CC BY
57
природная среда
УДК 551.513.539.38405 ББК 26.222.6
В.А. Румянцев, Л.К. Ефимова
о воспроизведении атмосферных осадков на водосборе ладожского озера современными моделями климата*
Обобщены и проанализированы данные глобальных и региональной моделей климата по воспроизведению атмосферных осадков на водосборе Ладожского озера, существенно влияющих на водные запасы озера. Обсуждаются проблемы такого моделирования, даны рекомендации по использованию приводимых модельных данных, включая сценарные оценки изменений атмосферных осадков на водосборе Ладоги для различных сценариев IPCC.
Ключевые слова:
атмосферные осадки, аэрозоль, водосбор, влагооборот, годовая сумма осадков, климатические изменения, Ладожское озеро, модель климата, парниковые газы, пресная вода
Воспроизведение атмосферных осадков моделями климата - весьма сложная и вместе с тем актуальная задача. Для такого объекта исследования, как водосбор Ладожского озера - самого крупного в Европе природного резервуара пресной воды, - актуальность такой задачи трудно переоценить, поскольку атмосферные осадки - одна из главных составляющих водного баланса водосбора [2]. Поскольку корректные исследования низкочастотных колебаний климата и влагооборо-та в атмосфере, позволяющие воспроизводить годовой ход и межгодовые колебания температурно-влажностного режима методами численного моделирования, проводятся с помощью физически полных моделей климата, различающихся методами параметризации основных физических процессов и пространственным разрешением. Такие модели климата позволяют получать также оценки изменений температуры и осадков при возможных антропогенно обусловленных изме-
* Данная работа выполнена при поддержке РФФИ, проект 07-05-00348.
Среда обитания
Terra Humana
нениях климата в будущем, вызванных эмиссиями парниковых газов и аэрозоля в атмосферу по соответствующим сценариям, и, в частности, на водосборе Ладожского озера.
В связи с вышесказанным в ИНОЗ РАН и ИФА РАН в последнее время впервые проводится большой цикл соответствующих исследований с помощью данных современных полных моделей климата именно для региона водосборного бассейна Ладожского озера. В данной работе приводится анализ данных по воспроизведению осадков, рассчитанных для Ладожского водосбора современными глобальными и региональной моделями климата. Так, проанализированы результаты длительного интегрирования известных, хорошо зарекомендовавших себя в международном проекте AMIP I, AMIP II, совместных моделей общей циркуляции атмосферы и океана - глобальных моделей климата - ECHAM4/OPYC3 (Метеорологический институт им. Макса Планка, Германия) [13, 15] и HadCM3 (Центр Хэдли, Великобритания) [5]. Модели имеют 19 уровней по вертикали при горизонтальном пространственном разрешении около 2,8 градусов для первой модели и 2,5 градуса по широте и 3,75 градуса по долготе - для второй. Численное моделирование осуществлялось в эксперименте с моделью ECHAM4/OPYC3 на период времени 1860-2099 гг., а с моделью HadCM3 - 1870-2099 гг.; при этом для периода 1860-1990 гг. - с заданными по наблюдениям концентрациями парниковых газов в атмосфере.
Для описания изменений концентраций во времени за период 1991-2100 гг. использовался разработанный Межправительственной группой экспертов по изменению климата (Intergovernmental Panel on Climate Change - IPCC) сценарий К92а [9]. В этом сценарии увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере в будущем рассчитывается с учётом прогнозируемого прироста населения и развития соответствующих отраслей индустрии без принятия мер для уменьшения эмиссии парниковых газов. Согласно сценарию IS92a увеличение концентрации всех парниковых газов в атмосфере после 1990 г. эквивалентно увеличению CO2 на 1 % в год. Проанализировали также результаты нтегрирования региональной модели климата RCAO, разработанной в Центре Россби Шведского Метеорологического и Гидрологического Института (SMHI), имеющей очень детальное горизонтальное разрешение - 49 км [4, 6, 14]. Численные эксперименты с граничными условиями, необходимыми для этой региональной модели, взяты из уже упомянутых моделей климата ECHAM4/OPYC3 (mpi) и HadCМ3 (hc) и проводились для двух 30-летних периодов: 1961-1990 гг. (контрольное интегрирование) и периода 2071-2100 гг., для которого были использованы новые сценарии А2 и В2 антропогенного роста в атмосфере концентраций парниковых газов и аэрозоля, разработанные группой IPCC [10, 12]. Сценарий А2 близок к верхнему пределу возможной эмиссии парниковых газов (в эквиваленте CO2) и соответствует увеличению концентрации приблизительно до 850 ppm в 2100 г. Заметим, что в ранее разработанном IPCC в 1992 г. сценарии К92а без учета аэрозоля [9] предполагалось увеличение парниковых газов (в эквиваленте CO2) до 700 ppm в 2100 г.
