CC BY
29
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ МОДЕЛИ ОЦА ГИДРОМЕТЦЕНТРА РОССИИ
К УВЕЛИЧЕНИЮ КОНЦЕНТРАЦИИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В ЭКСПЕРИМЕНТАХ С ТЕМПЕРАТУРОЙ ПОВЕРХНОСТИ ОКЕАНА ИЗ СОВМЕСТНОЙ МОДЕЛИ АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА*
М. С. Гусева, К. Г. Рубинштейн Гидрометцентр России, Москва e-mail: msemenovna@rambler.ru, rubin@mecom.ru
Sensitivity of the global air temperature to the increased concentrations of carbon dioxide (CO2) in the HMC general circulation model was analyzed. Concentration was increased by 1% per year. The SST was set according to the results of the same experiment with the IVM RAN coupled atmosphere-ocean model. Sensitivity of the average global air temperature in HMC model is 0.9 K and it is equal to that of the IVM RAN model. In general, sensitivity of the air temperature is lower in the HMC model than in some foreign models.
Введение
В последние несколько десятилетий происходит заметное увеличение приповерхностной температуры воздуха [1]. Согласно докладу [2], опубликованному в 2001 году IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change — Межгосударственным совещанием по изменению климата), существенный вклад в это потепление вносит увеличение концентрации парниковых газов, главным образом углекислого (СО2).
Одним из основных, если не единственным, способов изучения отклика сложной климатической системы Земли на антропогенное воздействие является численное моделирование климатической системы. При моделировании изменений климатической системы необходимо адекватно описывать процессы в атмосфере, океане, криосфере и на суше. Как правило, современные климатические модели имеют все перечисленные компоненты. Так как невозможно предсказать, по какому сценарию будет развиваться в будущем мировая
* Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 03-05-64312, № 04-05-64151), а также INTAS (грант № 03-51-5296).
© Институт вычислительных технологий Сибирского отделения Российской академии наук, 2005.
экономика, в рамках IPCC разработан ряд возможных сценариев изменения концентрации парниковых газов в атмосфере. Все модели, участвующие в исследованиях изменения климата, проводят эксперименты в соответствии с этими сценариями, в частности эксперименты с удвоением концентрации углекислого газа и ее ростом на 1 % в год (сценарий IPCC IS92a [3]). В рамках международного проекта CMIP (Coupled Model Intercomparision-Project — Проекта сравнения совместных моделей) (http://www-pcmdi.llnl.gov/covey/ cmip) также проводится сравнение откликов совместных атмосфера — океан моделей на увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере. Под откликом модели на увеличение СО2, как ив [4], подразумевается разность результатов эксперимента с увеличением СО2 и результатов контрольного эксперимента, в котором концентрация фиксируется. В проекте CMIP принимают участие более 30 совместных моделей, созданных в разных странах и имеющих различные параметры.
По данным аналогичного эксперимента с моделями, участвующими в проекте CMIP [4], приземная температура растет в среднем на 1.73 °С, причем основные изменения происходят в высоких широтах и полярных регионах, глобальное количество осадков также увеличивается.
В Институте вычислительной математики РАН (ИВМ РАН) создана совместная модель общей циркуляции атмосферы и океана, и она также принимает участие во второй части проекта CMIP. Качество воспроизведения современного климата совместной моделью общей циркуляции атмосферы и океана продемонстрировано в [5]. В дальнейшем эту модель для краткости будем называть МКС ИВМ (модель климатической системы Института вычислительной математики).
1. Исходные данные и методика проведения численных экспериментов
Поскольку в Гидрометцентре России нет совместной модели атмосфера — океан, сценарный эксперимент с увеличением концентрации углекислого газа был проведен с помощью модели общей циркуляции атмосферы (ОЦА) Гидрометцентра, а в качестве температуры поверхности океана (ТПО) и для контрольного и сценарного экспериментов использовались ТПО из совместной модели атмосферы и океана ИВМ РАН. Температура поверхности океана методом линейной интерполяции была переведена из сетки размером 4° по широте и 5° по долготе (счетная сетка модели ИВМ) в гауссову сетку с разрешением приблизительно 2.8 х 2.8° (Т42 — треугольное усечение 42 гармоник).
