CC BY
61
Вычислительные технологии Том 11, часть 2, Специальный выпуск, 2006
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КЛИМАТА И УГЛЕРОДНОГО ЦИКЛА В 20-21 вв. ПО РАСЧЕТАМ С ГЛОБАЛЬНОЙ КЛИМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛЬЮ*
И. И. Мохов, A.B. Елисеев, A.A. Карпенко Институт физики атмосферы, им. A.M. Обухова РАН, Москва, Россия
e-mail: mokhov@ifaran.ru
The IAP RAS climate model is extended by the carbon cycle module. The climate-
carbon cycle feedback leads to an additional storage of carbon dioxide in the atmosphere.
This additional storage amounts 67. ..90 mln-1 in the 21st century with the possible
scenarios of anthropogenic emissions (SRES A1B, A2, Bl, and B2). Total content of the
-1
century with the appropriate increase in the global surface temperature about 2.4... 3.4 K relative to the preindustrial state.
Введение
В последние десятилетия на планете наблюдается рост приповерхностной температуры как при глобальном осреднении, так и в различных регионах [1-4]. Одной из вероятных причин этого изменения является парниковый эффект — увеличение содержания в атмосфере углекислого газа (и других парниковых газов) [2,5]. Так, начиная с доин-дустриального периода концентрация углекислого газа рС02>а в атмосфере с примерно 274.,, 284 млн-1 [6] возросла до 377 млн-1 в 2004 г. [7]. В 21 в. ожидается продолжение роста антропогенных эмиссий парниковых газов [2,7], что должно привести к дальнейшему увеличению содержания С02 в атмосфере.
До недавнего времени климатические эффекты увеличения содержания парниковых газов в атмосфере оценивались при предписанных изменениях их концентраций в атмосфере (см, например, [2,4,8]). Однако изменение концентрации парниковых газов в атмосфере определяется не только их эмиссиями, но и соответствующими их потоками между атмосферой и подстилающей поверхностью. На эти процессы влияют и климатические изменения. Так, поток углекислого газа из атмосферы в наземные экосистемы может измениться за счет отклика изменения биопродуктивности этих экосистем и интенсивности
* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования науки России, Федерального агентства науки и инноваций, Российской академии наук, а также Президентской программы "Ведущие научные школы РФ" (грант № НШ-4166.2006.5) и Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 05-05-64907, 05-05-65034 и 05-05-65167).
© Институт вычислительных технологий Сибирского отделения Российской академии наук, 2006.
почвенного дыхания на вариации климата. Заметные изменения первичной биологической продуктивности в последние десятилетия были отмечены по результатам как обработки спутниковых данных [9,10], так и моделирования первичной биологической продуктивности экосистем при задании сценариев климатических изменений [11,12], Зарегистрированы изменения потока углекислого газа между атмосферой и океаном в период между 1980 и 1990 гг. (см., например, [2,13]), Все это может сказаться на тренде рС02,a, а следовательно, и на возможном отклике климата,
В последние несколько лет в ряд трехмерных климатических моделей были внедрены интерактивные блоки углеродного цикла [14], При этом выявлена положительная обратная связь между климатом и углеродным циклом. Вариации климата приводят к дополнительному росту содержания углекислого газа в атмосфере (по сравнению со случаем, когда влияние климатических изменений на потоки между атмосферой и подстилающей поверхностью не учитывается). Однако интенсивность этой обратной связи существенно различается для разных моделей (20... 250 млн-1) [14].
В настоящей работе описаны результаты включения нуль-мерного блока углеродного цикла в климатическую модель промежуточной сложности Института физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН (ИФА РАН) [15-17] и анализа обратной связи между климатом и углеродным циклом для ансамбля четырех сценариев эмиссий SEES [2]. *
1. Описание модели климата с углеродным циклом и численных экспериментов
Детальное описание климатического блока модели (без углеродного цикла) Института физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН и ее сравнение с данными наблюдений для современного климата и с результатами расчетов по другим климатическим моделям приведены в [4,18-21]. В частности, чувствительность модели к удвоению содержания концентрации углекислого газа в атмосфере составляет 2.2 К [4,21] и расположена в нижней части диапазона, характерного для современных климатических моделей [2]. В настоящее время климатическая модель ИФА РАН дополнена блоком углеродного цикла, детальное описание и валидация для индустриального периода которого приведены в [15-17].
