CC BY
58
УДК 551.513.539.38405 ББК 26.222.6
В.А. Румянцев, Л.К. Ефимова, В.Ч. Хон
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕжИМА,
ИСПАРЕНИЯ И ОСАДКОВ НАД АКВАТОРИЕЙ
ладожского озера с помощью региональной модели климата*
Выполнен анализ температуры воздуха и существенных гидрорологи-ческих характеристик (осадки, испарения) над акваторией Ладожского озера. Анализируются результаты моделирования региональной модели климата RCAO, с двумя вариантами граничных условий для двух интервалов времени (1961-1990, 2071-2100 гг.), осредненные для региона акватории Ладоги. Проведенное для периода 1961-1990 гг. сравнение с имеющимися эмпирическими данными позволяет оценить возможности воспроизведений RCAO в регионе акватории Ладоги для периода времени 2071-2100 гг. Приведены полученные сценарные оценки изменений температуры воздуха, осадков, испарения над акваторией Ладоги.
Ключевые слова:
акватория, испарение, Ладога, модель региональная климата, модель региональная RCAO, осадки, температура, эмиссия антропогенная парниковых газов и аэрозоля
Исследование процессов в регионе Ладожского озера, обуславливающих изменение его водных запасов - актуальная и важная задача. Уникальное Ладожское озеро - крупнейшее озеро Европы - обладает значительными запасами пресной воды (объём его водной массы составляет 908 км3), что особо существенно в связи с ожидаемым по некоторым оценкам дефициту пресной воды в мире [8]. Изменения климата в регионе водосбора и акватории влияют на экосистему Ладожского озера. В настоящее время основные усилия исследователей затрачиваются на изучение трансформирмации водных запасов и экологического состояния Ладожского озера вследствие соответствующих процессов на его водосборе [1; 5; 6; 10 и др.]. Однако необходимы и исследования изменений процессов тепло- и влагопереноса непосредственно над акваторией, особенно при изучении водного баланса и получении оценок возможных изменений экологического состояния акватории Ладоги в будущем.
Учитывая площадь акватории Ладожского озера (17678 км2), при глобальном возрастании антропогенных эмиссий в атмосферу парниковых газов и аэрозоля, в связи с хозяйственной деятельностью целесообразно моделирование изменений температуры, испарения и осадков над акваторией Ладожского озера с помощью современных региональных моделей климата для современного и отдаленных периодов. в связи с вышесказанным мы рассмотрели данные численных экспери-
* Данное исследование выполнено при поддержке РФФИ, проект 07-05-00348.
Среда обитания
Terra Humana
ментов по моделированию климата и его изменений в обширном регионе, включающем и северо-запад России. При этом весьма существенно то обстоятельство, что, как показали соответствующие исследования [7; 9; 14], региональная модель климата RCAO вполне адекватно воспроизводит климат в регионе, охватывающем Европу и часть Атлантического океана.
Численные эксперименты с граничными условиями, необходимыми для этой региональной модели, взятыми из уже упомянутых глобальных моделей климата ECHAM4/OPYC3 [13; 15] и HadCM3 [8], проводились для двух 30летних периодов: 1961-1990 гг. (контрольное интегрирование ctl) и периода 2071-2100 гг. (для которого были использованы новые сценарии а2 и Ь2 антропогенного роста в атмосфере концентраций парниковых газов и аэрозоля, разработанные Межправительственной группой экспертов по изменению климата - IPCC [11; 12]). Сценарий а2 близок к верхнему пределу возможной эмиссии парниковых газов и соответствует увеличению концентрации приблизительно до 850 ppm в 2100 г. Сценарий Ь2 соответствует более низкому содержанию парниковых газов и соответствует увеличению концентрации приблизительно до 620 ppm в 2100 г. и очень близок к описанию современного уровня развития промышленности; прогностический рост эмиссий в атмосферу парниковых газов и аэрозоля по этому сценарию примерно соответствует наблюдаемому их росту за последние 10 лет.