Эксперименты проводились с версией модели T42L15 (15 уровней по вертикали). Целями данной работы являются анализ отклика модели общей циркуляции атмосферы Гидрометцентра России на увеличение содержания СО2 и сопоставление этого отклика с результатами экспериментов с МКС ИВМ и другими моделями. Для этого будем анализировать отклик модели ГМЦ на заданное увеличение концентрации СО2 путем сравнения двух 20-летних расчетов. В первом (контрольном) эксперименте концентрация СО2 в атмосфере была задана неизменной и равной 318 ppm, что примерно соответствует наблюдавшейся в период с 1979 по 1988 год [6], а температура поверхности океана задавалась согласно результатам контрольного эксперимента с той же концентрацией МКС РАН [5] за последние 20 лет интегрирования. Во втором эксперименте концентрация СО2 увеличивалась на 1 % в год. На рис. 1 показан временной ход концентрации углекислого газа, наблюдавшийся в период с 1983 по 2002 год в полосе 3-30° с.ш., 137° в.д. [7]. Видно, что скорость
Рис. 1. Изменение со временем концентрации углекислого газа (ррт), наблюденное в экспериментах с моделью ГМЦ.
роста 1 % в год в сценарном эксперименте примерно соответствует наблюдавшейся скорости, а уровень, заданный в контрольном эксперименте, близок к реальности. Звездочками на рисунке отмечены концентрации в начале эксперимента.
2. Сравнение интегрального отклика модели ГМЦ
T42L15 на увеличение концентрации углекислого газа с аналогичным откликом, полученным участниками СЫ1Р
В рамках вышеупомянутого проекта СМ1Р проводился подобный эксперимент с увеличением концентрации углекислого газа на 1 % в год (сценарий 1РСС Е392а).
Сравнение хода отклика глобально осредненной среднегодовой температуры этих моделей на увеличение концентрации углекислого газа с аналогичным откликом модели ГМЦ (рис. 2) показывает, что чувствительность модели Гидрометцентра примерно на 50 % ниже чувствительности совместных моделей атмосферы и океана.
Значение отклика модели ГМЦ, осредненного только по суше, сопоставимо по величине с откликом глобальной приземной температуры воздуха (рис. 3) для других моделей, т.е. в целом чувствительность модели ГМЦ даже в эксперименте с ТПО, взятой из совместной модели атмосферы и океана, меньше.
Для сравнения был рассчитан отклик совместной модели атмосферы и океана ЕСНАМ4/ОРУС3 Института метеорологии Макса Планка (Гамбург, ФРГ) [9]. Для рас-
Отклик различных моделей NCAR и модели ГМЦ на увеличение концентрации CO 2
Модель Величина отклика, К
РСТМ 1.29
CCSM 1.05
CSM 1.47
РСМ 1.32
ГМЦ (глобус) 0.90
ГМЦ (суша) 1.70
ЕСНАМ4/OPYC3 (суша) 2.50
Примечание: CSM - Climate System Model, PCM - Parallel Climate Model, PCTM - PCM/CSM Transition Model, CCSM — Community Climate System Model [10].
К
о -1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1—
60 65 70 75 80
Годы эксперимента
по суше — — — по всему глобусу
Рис. 2. Изменение со временем отклика среднегодовой приземной температуры воздуха на увеличение концентрации углекислого газа на 1% в год в модели ГМЦ и моделях-участниках СМ1Р.
чета были использованы данные контрольного эксперимента и эксперимента по сценарию 1РСС Е392а [3]. Глобальный отклик приземной температуры воздуха немецкой модели по суше составляет 2.5 К, что на 0.9 К выше аналогичного отклика модели ГМЦ на увеличение концентрации углекислого газа.
Отклик упомянутых совместных моделей Национального центра исследований атмосферы (КСАИ) [10] , модели ЕСНАМ4/ОРУС3 в сравнении с откликом модели ГМЦ представлен в таблице.
3. Сравнение географического распределения изменения приземной температуры в двух моделях при увеличении концентрации СО2
Пространственное распределение среднегодового отклика моделей для температуры воздуха у поверхности приведено на рис. 3. В модели ИВМ потепление максимально в центре Евразии (рис. 3,б) и достигает там 3.5 К (в модели ГМЦ (рис. 3,а) этот максимум не вы-
Рис. 3. Карта среднегодового отклика приземной температуры в модели ГМЦ (а) и совместной модели ИВМ РАН (б) на увеличение концентрации углекислого газа.