В блоке расчета интенсивности обмена между углекислым газом в атмосфере и наземными экосистемами Fi учитывается эффект фертилизации продуктивности наземных экосистем углекислым газом согласно зависимости Михаэлиса — Ментон, Влияние климата на интенсивность фотосинтеза и дыхание растений и почвы описывается экспоненциальными зависимостями с коэффициентами, рекомендованными в [22]. Кроме того, в блоке учитываются потери биомассы из-за сельскохозяйственной деятельности; эта потеря биомассы считается пропорциональной эмиссиям за счет землепользования [22].
В модели поток углекислого газа из атмосферы в океан Foc описывается билинейной зависимостью от скорости изменения концентрации углекислого газа в атмосфере и среднегодовой глобальной температуры поверхности океана.
В настоящей работе в блоке углеродного цикла климатической модели ИФА РАН учитывается только углекислый газ. Циклы других углеродсодержащих соединений (в частности, метана) не принимаются во внимание.
С помощью модели проведены численные эксперименты по различным сценариям изменения эмиссий углекислого газа для 1860-2100 гг. Для периода 1860-2000 гг. во всех сценариях были заданы эмиссии за счет сжигания топлива и промышленной деятельно-
сти [23| и земплепользовапия [24|. Для 2001-2100 гг. оба этих типа эмиссий задавались по одному из четырех сценариев SR.ES (А1В, А2, В1, В2) [2|.
Для каждого сценария проведено по два типа экспериментов. В одном из них (11ЕЕ) использовалась полная модель с интерактивным углеродным циклом. В другом (ХОСЫМ) в блоке углеродного цикла учитывались только фертилизация фотосинтеза углекислым газом и влияние изменения углекислого газа па обмен между атмосферой и океаном, тогда как соответствующие климатические изменения не учитывались.
При этом во всех сценариях исследовались только эмиссии углекислого газа без учета изменения других антропогенных радиациоппо-активпых примесей в атмосфере. Данные по суммарным (за весь период 1860-2100 гг.) эмиссиям Ед+1и для этих сценариев приведены в таблице, кроме того, в пей представлены концентрация углекислого газа в атмосфере
Основные характеристики использованных сценариев антропогенных эмиссий и результаты модельных расчетов
Параметр А1В А2 В1 В2
Еп+1и, ГтС 1.98 • 103 2.23 • 103 1.66 • 103 1.52 • 103
^с02,а, млн-1 762 (83) 875 (90) 615 (67) 669 (69)
КГа,д, К 3.05 (0.34) 3.38 (0.31) 2.43 (0.35) 2.65 (0.34)
/ 1.21 1.18 1.25 1.22
Га 0.56 (0.46) 0.57 (0.48) 0.54 (0.43) 0.55 (0.45)
п 0.10 (0.26) 0.09 (0.25) 0.13 (0.31) 0.12 (0.28)
1'ос 0.34 (0.28) 0.34 (0.29) 0.33 (0.26) 0.33 (0.27)
Рис. 1. Аномалии глобальной температуры относительно среднего значения в 1961 1990 гг. для сценариев БКЕБ А1В (штриховые линии), А2 (тонкая сплошная кривая), В1 (пунктир) и В2 (штрихнунктир) для экспериментов ИЕГ (соответствующие черные линии) и ХОСЫМ (серые кривые) в сравнении с данными наблюдений [1] (сплошная жирная кривая).
pC02,a, (достигаемая к 2100 г.), рост глобальной температуры АTs,g к этому времени относительно доиндустриального значения для экспериментов REF (в обоих последних случаях в скобках указано превышение этих величин относительно соответствующих значений для экспериментов NOCLIM), параметра обратной связи между климатом и углеродным циклом для экспериментов REF, а также доли антропогенных эмиссий, накапливающихся в атмосфере ra, наземных экосистемах т\ и океане roc к концу 21 в, в этих экспериментах (в последних трех случаях в скобках приведены соответствующие величины для экспериментов NOCLIM), Все величины (кроме pC02,a) оценены для периода 1860-2100 гг.