Как известно, гидродинамическая региональная модель RCAO имеет очень детальное горизонтальное разрешение - 49 км, и с учётом площади акватории Ладожского озера на нее приходится 9 модельных ячеек. Нами было произведено осреднение всех её модельных данных вычислений температуры, осадков, испарения в узлах регулярной сетки модели, с весами, пропорциональными широте места, по всем точкам, приходящимся на акваторию Ладоги.
Результаты анализа воспроизведений температуры приземного воздуха, атмосферных осадков и испарения с подстилающей поверхности при реализации в период 2071-2100 гг. обоих сценариев IPCC a2, b2 иллюстрируют приведенные рисунки. Информация о воспроизведениях региональной RCAO температуры приземного воздуха на акватории Ладоги при реализации обоих сценариев IPCC а2 и Ь2 представлены на рис. 1-3 для двух вариантов граничных условий RCAO (далее граничные условия, необходимые для региональной модели, взятые из глобальных моделей климата ECHAM4/OPYC3 и HadCM3, обозначаются mpi и hc соответственно).
На рис. 1 дан ход среднегодовой температуры воздуха над акваторией Ладожского озера в контрольный период, обозначаемый в дальнейшем ctl, 1961-1990 гг., и в период 2071-2100 гг. при реализации обоих сценариев IPCC a2, b2. На нем же дана эмпирическая температура приземного воздуха Санкт-Петербурга.
Многолетний ход приземной температуры воздуха над акваторией Ладожского озера имеет те же характерные черты, что и для обширного водосборного бассейна Ладоги. Он демонстрирует, что основная отличительная черта межгодовой изменчивости среднегодовой температуры приземного воздуха в регионе акватории Ладоги заключается в тенденции увеличения температуры воздуха в XIX-XXI вв. в этом регионе. Эта тенденция четко прослеживается и по данным RCAO с использованием обоих рассмотренных вариантов граничных условий: mpi и hc,. При этом данные региональной модели RCAO, полученные с использованием граничных условий глобальной модели ECHAM4/OPYC3 (mpi), дают больший наклон для линии тренда, чем при использовании граничных условий модели HadCM3 (hc). Произведенные вычисления показали, что положительные линейные тренды модельных температур статистически значимы как для среднегодовой температуры, так и для всех месяцев года.
10
О 8
Ч
те ?- 6
-Тсг_1тр_ сИ Ь2 -Тсг_mpi_ сИ а2
- - Т эмп.СПб
-----Тсг_1"ю_с11 Ь2
----Тсг 1"ю сИ а2
т-СЯГ'-.ЮСО-'-СЯГ'-.ЮСО-'-СЯГ'-. оо-'-с\|со^^юсог''аэаэсп 0000000000000 2222222222222
годы
Рис. 1. Многолетний ход среднегодовой температуры над акваторией Ладоги по данным RCAO с граничными условиями mpi, сценариями Ь2, а2 и по эмпирическим данным СПб.
Основное отличие в том, что над акваторией Ладоги в контрольный период 1961-1990 гг. температура воздуха заметно ниже, чем по эмпирическим данным Санкт-Петербурга. Так, средняя за вышеуказанный период среднегодовая температура воздуха эмпирическим данным Санкт-Петербурга в град. составляет 4,97, а по данным RCAO - 3,12 и 3,09 для граничных условий mpi и Ыс соответственно. Это, в частности, говорит о хорошем качестве воспроизведений температуры моделью RCAO, обусловленном заложенной физикой моделируемых процессов, т. к. хотя их локализация по широте и близка, но температура воздуха мегаполиса Санкт-Петербурга должна быть близкой по величине, но естественно, выше. Об этом же говорит и анализ рис. 2, иллюстрирующего возможности RCAO в воспроизведении годового хода температуры над акваторией Ладожского озера.
Т 1гр_сИ
— — Т Ью сИ
- - эмп.Т СПб_1961-1990
месяцы
Рис. 2. Годовой ход среднемесячных температур воздуха над акваторией Ладоги по данным RCAO с с граничными условиями mpi, hc в контрольный период сй1.