явлен), а также в Антарктиде (до 2.5 К, что на 1 К больше, чем в модели ГМЦ). На большей части остальных континентов потепление по обоим расчетам составляет 1... 1.5 К, а на большей части океанов 0.5... 1 К. В Южном океане, а также на севере Атлантики и Тихого океана есть области, где в модели величина потепления меньше 0.5 К. Следует отметить, что в эксперименте с моделью ГМЦ в Восточном полушарии в районе побережья Антарктиды наблюдается отрицательный отклик приземной температуры на увеличение концентрации углекислого газа (-0.5 К). В целом конфигурации изолиний по данным эксперимента как с одной, так и с другой моделью схожи между собой.
Перейдем к отклику моделей отдельно в ноябре — апреле и мае — октябре. На континентах Северного полушария потепление в холодный сезон по данным обоих расчетов существенно больше, чем среднегодовое. В МКС ИВМ оно достигает в Евразии 3... 5 К, а в Северной Америке 2... 3.5 К, в модели ГМЦ — 1.5... 2.5 К. Как и в случае со среднегодовой приземной температурой, положение изолиний по данным экспериментов с обеими моделями схожи.
В мае — октябре потепление на континентах Северного полушария значительно меньше по данным обоих расчетов, чем в ноябре — апреле, и достигает лишь 1... 1.5 К. В то же время на континентах Южного полушария, в том числе и в Антарктиде, различие между потеплением в мае — октябре и ноябре — апреле гораздо меньше, чем в средних широтах Северного полушария. Эта тенденция прослеживается как в распределении отклика по результатам экспериментов с моделью ГМЦ, так и с МКС ИВМ.
Заключение
Проанализирован отклик модели Гидрометцентра России на увеличение концентрации СО2 в экспериментах с использованием данных ТПО из совместной модели атмосферы и океана ИВМ РАН. Максимальное потепление по расчетам с моделью ГМЦ происходит на северо-западе Северной Америки и составляет 2 К, что меньше максимального отклика МКС ИВМ, который составляет 3.5 К и характерен для центра Евразии. В ноябре — апреле по расчетам с моделью ГМЦ теплеет сильнее (на 2.5 К), чем в мае — октябре (на 1 К). Такая же тенденция прослеживается и по данным расчетов с МКС ИВМ, но там отклик выше (на 1 К) по своему абсолютному значению.
Из анализа карт изменения температуры можно сделать вывод, что в целом конфигурация изолиний и регионы максимумов/минимумов схожи, за исключением некоторых случаев, а также что температурный отклик модели ГМЦ на увеличение концентрации углекислого газа меньше, чем отклик МКС ИВМ, а отклик давления больше.
Из анализа хода температурного отклика модели ГМЦ на увеличение концентрации углекислого газа в эксперименте и сравнения его с совместными моделями, участвующими в проекте CMIP, следует, что чувствительность модели ГМЦ меньше.
Список литературы
[1] Jones P.D., New M., Parker D.E. et al. Surface air temperature and its changes over the past 150 years // Rev.Geophys. 1999. Vol. 37. P. 173-199.
[2] Climate Change 2001. The Scientific Basis. Intergovernmental Panel on Climate Change / Eds. J.T. Houghton, Y. Ding, D.J. Gridds et al. Cambridge, 2001. 881 p.
[3] Climate Change: The Supplementary Report to the IPCC Scientific Asessment, Intergovernmental Panel on Climate Change / Eds. J.T. Houghton, B.A. Callander, S.K. Varney. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1992. 198 p.
[4] Covey C., AchutaRao K.M., Lambert S.J., Taylor K.E. Intercomparison of present and future climates simulated by coupled ocean-atmosphere GCMs. PCMDI Report № 66. 2000. P. 1-20.
[5] Дилнский Н.А., Володин Е.М. Воспроизведение современного климата с помощью совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2002. Т. 38, № 6. С. 824-840.
[6] Gates W.L. AMIP: The Atmospheric Model Intercomparison Project. PCMDI Report. N 7. Dec. 1992. P. 6.
[7] The Global Climate System Review: June 1996 — December 2001. WMO, 2003. N 950. 136 p.
[8] Reynolds R.W., Smith T.M. Improved global sea surface temperature analyses using optimal interpolation // J. of Climate. 1994. N 7. P. 929-948.
[9] Roeckner L., Bengsston L., Feicher J. et al. Transient climate change simulations with a coupled atmosphere-ocean GCM including the tropospheric sulfur cycle // J. of Climate. N 12. P. 3004-3032.
[10] Meehl G.A., Washington W.M., Arblaster M.J., Hu A. Factors affecting climate sensitivity in global coupled models // J. of Climate. 2004. Vol. 17. April. P. 1584-1596.
nocmyuuAa e pedaKU,uw 2 uwhm, 2005 г.