В качестве начальных условий для всех численных экспериментов принято равновесное состояние модели с доиндустриальными значениями управляющих параметров. Следует отметить, что это состояние весьма близко к равновесному для климатической модели II ФА РАН.
Для второй половины 20 в, максимальное отличие концентрации углекислого газа в атмосфере, рассчитанной с использованием климатической модели ИФА РАН, от данных наблюдений обсерватории Мауна Лоа [7] не превышает 7 млн-1. Подобная точность в целом характерна для современных климатических моделей с углеродным циклом. Рост глобальной температуры Tsg в 20 в, в эксперименте REF составляет 0,76 К (рис, 1), неплохо согласуясь с эмпирической оценкой 0.6... 0.7 К [1]. Кроме того, модель удовлетворительно воспроизводит и интенсивность обмена углекислого газа между атмосферой, океаном и наземными экосистемами для последнего двадцатилетия 20 в. и за индустриальный период в целом.
2. Оценки изменения климата и углеродного цикла в 20-21 вв.
На рис. 2 приведены изменения концентрации углекислого газа для выбранных сценариев эмиссий. Во всех случаях pC02,a монотонно растет со временем. Значения концентрации углекислого газа в атмосфере, достигаемые к 2100 г. в экспериментах REF, приведены в таблице. В экспериментах REF во всех случаях концентрация pC02 , a заметно (на -1
ние, достигаемое в эксперименте A2-REF, а также его отличие от значения, достигаемого
в эксперименте A2-NOCLIM, находится в средней части диапазона оценок для моделей,
-1
дует, однако, отметить, что накопление углекислоты в атмосфере, определенное по климатической модели ИФА РАН, больше, чем для стандартной оценки, выполненной с моделью ВегпСС [2].
Рост глобальной температуры в конце 21 в. относительно доиндустриального значения в экспериментах REF варьируется от 2.4 К для сценария В1 до 3.4 К для сценария А2 (см. таблицу и рис. 1).
На рис. 3 приведено изменение со временем параметра обратной связи между климатом и углеродным циклом, определяемое как
f = ApCORRf/ApC0NOCLIM, (1)
где верхний индекс указывает на версию модели. Экстремумы этой величины выделяют границы характерных интервалов сценариев эмиссий и изменения модельного климата. До
Рис. 2. Концентрация углекислого газа в атмосфере для сценариев БКЕБ А1В (штриховые линии), А2 (тонкая сплошная кривая), В1 (пунктир) и В2 (штрихнунктир) для экспериментов ИЕГ (соответствующие черные линии) и ХОСЫМ (серые кривые) в сравнении с данными наблюдений обсерватории Мауна Лоа (сплошная жирная кривая).
Рис. 3. Параметр обратной связи между климатом и углеродным циклом (см. уравнение (1)) для сценариев БКЕБ А1В (штриховые линии), А2 (тонкая сплошная кривая), В1 (пунктир) и В2 (штрихнунктир).