Таким образом, модельные оценки возможных климатических изменений при реализации сценария А2 представляют интерес ещё и потому, что они дают «оценки сверху», то есть почти максимально возможные изменения при учете новых данных о максимально прогнозируемом росте содержания парниковых газов и аэрозоля в атмосфере. Был проведен анализ модельных воспроизведений RCAO для водосбора Ладожского озера [3]. Сценарий В2 соответствует более низкому содержанию парниковых газов и соответствует увеличению кон-
центрации приблизительно до 620 ppm в 2100 г., то есть меньше, чем в более раннем (1992 г.), не учитывающем аэрозоль, сценарии IPCC - К92а. Новый сценарий IPCC В2 очень близок к описанию современного уровня развития промышленности и прогностический рост эмиссий в атмосферу парниковых газов и аэрозоля по этому сценарию примерно соответствует наблюдаемому их росту за последние 10 лет, что позволяет получить сценарные оценки для более реалистического, более низкого уровня эмиссий, то есть «оценки снизу».
Для расчета средних по водосбору Ладоги значений рассмотренных переменных модельные данные в узлах регулярных сеток моделей усреднялись нами по всем точкам водосбора с весами, пропорциональными широте (авторы благодарны за помощь в этом В.Ч. Хону). Затем был проведен тщательный диагноз этих данных посредством сравнения их с имеющимися эмпирическими данными на соответствующих отрезках времени в XIX-XXI вв., что позволяет судить о способности современных моделей климата воспроизводить годовой ход и межгодовые колебания изучаемых составляющих на водосборе Ладожского озера. При этом для сопоставления модельных расчётов с данными наблюдений были использованы фактические данные по месячным и годовым суммам осадков в Санкт-Петербурге и данные различных авторов и реанализов [11, 7 и др.].
На рис. 1 представлена межгодовая изменчивость годовых сумм осадков на Ладожском водосборе согласно воспроизведениям рассмотренных глобальных моделей и региональной модели RCAO для сценариев IPCC: IS 92, А2, В2 и для двух граничных условий: mpi, hc в XX-XXI вв., а также по эмпирическим данным годовых сумм осадков Санкт-Петербурга. Все рассмотренные модели климата воспроизводят межгодовую изменчивость годовых сумм осадков на водосборе Ладожского озера в XX и в начале XXI вв., немного завышая эмпирические данные Санкт-Петербурга.
На контрольном периоде 1961-1990 гг. модель RCAO также немного завышает эмпирические данные Санкт-Петербурга для обоих вариантов граничных условий mpi и hc, но при этом воспроизведения годовых сумм осадков модели RCAO с граничными условиями глобальной модели HadCM3 (hc) имеют большее согласование с эмпирическими данными, чем при граничных условиях ECHAM4/OPYC3 (mpi). В целом для периода конца XXI - XXI вв. модельные данные указывают на возрастание годовых сумм осадков на водосборе Ладожского озера для всех рассмотренных вариантов граничных условий и сценариев, но в разной степени. Например, для модели RCAO (период 1961-2099 гг.) характерна тенденция увеличения осадков, однако степень её проявления значительно отличается для двух вариантов использованных граничных условий (mpi и hc), и тенденция увеличения годовых сумм осадков в конце XXI в. сильнее выражена в воспроизведениях RCAO с граничными условиями глобальной модели климата ECHAM4/OPYC (mpi).