4
2
0
Среда обитания
Terra Humana
Для периода 1961-1990 гг. вычислены: годовой ход среднемесячных температур воздуха над акваторией Ладожского озера по модельным данным RCAO с различными граничными условиями из глобальных моделей ECHAM4/OPYC3, HadCМ3 и по эмпирическим данным Санкт-Петербурга, что приведено на рис. 2. Модельные данные воспроизведения RCAO качественно достаточно хорошо согласуются. По данным RCAO наблюдается смещение сроков максимального прогрева воздуха над акваторией примерно на 1 месяц по сравнению с эмпирическими данными санкт-Петербурга и примерно с августа и в осенние месяцы значения температур воздуха модельные и эмпирические санкт-Петербурга почти одинаковы, что объясняется, по видимому, отдачей тепла воздуху от нагретой акватории Таким образом, и многолетний и годовой ход температуры воздуха над акваторией Ладожского озера воспроизводится региональной моделью RCAO вполне адекватно.
Сценарные оценки возможных изменений температуры воздуха над акваторией Ладожского озера по модельным данным RCAO с различными граничными условиями из глобальных моделей ECHAM4/OPYC3, HadCМ3 и при реализации рассматриваемых обоих сценариев ІРСС а2 и Ь2 приводятся на рис. 3.
2 b p m
T 2 a p m
—T 2 b c h
T hc a2
О T m pi_ctl
месяцы
Рис. 3. Годовой ход тепературы над акваторией Лалоги по данным RCAO с граничными условиями mpi, ^, сценариями Ь2, а2 в период 2071-2100 гг. и в контольный период ей.
Как видно из рис. 3, по данным региональной модели RCAO при реализации рассматриваемых обоих сценариев 1РСС а2 и Ь2 над акваторией Ладоги в период 2071-2100 гг. отмечается возрастание температуры воздуха, причём более значительное (на несколько градусов) - в зимние месяцы и использование граничных условий Ыс в терминах среднегодовой температуры даёт более умеренное увеличение температуры. Заметим также, что сценарий Ь2 дает более умеренное возрастание приземной температуры воздуха на водосборе Ладоги (примерно на 1,5о меньше, чем для сценария а2). Иными словами, данные по воспроизведению RCAO температуры приземного воздуха над акваторией Ладожского озера в будущем могут быть использованы как ориентировочные оценки возможных ант-
ропогенных изменений, вызванных возрастанием эмиссий парниковых газов и 181 аэрозоля в атмосферу.
Воспроизведение атмосферных осадков над акваторией Ладожского озера региональной моделью RCAO в многолетнем и годовом ходе иллюстрируют рис. 4-6.
1 400 -|
12 00
8 00
Р ггс_ т р ¡_ сИ-Ь2 Р ггс_ т р ¡_ сИ а 2 " " " Р ггс _ факт. ВБ — —Р ггс^с_сИ Ь2 -----Р ггс^с_сИ а2
Рис. 4. Многолетний ход годовых сумм осадков над акваторией Ладоги по данным RCAO с граничными условиями тЫ, ¡гс, сценариями Ь2, а2 и по фактическим данным водного баланса акватории.
1 000
6 00
400
200
0
Рг mpi сИ Ргг hc сИ Рг факт. ВБ
месяцы
Рис. 5. Годовой ход месячных сумм осадков над акваторией Ладоги по данным RCAO с граничными условиями тр^ гс для контрольного периода сй 1961-1990 гг. по фактическим данным водного баланса акватории.
Среда обитания
Terra Humana
------Pr mpi a2
------Pr hc b2
------Pr hc a2
Pr mpi b2
Q.
20
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
месяцы
Рис. 6. Годовой ход месячных сумм осадков над акваторией Ладоги по данным RCAO с граничными условиями mpi, hc и сценариями Ь2, а2 в период 2071-2100 гг.
