CC BY
31
УДК 551.21
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕРАВНОВЕСНОЙ РЕАКЦИИ КЛИМАТА НА ИЗВЕРЖЕНИЯ ТРОПИЧЕСКИХ ВУЛКАНОВ
Ирина Владимировна Боровко
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: [email protected]
Владимир Владимирович Зуев
Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, 634055, Россия, г. Томск, пр. Академический, 10/3, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, зам. директора, тел. (382)249-23-88, e-mail: [email protected]
Владимир Николаевич Крупчатников
Сибирский региональный научно-исследовательский гидрометеорологический институт, 630099, Россия, г. Новосибирск, ул. Советская, 30, доктор физико-математических наук, зав. лабораторией, тел. (383)222-25-30, e-mail: [email protected]
После мощных извержений тропических вулканов в стратосфере наблюдается значительное повышение температур относительно многолетних норм. Наблюдаемые температурные аномалии объясняются поглощением вулканогенным аэрозолем. Проанализирован отклик циркуляции атмосферы на изменения коэффициентов пропускания коротковолновой и длинноволновой радиации в стратосфере. Результаты моделирования показывают существенные различия между реакцией в Северном и Южном полушарии.
Ключевые слова: вулканическое извержение, аэрозоль, стратосфера, температура, циркуляция, изменение климата.
THE STUDY OF NON-EQUILIBRIUM OF THE CLIMATE RESPONSE TO THE ERUPTIONS OF TROPICAL VOLCANOES
Irina V. Borovko
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Аkademik Lavrentiev Prospect, Ph. D., researcher, tel. (383)330-61-51, e-mail: [email protected]
Vladimir V. Zuev
Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems SB RAS, 634055, Russia, Tomsk, 10/3 Academichesky ave., D. Sc., Professor, corresponding member of RAS, assistant director, tel. (382)249-23-88, e-mail: [email protected]
Vladimir V. Krupchatnikov
Siberian Regional Hydrometeorological Research Institute, 630099, Russia, Novosibirsk, 30 Sovet-skaya St., D. Sc., Professor, head of laboratory, tel. (383)222-25-30, e-mail: [email protected]
A substantial temperature rise regarding long-term rates is observed in the stratosphere due to powerful tropical-latitude volcanic eruptions. The detected temperature anomalies account for vol-canogenic aerosol absorption of radiation. The atmospheric circulation response to variations in
transmission coefficients of short-wave radiation in the stratosphere is analyzed. The results show considerable differences in the Northern and Southern Hemisphere responses.
Key words: volcanic eruption, aerosol, stratosphere, temperature, circulation, climate change.
Введение. Глобальное потепление крайне неоднородно. Наиболее чувствительными к климатическим изменениям являются полярные регионы. Потепление в Арктике приводит к существенным потерям ледового покрова Ледовитого океана, поэтому исследование влияния различных факторов на климат полярных регионов является актуальной проблемой.
Известно, что в результате ослабления коротковолновой радиации вулканическим аэрозолем происходит уменьшение средней температуры поверхности Земли. Значительно менее изучено влияние вулканов на различные циркуляционные структуры атмосферы. Кроме изменения потоков радиации в результате поглощения и рассеивания, в отклик тропосферы на извержения вносит вклад динамическая реакция тропосферы на неоднородность нагрева верхних слоев атмосферы. В результате динамического взаимодействия стратосферы и тропосферы происходит нагрев средних широт. По данным наблюдений и результатам моделирования первая и вторая зима после извержения характеризуются положительной фазой Североатлантической осцилляции [1], основной чертой которой является потепление в Европе.
Результаты измерений температуры на тропических метеостанциях показывают, что после извержений вулканов в стратосфере наблюдается повышение температур, сохраняющееся около двух лет [2]. В данной работе исследуется динамическая реакция циркуляции атмосферы на изменение коэффициентов пропускания радиации в стратосфере и верхней тропосфере в результате извержения вулкана.
Численный эксперимент. Для оценки влияния вулканических извержений на климат был проведен численный эксперимент, для которого использовалась модель климатической системы "Planet Simulator", разработанная в Метеорологическом институте Гамбургского университета [3]. Используемая модель относится к классу моделей промежуточной сложности, предназначенных для изучения отдельных процессов и обратных связей и воспроизведения базовой физики атмосферы. Ее достоинством является то, что она позволяет адекватно описать волновые динамические процессы в атмосфере.
Сценарий моделирования можно разделить на три периода: первый, контрольный, период («до извержения») составлял 40 лет. До этого модель разгонялась до выхода на стационарный режим в течение 2 лет модельного времени.
Второй период составлял два года. Для этого периода коэффициенты пропускания уменьшаются в ет* раз, где т* = та(ст), - параметризация оптической
толщи атмосферы, построенная на основе данных для извержения Пинатубо, произошедшего 15 июня 1991 г., приведенных в работе [4].
В третий период, как и в первый, поглощение солнечной радиации атмосферным аэрозолем считалось пренебрежимо малым. Этот период составлял десять лет.
Результаты. Динамические поля для периода с измененными коэффициентами пропускания сравнивались с полями для периода «до извержения».
Максимальное потепление в верхней стратосфере (р = 50 мбар) достигало 4 К, что соответствует данным наблюдений для периодов после крупных извержений. Усиление полярного вихря приводит к похолоданию в полярных областях. В летний период отклик в Северном полушарии на поверхности зонально несимметричен. Происходит похолодание в Атлантике и потепление в Тихом океане и на Аляске. В зимний период происходит похолодание в полярных широтах Северного полушария и потепление в средних широтах, более сильное в континентальных районах. Устанавливается положительная фаза Североатлантической осцилляции. В Южном полушарии потепление в средних широтах значительно слабее и не приводит к уменьшению площади морского льда.