Согласно данным RCAO средние за период 2071-2100 гг. годовые суммы осадков составят: с использованием граничных условий mpi 1010 мм/год при А2 и 785 мм/год при В2, а с использованием граничных условий hc, соответственно, 989 мм/год и 757 мм/год. Использование в RCAO сценария А2, естественно, указывает на большее увеличение годовых сумм осадков в период 2071-2100 гг., чем при использовании сценария В2. В табл. 1 приведены полученные сценарные оценки изменений годовых сумм осадков на водосборе Ладожского озера в конце XXI века (период 2071-2100 гг.) по отношению к контрольному периоду 1961-1990 гг.
Среда обитания
Terra Humana
Рис.1. Многолетний ход годовых сумм осадков на водосборе Ладожского озера по данным различных моделей климата с различными сценариями 1РСС в ХХ-ХХ1 вв.
Таблица 1
Оценки изменений годовых сумм осадков на водосборе Ладожского озера в период 2071-2100 гг. по отношению к контрольному периоду 1961-1990 гг. для различных моделей климата и различных сценариев 1РСС (в %).
2071 - 2100 гг.
Сценарий IPCC : IS92a Сценарий IPCC: A2 Денарий IPCC: B2
ECHA M4/OPYC3 HadCM3 RCAO, гран. усл. mpi RCAO, гран. усл. hc RCAO, гран.усл. mpi RCAO, гран. усл. hc
15,5 % 11,3 % 21,6 % 8,2 % 19,4 % % ,4 5,
В целом, как показывает сопоставление модельных и эмпирических данных Санкт-Петербурга за XX в. (см. рис. 1), многолетний ход годовых сумм осадков на водосборе Ладожского озера воспроизводится всеми рассмотренными моделями удовлетворительно, поскольку среднее в моделях близко к наблюдаемому, но при этом, конечно, существуют определенные трудности при выборе конкретных вариантов сценарных оценок межгодовой изменчивости годовых сумм осадков для Ладожского водосбора.
Однако внутригодовая изменчивость осадков воспроизводится моделями климата почти всегда значительно менее успешно и водосбор Ладожского озера не является исключением [1, 8 и др.]. Это, отчасти, объясняется большой изменчивостью осадков в пространстве и времени. По этой же причине не вполне корректно интерпретировать сравнение модельных данных воспроизведения осадков с эмпирическими данными по осадкам конкретного пункта и такое сравнение можно рассматривать лишь как ориентировочное, особенно для среднего годового хода осадков. Как было показано в [1], где рассмотрены эмпирические данные по осадкам из 8 источников, имеющиеся в распоряжении немногочисленные эмпирические данные указывают на существование большого разброса фактических данных из разных источников по осадкам на водосборе Ладожского озера. Вышесказанное иллюстрирует рис. 2 (а), на котором приведены результаты воспроизведения моделями среднего годового хода осадков на водосборе Ладожского озера и соответствующие эмпирические данные. Недостатки воспроизведения годового хода осадков на Ладожском водосборе глобальными моделями ECHAM4/OPYC и HadCM3 уже отмечались в [1] с выводом, что наличие в годовом распределении осадков минимума в летний сезон на фоне роста и больших значений эмпирических осадков вплоть до максимальных является заметным недостатком воспроизведения осадков моделью ECHAM4/OPYC3, тогда как в целом данные по осадкам модели HadCM3 по фазе (и по амплитуде) лучше соответствуют эмпирическим данным Санкт-Петербурга. Что касается RCAO, то из рис. 2 (а) видно, что и для неё все же нельзя заключить о хорошем соответствии её воспроизведений (использующих оба варианта граничных условий mpi и ^) и эмпирических данных, хотя здесь, видимо, причины не только в модельных данных, но и в большом разбросе эмпирических данных. Основные несоответствия модельных и фактических данных отмечается и по амплитуде, и по фазе. Модельные данные RCAO существенно завышают осадки на Ладожском водосборе, в основном, с ноября по апрель для обоих граничных условий (mpi и Ы:), а летом при использовании граничных условий ^ модельные данные значительно занижают осадки. При использовании граничных условий mpi они занижают лишь данные [11], а с данными [7] и эмпирическими данными Санкт-Петербурга их соответствие вполне удовлетворительное. Аналогичный годовой ход осадков 2071-2100 гг. приведен на рис. 2 (б) для региональной RCAO (сценарии А2, В2), имеющий тоже долю неопределенности. В целом, средний годовой ход осадков на Ладожском водосборе воспроизводится всеми рассмотренными моделями климата значительно менее успешно, чем температура - и по части амплитуды и, особенно, по части фазы, да и само сравнение модельных данных по их воспроизведению с имеющимися эмпирическими данными Санкт-Петербурга можно рассматривать лишь как сугубо ориентировочное. Вследствие этого модельные оценки изменений осадков на водосборе Ладожского озера в XXI в. с детализацией изменений их годового хода будут характеризоваться известной степенью неопределённости для всех рассмотренных моделей и сценариев. Сценарные оценки изменений осадков на водосборе Ладожского озера в XXI в. с детализацией годового хода таких изменений также могут содержать известную степень неопределённости.