На рис. 4 приводится многолетний ход в периоды 1961-1990 и 2071-2100 гг. годовых сумм атмосферных осадков над акваторией Ладожского озера, вычисленный региональной моделью RCAO. При этом в RCAO использованы различные граничные условия тр^ Ыс и для каждого из них различные сценарии а2, Ь2. На нём же для первого периода дан многолетний ход фактических данных многолетнего хода атмосферных осадков над акваторией Ладожского озера по данным водного баланса акватории [2; 3] (для периода 1989-1995 гг. использовались данные ГГИ).
Соответствие модельных и фактических данных при моделировании многолетнего хода годовых сумм атмосферных осадков над акваторией Ладожского озера весьма удовлетворительное. Фактические данные попадают в середину интервала, образованного данными модельных воспроизведений RCAO с граничными условиями тр^ Ыс. Отметим, что модельные воспроизведения RCAO при использовании граничных условий mpi дают заметно большие значения годовых сумм атмосферных осадков над акваторией Ладожского озера, чем при использовании граничных условий Ыс (среднее значение годовых сумм осадков с тр^ например, за период 1961-1990 гг., составляет 720 мм/год, а с Ыс - 612,9), а интервал, образованный данными модельных воспроизведений RCAO с граничными условиями тр^ Ыс в период 2071-2100 гг. заметно увеличивается, то есть, усиливается межгодовая изменчивость моделируемых годовых сумм атмосферных осадков над акваторией Ладожского озера.
По модельным данным воспроизведений RCAO с месячным разрешением с граничными условиями тр^ Ыс для контрольного периода 1961-1990 гг. вычислен годовой ход месячных сумм атмосферных осадков над акваторией Ладожского озера, приведенный на рис. 5. На нём же для первого периода также дан годовой ход фактических месячных сумм атмосферных осадков над акваторией Ладожского озера данных согласно тем же фактическим данным [2; 3].
В основных характерных чертах результаты годового распределения месячных сумм атмосферных осадков над акваторией Ладожского озера для периода 1961-1990 гг., вычисленные по данным региональной модели RCAO с использованием граничных условий тр^ Ыс, и фактические данные водного баланса акватории согласуются. Это прежде всего относится к амплитуде распределений, однако по фазе согласование хуже, особенно, в период весны - начала лета, когда в модельных распределениях обнаруживаются вторичные максимумы, отсутствующие на годовом ходе по фактическим данным, согласно которым осадки над акваторией Ладоги достигают наибольших величин в период с августа по декабрь с максимальным значением в августе и ноябре, минимальное количество осадков наблюдается с февраля по май. Следовательно, в интерпретации воспроизведений годового распределения месячных сумм атмосферных осадков над акваторией Ладожского озера по данным RCAO будет иметь место доля неопределённости.
На рис. 6 приведен годовой ход месячных сумм атмосферных осадков над акваторией Ладожского озера, вычисленный по данным региональной модели RCAO с использованием граничных условий тр^ Ыс и сценариев а2, Ь2 для периода 2071 -2100 гг.
Сценарные оценки изменений месячных сумм атмосферных осадков над акваторией Ладожского озера для периода 2071-2100 гг. по данным региональной модели RCAO при использовании граничных условий тр^ Ыс и сценариев Ь2, а2, приведены на рис. 6. С учетом анализа рис. 5 при их интерпретации по данным RCAO будет иметь место некоторая доля неопределённости в детализации годового хода.
воспроизведение испарения над акваторией Ладожского озера региональной моделью RCAO в многолетнем и годовом ходе иллюстрируют рис. 7, 8. На рис. 7. приведён многолетний ход над акваторией Ладоги годовых сумм испарения, вычисленный региональной моделью RCAO, с различными граничными условиями тр^ Ыс и различными сценариями а2, Ь2 для периодов 1961-1990 гг. и 2071-2100 гг.