середины 20 в, / монотонно растет. При этом величины эмиссий и отклонения температуры от равновесных значений относительно невелики. Далее до конца 1970-х гг. параметр обратной связи / уменьшается, В этот период заметен рост эмиссий, что ведет к заметному увеличению содержания рСО2,а, тогда как изменение климата из-за инерционности климатической системы в целом "отстают" от изменения концентрации углекислого газа в атмосфере. Это соответствует относительно меньшей обратной связи между климатом и углеродным циклом в этот период,
В последующее столетие для всех сценариев наблюдается монотонный рост /, что связано с постепенным ускорением отклика климата па антропогенные эмиссии. Подобный рост наблюдается и для последнего двадцатилетия 21 в, при сценариях А1В, В1, В2, В последние два десятилетия расчетов для сценария эмиссий А2 (существенно более агрессивного, чем сценарии А1В, В1, В2) параметр обратной связи между климатом и углеродным циклом снова уменьшается, поскольку большая величина эмиссий вызывает быстрое накопление углекислого газа в атмосфере. Однако эффект насыщения парникового форсинга приводит к относительно небольшим дополнительным изменениям температуры, снова уменьшая вклад обратной связи между климатом и углеродным циклом в общее изменение содержания С02 в атмосфере,
К концу 21 в, для рассмотренных сценариев параметр обратной связи между климатом и углеродным циклом близок к величине 1,2, При этом он оказывается большим для менее агрессивных сценариев но сравнению с более агрессивными.
Различие в изменении концентрации углекислого газа в атмосфере между вариантами модели ШЕТ и ХОСЫМ связано в основном с различием изменения запасов углерода в почве С5, Так, в экспериментах ИГТ С уменьшается (рис, 4), Для двух наиболее агрес-
Рис. 4. Изменение (относительно равновесного доиндустриального значения) запаса углерода в почве для сценариев БИЕВ А1В (штриховые линии), А2 (тонкая сплошная кривая), В1 (пунктир) и В2 (штрихнунктир) для экспериментов ИЕГ (соответствующие черные линии) и ХОСЫМ (серые кривые).
сивных сценариев эмиссий (А2 и А1В) это уменьшение отмечается для всего интервала расчетов, для двух менее агрессивных сценариев (В1 и В2) — до конца первой четверти 21 в, К концу этого века уменьшение запасов углерода в почве в зависимости от сценария составляет 60,,, 140 ГтС, В экспериментах же NOCLIM уменьшение Cs проявляется только до конца 20 в., а затем содержание углерода в почве монотонно растет, увеличиваясь на 177,,, 187 ГтС, Такое различие связано с доминированием разных эффектов в полном потоке углерода из атмосферы в наземные экосистемы в разные интервалы времени. Вплоть до конца 20 в, в атмосфере доминирует эффект прямой фертилизации углекислым газом, учитываемый как в варианте модели H К К. так и в варианте NOCLIM, и различие между этими экспериментами мало, В 21 в, отмечается насыщение эффекта фертилизации, и вариации Fi определяются в основном климатическими изменениями, что приводит к большим различиям между результатами экспериментов H К К и NOCLIM,
Различие в изменении запасов углерода между экспериментами H К К и NOCLIM за-
Cs
биомассе к концу 21 в, в первом случае в зависимости от сценария эмиссий составляет 104,,, 111 ГтС, во втором — 140,,, 145 ГтС, Изменение запаса углерода в океане составляет 440,,, 765 ГтС и 351,,, 651 ГтС соответственно.
Определяющее влияние динамики наземных экосистем на интенсивность обратной связи между климатом и углеродным циклом характерно и в целом для современных климатических моделей [14],
Доли ra и roc кумулятивных эмиссий углекислого газа, накапливающиеся соответственно в океане и атмосфере в 20-21 вв., в целом увеличиваются. Доля эмиссий, накапливаемых в наземных экосистемах ra, при этом уменьшается. Отклонение от монотонности ra, roc и ra отмечается только для второй половины 21 в, при сценарии эмиссий В1, Кроме того, примерно в этот же период отмечается заметное замедление изменения всех трех указанных переменных (но без нарушения монотонности) для сценария А1В, Особенностью сценария В1 (и в меньшей степени сценария А1В) является резкое уменьшение в это время эмиссий за счет землепользования, что способствует некоторому восстановлению способности наземных экосистем поглощать углекислый газ из атмосферы. Можно также отметить, что rl больше в экспериментах NOCLIM, чем в экспериментах REF. Величины же roc и ra, наоборот, в экспериментах REF больше, чем в NOCLIM, Это связано с определяющим влиянием динамики наземных экосистем на положительную обратную связь между климатом и углеродным циклом.