В целом можно отметить, что данные рассмотренных современных глобальных и региональной моделей климата по воспроизведению атмосферных осадков безусловно дают весьма полезную информацию и могут быть использованы как ориентировочные оценки возможных антропогенных изменений осадков на водосборе Ладожского озера, вызванных возрастанием эмиссий парниковых газов и аэрозоля в атмосферу.
Среда обитания
Terra Humana
Рис. 2. Годовой ход месячных сумм осадков на водосборе Ладоги по данным различных моделей климата с различными сценариями 1РСС и по эмпирическим данным в XX в. (а) и в XXI в. (б).
Список литературы:
1. Голицын Г.С., Мелешко В.П., Ефимова Л.К., Мохов И.И., Говоркова В.А., Сомова Н.Г., Хон В.Ч. Анализ составляющих водного и теплового балансов на водосборе Ладожского озера, рассчитанных по моделям общей циркуляции атмосферы // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. - 2000, т. 36, № 4. - С. 435-445.
2. 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.
3. Румянцев В.А., Ефимова Л.К., Голицын Г.С., Хон В.Ч., Лыскова У.С. Моделирование температурно-влажностного режима водосборного бассейна Ладожского озера // Известия РАН. Серия географическая. - 2007. № 1. - С. 130-135.
4. Bringfelt B., Raisanen J., Gollvik S., Lindstrom G., Graham L.P., Ullerstig A. The land surface treatment for the Rossby Centre Regional Atmospheric Climate Model - version 2 (RCA2). // SMHI Reports Meteorology and Climatology 98. - 2001. - Р. 40.
5. 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.
6. Doscher R., Willen U., Jones C., Rutgersson A., Meier H. E. M., Hansson U., Graham L.P. The development of the regional coupled ocean-atmosphere model RCAO. // Boreal Environmental Research. - 2002. № 7. - Р. 183-192.
7. ECMWF Re-Analysis Sample Data 1979-1993. - European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, copyright ECMWF CD-ROM. - 1997.
8. 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 оf the Fourth International Lake Ladoga Symposium 2002. (Edited by H. Simola, A. Yi. Terzhevik, M. Viljanen and IJ. Holopainen). - Joensuu, 2003. - Р. 449-455.
9. Houghton J.T., Callander B.A., Varney S.K..Climate Change: The Supplementary Rep. to the IPCC Scientific Assessment. Intergovernmental Panel on Climate Change. - Cambridge: Eds. Cambridge Univ. Press, 1992. - 198 p.
10. Houghton J.T., Ding Y., Griggs D.J., Noquer M., van der Linden P.J., Dai X., Maskell K., Johnson C.A.. Climate Change 2001: The Scientific Basis. - Cambridge: Cambridge University Press, 2001. - 881 p.
11. Kalnay E., Kanamitsu M., Kistler R., et.al. The NCEP/NCAR 40- Year Reanalysis Project // Bulletin of the American Meteorological Society. - 1996, March.
12. Nakicenovic N. and Coauthors. Emission Scenarios. A special Report of Worcing Group III of the Intergovermental Panel on Climate Change. - Cambridge: Cambridge University Press, 2000. - 599 p.
13. Oberhuber J.M. The OPYC Ocean General Circulation Model. // Rep. № 7. Max Planck Institute for Meteorology. - Hamburg, 1993. - 130 р.
14. Raisanen J., Hansson U., Ullerstig A. First GCM-driven RCAO runs of recent and future climate // SWECLIM Newsletter. - 2002, № 12. - Р. 16-21.
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. Max Planck Institute for Meteorology. - Hamburg, 1996. - 90 p.
129
Среда обитания
