоннах углерода в год из

атмосферы в наземные экосистемы (слева) и в океан (справа) также при различ-

ных сценариях роста CO2 в атмосфере.

По данным моделирования притока углерода в наземные экоси- стемы прослеживаются две ветви: рост и падение, причем на ветви подъема доминирует прямой (фертилизационный) эффект, увеличи- вающий поглощение СО2 наземными экосистемами. На

ветви спа- да доминирует косвенный (климатический) эффект, уменьшающий поглощение СО2 наземными экосистемами из-за

роста дыхания по- чвы. В притоке СО2 в океан доминирующий

в., на рост поглощения углерода океаном уже влияет потепление климата, которое приводит к умень- шению растворимости практически по всем сценариям.

Динамика остальных составляющих углеродного цикла: изме- нение запаса углерода в почве и доля кумулятивных антропогенных эмиссий СО2, остающаяся в атмосфере , показана на рис. 13.7.

Вобоих случаях имеет место разница между интерактивным

инеинтерактивным режимами. Наиболее наглядно в виде двух противоположных процессов это проявляется в изменении запасов углерода в почве. Так, рост запаса углерода в почве в неинтерактив- ном режиме связан с эффектом фертилизации растений за счет

общее увеличение годового стока сибирских рек в целом для 21-го столетия по сравнению с 20-м, которое связано с увеличением осад- ков в бассейнах рек и особенно, как следует из рис. 13.9, зимних осадков, влияющих на увеличение объема половодья. Хотя по сред- нему сценарию SRES-A1B это увеличение небольшое и составляет 4 % для р. Оби и 18 % – для р. Лены.

В КМ ИФА РАН дана также оценка вклада в глобальное поте- пление вулканической активности, которая является вторым по ве- личине естественным фактором внешнего воздействия после изме- нения приходящей солнечной радиации. Анализ результатов ансам- блевых численных экспериментов показал, что модель достаточно эффективно воспроизводит отклик глобальной температуры на известные крупные извержения вулканов второй половины ХХ в.: Агунг, Эль-Чичон и Пинатубо, который составляет 0,28 К; 0,27 К и 0,46 К соответственно. Причем наибольший отклик приземной тем- пературы имеет место над сушей Северного полушария и зимнее похолодание в модели оказалось намного больше летнего. По моде- ли установлено, что вулканические извержения приводят к общему уменьшению осадков, наиболее заметному над сушей средних и

оценивается в снижении глобальной температуры примерно на 0,1 К.

Кроме того, модель применялась и для оценки изменений и в других прикладных климатических показателях. По ней, напри- мер, было установлено, что длительность навигационного сезона с полностью открытым Северным морским путем вырастет с 40 су- ток до 120 суток к концу ХХI в. Также по модели получено, что будут иметь место изменения в зимнем индексе Северо-Атлантиче- ского колебания (САК) до середины ХХI в.

Литература

1.Атмосферный озон и изменения глобального климата / Л. Александров, И.Л. Ка- роль, Л.Р. Ракипова и др. – Л.: Гидрометеоиздат, 1982. – 183 с.

2.Володин Е.М. Цикл метана в модели ИВМ РАН // Изв. РАН, ФАО. 2008. Т. 44,

№2. – С. 163–170.

3.Елисеев А.В., Мохов И.И., Аржанов М.М. Взаимодействие метанового цикла и процессов в болотных экосистемах в климатической модели промежуточной сложности // Изв. РАН, ФАО. 2008. Т. 44, № 2. – С. 147–162.

4.Кароль И.Л., Розанов Е.В. Радиационно-конвективные модели климата // Изв. АН СССР // Физика атмосферы и океана. 1982. Т. 18, № 11. – С. 1179–1191.

5.Кароль И.Л., Розанов В.В., Тимофеев Ю.М. Газовые примеси в атмосфере. – Л.: Гидрометеоиздат, 1983. – 192 с.

6.Кароль И.Л. Введение в динамику климата Земли. – Л.: Гидрометеоиздат, 1988.

– 215 с.

7.Кибель И.А. Распределение температуры в атмосфере Земли // ДАН СССР,

1973. Т. 39, № 1. – С. 44–56.

8.Кондратьев К.Я. Радиационные факторы современных изменений климата. – Л.: Гидрометеоиздат, 1980. – 279 с.

9.Манабе С., Стриклер Р.Ф. Термическое равновесие в атмосфере с учетом кон- векции. Теория климата / пер. с англ. – Л.: Гидрометеоиздат, 1967. – С. 61–104.