700 600 500
° 400
г
“ 300
ш
200 1 00 0
1-С0Ю^-0)1-С0Ю|^0)1-С0
<£)|^00000<мс0^-ю<£)00а)
а>а>а>т-оооооооо
год ы
Рис. 7. Многолетний ход годовых сумм испарения над акваторией Ладоги по данным RCAO с граничными условиями mpi, Ьс, сценариями а2. Ь2 и по фактическим данным
водного баланса акватории.
-------Е гс_тр^Н-Ь2
-------Егс _ т р ^Н- а 2
- - - Е гс_ф акт.В Б
--- — Е гс_Ь|С с^ Ь2
------Е гс_ Ь| с с^ а2
Среда обитания
Terra Humana
Воспроизведенный RCAO многолетний ход годовых сумм испарения над акваторией Ладоги указывает на наличие тенденции их увеличения в рассмотренный период времени. Так, по данным RCAO с использованием граничных условий тр^ Ыс средние значения годовых сумм испарения (в мм/год) за периоды 1961-1990 и 2071-2100 гг. возрастают от 397, 382, соответственно, до 515, 506 и 483, 452. Моделируемый многолетний ход годовых сумм испарения над акваторией Ладожского озера с использованием граничных условий тр^ Ыс указывает на хорошее соответствие воспроизводимых годовых сумм испарения между собой и с фактическими данными водного баланса акватории Ладоги [2; 3], хотя последние имеют немного более высокие значения. По данным RCAO в период 2071-2100 гг. отмечается несколько меньшая изменчивость годовых сумм испарения по сравнению с годовыми суммами осадков над акваторией Ладоги.
вычислен годовой ход месячных сумм испарения над акваторией Ладожского озера в контрольный период с11 1961-1990 гг., который иллюстрирует рис. 8.
месяцы
Рис. 8. Годовой ход месячных сумм испарения над акваторией Ладоги по данным RCAO с граничными условиями mpi, hc и по фактическим данным водного баланса акватории.
Данные воспроизведений RCAO годового хода месячных сумм испарения над акваторией Ладоги в контрольный период 1961-1990 гг. при использовании граничных условий mpi и Ыс весьма хорошо согласуются друг с другом, а также с фактическими данными водного баланса акватории [2; 3], приведёнными на рис. 8. Так, испарение с акватории Ладоги в первую половину года (январь-июнь) существенно меньше, чем во вторую (июль-декабрь), слабый максимум его приходится на август, при этом он не сильно отличается от достаточно больших значений испарения во все месяцы второй половины года в период 1961-1990 гг.
Ввиду указанного хорошего соответствия воспроизведений RCAO фактическим данным сценарные оценки изменений в период 2071-2100 гг. будут содержать лишь малую долю неопределённости при интерпретации годового хода месячных сумм испарения над акваторией Ладожского озера.
Приведенные данные сведены в табл. 1:
Изменения приземной температуры воздуха, осадков и испарения в периоды 1961—1990 и 2071—2100 гг. над акваторией Ладожского озера по данным модели RСAO с граничными условиями ECHAM4/OPYC (трГ), HadCM ^с) для сценариев 1РСС а2 и Ь2 и по фактическим данным Санкт-Петербурга и водного баланса акватории
1961-1990 гг. 2071-2100 гг.
Фактические данные RCAO_ctl RCAO_ а2 RCAO_b 2
mpi hc mpi hc mpi hc
Температура, °С 4,97 3,12 3,093 8,53 7,75 7,405 6,325
Изменения Т на, °С 5,41 4,65 4,285 3,235
Осадки, мм/год 678,2 720 612,9 904,5 693,6 872 671
Осадки, % 25,62 13,17 21,1 9,475
Испарение мм/год 419 397,3 381,7 515,6 506,6 482,9 453,5
Испарение, % 29,87 32,72 21,65 18,8
К сделанным выше выводам добавим, что выполненный анализ данных воспроизведений региональной модели климата RCAO температурного режима, атмосферных осадков и испарения над акваторией Ладожского озера показал несомненную перспективность использования этой региональной модели для решения ряда актуальных задач лимнологии.