Также с полями для контрольного периода сравнивались поля, полученные для третьего периода. В это время наблюдается статистически значимое понижение температур в Антарктиде в среднем на 2 К как зимой, так и летом. Возможная причина долговременных климатических аномалий - увеличение площади морского льда и альбедо. В период с января по март изменения усредненных полей во внетропических широтах Северного полушария сравнимы с межгодовой изменчивостью.
Максимальное изменение средней температуры поверхности Земли составляет 0,7 К. После выключения радиационного форсинга время возвращения климатической системы к начальному состоянию около десяти лет.
В полярных широтах Северного полушария температура, усредненная за период с января по март второго года после извержения, меньше средней за те же месяцы первого периода приблизительно на 3 К (рис. 1).
Рис. 1. Средняя температура по широте в зависимости от времени (вверху 71,2о ю. ш., внизу 71,2о с. ш.)
Начиная с первого года после отключения форсинга, температурные аномалии малы по сравнению с межгодовой изменчивостью. Динамика температуры южных полярных широт значительно отличается от наблюдаемой в Северном полушарии. Температурные аномалии в период действия форсинга относи-
тельно небольшие, но на второй и третий год третьего периода они достигают 2 К. За весь третий период (10 лет) на 71.2о ю. ш. средняя за зиму температура ни разу не превышала среднеклиматических значений.
Для анализа межгодовой изменчивости климатических полей использовался математический аппарат эмпирических ортогональных функций
Были посчитаны эмпирические ортогональные моды для полей давления за контрольный срок (рис. 2).
/1/М /1 I. •I1
и 1Р ЯП 30 * э ДО ео
I .у а ¡¡и"4
Рис. 2. Индекс главной моды (проекция аномалии давления на главную моду, деленная на среднеквадратическое отклонение). Вертикальными линиями отмечены моменты начала и конца действия форсинга
Главной модой, являющейся аналогом Арктической Осцилляции, определяется 14,5 % изменчивости. Проекции на главную моду в период действия вулканического аэрозоля положительны. В третий период индекс главной моды принимает как положительные, так и отрицательные значения. Таким образом, анализ главных мод изменчивости подтверждает, что динамика тропосферы внетропических широт Северного полушария выходит на первоначальный режим практически сразу после окончания действия аэрозольного нагрева стратосферы.
Реакция атмосферы на изменение коэффициентов пропускания длинноволновой радиации. Во втором эксперименте были изменены коэффициенты пропускания длинноволновой радиации. Такая постановка эксперимента связана с тем, что основной продукт извержения вулкана, сернокислотный аэрозоль, имеет полосы поглощения в длинноволновой части спектра.
В модели считается коэффициент пропускания «чистого неба»
= 1 _ ДИ20 _ Л:02 ~ Аэз ,
где Аи о , АС0 , А0 - коэффициенты поглощения тепловой радиации водяным паром, углекислым газом и озоном соответственно.
Для второго периода было добавлено поглощение вулканическим аэрозолем:
= 1 _ AH2O _ AcO2 ~ Ad3 ~ Aaer .
Окончательно коэффициент пропускания получается как произведение коэффициентов пропускания «чистого неба» и облаков:
Т = \s .
Если спектр поглощения вулканического аэрозоля находится в длинноволновом диапазоне, то средняя глобальная температура увеличивается в результате парникового эффекта. При повышении температуры верхней атмосферы на 4,3 К аномалия среднегодовой температуры за второй год составляет +0,65 К. В Северном полушарии зимой моделирование показывает очаги похолодания в тропической Евразии и Америке. Потепление в средних широтах наблюдается только в Евразии. Время возвращения средней температуры к первоначальному значению составляет около семи лет.
Заключение. В Северном полушарии преобладает динамическая реакция, связанная с увеличением разности средних температур и давлений между средними и высокими широтами и положительной фазой Североатлантической осцилляции в течение первых двух лет. В Арктических широтах зимой наблюдается отрицательная температурная аномалия. Происходит потепление в средних широтах зимой, которое приводит к уменьшению площади снегового покрова и альбедо. Средняя температура в полярных широтах выходит на начальный уровень практически сразу после возращения климатической модели к первоначальному радиационному режиму.
В Южном полушарии вследствие увеличения площади льда и альбедо наблюдается систематическое понижение температур в Антарктиде как в зимний, так и в летний период. Температурные аномалии в Антарктиде сохраняются в течение десяти лет после установления начального режима.
В случае, когда потепление обусловлено поглощением теплового излучения, динамическая реакция менее выражена, поскольку нет похолодания в тропиках.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Arctic Oscillation response to the 1991 Mount Pinatubo eruption: Effects of volcanic aerosols and ozone depletion / G. I. Stenchikov, A. Robock, V. Ramaswamy, M. D. Schwarzkopf, K. Hamilton, S. Ramachandran // J. Geophys. Res. - 2002. doi:10.1029/2002JD002090
2. URL: http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html
3. The Planet Simulator: Towards a user friendly model / K. Fraedrich, H. Jansen, E. Kirk, U. Luksch, F. Lunkeit // Meteorol. Zeitschrift. - 2005. - V. 14. - Р. 299-304.
4. Зуев В. В., Бурлаков В. Д. Сибирская лидарная станция: 20 лет оптического мониторинга стратосферы. - Томск : Изд-во ИОА СО РАН, 2008. - 226 с.
© И. В. Боровко, В. В. Зуев, В. Н. Крупчатников, 2017