10.Моисеев Н.Н., Александров В.В., Тарко А.М. Человек и биосфера. – М.: Наука, 1985. – 271 с.

11.Оценки глобальных и региональных изменений климата в XIX–XXI веках на основе модели ИФА РАН с учетом антропогенных воздействий / И.И. Мохов, П.Ф. Демченко, А.В. Елисеев и др. // Изв. РАН, ФАО. 2002. Т. 38, № 5. – С. 629– 642.

12.Валидация и оценка чувствительности климатической модели ИФА РАН с ис- пользованием блока общей циркуляции океана / К.Е. Мурышев, А.В. Елисеев, И.И. Мохов, Н.А. Дианский // Изв. РАН, ФАО. 2009. Т. 45. – С. 448–466.

13.Переведенцев Ю.П. Теория климата. Казанский государственный университет, 2009. – 503 с.

14.Полтараус Б.В., Кислов А.В. Климатология. 1986. – 142 с.

15.Радиация в облачной атмосфере / под ред. Е.М. Фейгельсон. – Л.: Гидрометео- издат, 1981. – 280 с.

16.Радиационно-фотохимические модели атмосферы / под ред. И.А. Кароля. – Л.: Гидрометеоиздат, 1986. – 192 с.

17.Climate change 2007: The Physical science basis. Eds.: S. Solomon, D. Qin, M. Man- ning et al. Cambridge; New York: Cambridge University Press, 2007. – 996 p.

18.Effects of dynamic heat fluxes on model climate sensitivity. W. Ch. Wang, G. Molnar et al. J. Geophys. Res., 1984, V. 89, N D3, p. 4699–4711.

19.Manabe S., Wetherald R.T. Cloud cover and climate sensitivity. J. Atm. Sci., 1980, V. 37, N 7, p. 1485–1510.

20.Manabe S., Wetherald R.T. Thermal equilibrium of the atmosphere with a given dis- tribution of relative humidity. J. Atm. Sci., 1967, V. 24, N 3, p. 361–385.

21.North G.R., Cahalan R.F., Coakley J.A. Energy balance climate models. Rev. Geo- phys. Space Phys. 1981, V. 19, N. 1, p. 91–121.

22.Ramanathan V., Coakley J.A.Jr. Climate modeling through radiative-convective models. Rev. Geophys. Space Phys., 1978, V. 10, N 4, p. 465–480.

23.Ramanathan V., Lian M.S., Cess R.D. Increased atmospheric CO2: zonal and season-

al estimates of the effect on the radiation energy balance and surface temperature.

J. Geophys. Res., 1979, V. 84, N C8, p. 4949–4958.

24.Stephens G.L. The parametrization of radiation for numerical weather prediction and climate models. Month. Wea. Rev., 1984, N 4, p. 826–867.

25.Suarez M.J., Heid I.M. The sensitivity of an energy balance model to variations in the orbital parameters. J. Geophys. Res. 1979, V. 84, N C8, p. 4825–4836.

26.Trace gases trends and their potential role in climate change. V. Ramanathan, R.J. Cicerone et al. J. Geophys. Res., 1985, V. 90, N D3, p. 5547–5566.

27.Wang W.C., Stone P. Effect of ice albedo feedback on global sensitivity in a one- dimen- sional radiative-convective climate model. J.Atm. Sci., 1980, V. 37, N 3, p. 545–552.

Лекция 14. Модели общей циркуляции атмосферы и океана

14.1. Математические модели – основа теории климата

Модель общей циркуляции (МОЦ) – это математическая мо- дель общей циркуляции атмосферы или океана, основанная на урав- нениях Навье-Стокса на вращающейся сфере с термодинамически- ми составляющими для различных источников

картину циркуляции атмосферы на основе полных уравнений термогидродинамики с уравнением переноса влаги. Они предна- значены для моделирования крупномасштабных атмосферных про- цессов и служат мощным инструментом исследования различных процессов физики и динамики разных слоев атмосферы, чаще всего в сочетании с материалами наблюдений. При добавлении в МОЦА модели общей циркуляции океана образуется совместная модель общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО) с учетом их вза- имодействий. Атмосферные и океанические МОЦ и их объедине- ние являются основными элементами Глобальных

климатической системы. Эти модели в настоящее время можно считать наиболее сложными в области физики Земли, и они представляют собой основу теории климата. По определению академика В.П. Дымникова, основными направлениями, в рамках

изменений, являются следующие [1].

1. Математическая теория климата, включающая:

а) создание теории устойчивости аттракторов климатических