Список литературы
1. Арпе К., Бергстон Л, Голицын Г.С., Ефимова Л.К., Мохов И.И., Семенов В.А., Хон В.Ч. Анализ изменений гидрологического режима на водосборе Ладожского озера и с тока Невы в XX и XXI веках. Метеорология и гидрология. - 2000, № 12. - С. 5-13.
2. Государственный водный кадастр, ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши, 1978-1988 гг. Ч. 2. Т. 1. В. 0-3.
3. Материалы наблюдений на озерах и водохранилищах / Северо-Западное УГМС. 1956-1977. Т. 0-1.
4. Румянцев В.А. Готова ли Россия к выходу на мировой рынок воды? // Водные ресурсы. - 2009, № 2, т. 36. - С. 3-9.
5. Румянцев В.А., Ефимова Л.К. Изменения климата водосбора Ладожского озера по данным региональной модели RCAO (Центр Россби, SMHI Швеция) // Общество. Среда. Развитие. - 2008, № 2. - С. 125-137.
6. Румянцев В.А., Ефимова Л.К., Голицын Г.С., Хон В.Ч., Лыскова УС. Моделирование температурно-влажностного режима водосборного бассейна Ладожского озера // Известия РАН. Серия географическая. - 2007, № 1. - С. 130-135.
7. Bringfelt B., Raisanen J., Gollvik S., Lindstrom G., Graham L. P. and Ullerstig A. 2001. The land surface treatment for the Rossby Centre Regional Atmospheric Climate Model - version 2 (RCA2). SMHI Reports Meteorology and Climatology 98, 40 pp. [Available from Rossby Centre, SMHI, S-60176 Norrkoping, Sweden].
8. Collins M., Tett S.F.B., Copper C. The internal climate variability of HadCM3, a version of the Hadley Centre coupled model without flux adjustments // Clim. Dyn. - 2001, V. 17. -P. 61-81.
Среда обитания
Terra Humana
9. Doscher R., Willen U., Jones C., Rutgersson A., Meier H. E. M., Hansson U. and Graham L.P. The development of the regional coupled ocean-atmosphere model RCAO // Boreal Environmental Research. - 2002, № 7. - PP. 183-192.
10. Golitsyn G.S., Efimova L.K., Mokhov I.I., Semenov V.A., Khon V.Ch. Changes of temperature of air and precipitation for the lake Ladoga basin according to results of long-term integration of ECHAM4/OpYC and HadCM3 models // Proccedings of the Fourth International Lake Ladoga Symposium 2002 / Edited by H. Simola, A.Yi. Terzhevik, M. Viljanen and IJ. Holopainen. - Joensuu, 2003. - P. 449-455.
11. Houghton J.T., Ding Y., Griggs D.J., Noquer M., van der Linden P.J., Dai X., Maskell K. and Johnson C.A. Climate Change 2001: The Scientific Basis. - Cambridge: Cambridge University Press, 2001. - 881 pp.
12. Nakicenovic N. and Coauthors 2000. Emission Scenarios. A special Report of Worcing Group III of the Intergovermental Panel on Climate Change. - Cambridge: Cambridge University Press. - 599 pp.
13. Oberhuber J.M. The OPYC Ocean General Circulation Model // Rep. № 7. - Hamburg: Max-Planck-Institute for Meteorology, 1993. - 130 p.
14. Raisanen J., Hansson U. and Ullerstig A. 2002. First GCM-driven RCAO runs of recent and future climate // SWECLIM Newsletter. - № 12. - PP. 16-21. [Available from Rossby Centre, SMHI, S-60176 Norrkoping, Sweden]
15. Roeckner N.A., Arpe K., Bengtsson L. et. al. The atmospheric general circulation model ECHAM-4. Model description and simulation of present-day climate // Rep. № 218. - Hamburg: Max-Planck-Institute for Meteorology, 1996. - 90 p.