Заключение
Приведенные результаты включения блока углеродного цикла в климатическую модель ИФА РАН свидетельствуют о том, что модель удовлетворительно воспроизводит глобальные характеристики углеродного цикла 20 в, [15], При задании эмиссий углекислого газа для второй половины 19 в, и 20 в, модель неплохо (с точностью, характерной для существующих климатических моделей с углеродным циклом) воспроизводит наблюдаемое изменение содержания углекислого газа в атмосфере, а также эмпирические оценки для потоков углерода из атмосферы в океан и наземные экосистемы в конце 20 в, и соответствующие кумулятивные стоки за индустриальный период.
При сценариях ЯНКЯ А1В, А2, В1 и В2 возможных антропогенных эмиссий для 21 в, в модели (как и в других современных климатических моделях с углеродным циклом)
обратная связь между климатом и углеродным циклом приводит к дополнительному (по сравнению со случаем неучета влияния изменений климата на обмен углеродом между атмосферой, океаном и наземными экосистемами) росту концентрации углекислого газа в атмосфере. Этот дополнительный рост зависит от сценария эмиссий и находится в диапазоне 67,,, 90 млн-1. Он связан с существенно разными режимами запаса углерода в почве при учете влияния вариаций климата на динамику наземных экосистем, с одной стороны, и при неучете — с другой, В первом случае проявляется общее уменьшение Cs, тогда как во втором случае — общий рост в 21 в.
Параметр обратной связи между климатом и углеродным циклом меняется во времени немонотонно. Положения его экстремумов позволяют выделить характерные периоды изменения интенсивности антропогенных эмиссий и вариаций климата. Так, в начальный период относительно слабых эмиссий параметр обратной связи f монотонно растет. Далее, с началом интенсификации эмиссий (во второй половине 20 в.) отклик климата на
эти эмиссии в течение нескольких десятилетий существенно запаздывает, что приводит к f
возрастать и параметр обратной связи также увеличивается. Для наиболее агрессивного
f
парникового радиационного форсинга,
К концу 21 в, для использованных сценариев антропогенных эмиссий концентрация
-1
-1
постной температуры относительно доиндустриального значения составляет 2,4,,, 3,4 К в зависимости от сценария эмиссий,
В 20-21 вв. отмечены общий рост доли эмиссий, накапливающихся в атмосфере и океане, и уменьшение доли эмиссий, накапливающихся в наземных экосистемах. Отклонение от этой монотонности отмечается только для второй половины 21 в, при сценарии эмиссий В2, связано оно с особенностями эмиссий за счет землепользования.
Более агрессивные сценарии эмиссий к концу 21 в, характеризуются меньшим параметром обратной связи между климатом и углеродным циклом, меньшей чувствительностью климата к росту концентрации углекислого газа в атмосфере, большей долей эмиссий, накапливающихся в атмосфере и океане, и меньшей — накапливающихся в наземных экосистемах.
Список литературы
[1] Jones P.D., New М., Parker D.E. et al. Surface air temperature and its changes over the past 150 years // Rev. Geophys. 1999. Vol. 37, N 2. P. 173-199.
[2] Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / J.T. Houghton, Y. Ding, D.J. Griggs et al. (Eds). Cambridge / N.Y.: Cambridge Univ. Press, 2001. 881 p.
[3] Груза Г.В., Ранькова Э.Я. Обнаружение изменений климата: состояние, изменчивость и экстремальность климата // Метеорология и гидрология. 2004. № 4. Р. 50-66.
[4] Мохов И.И., Елисеев A.B., Демченко П.Ф. и др. Климатические изменения и их оценки с использованием глобальной модели ИФА РАН // Докл. РАН. 2005. Т. 402, № 2. С. 243-247.
[5] The international ad hoc detection and attribution group. Detecting and attributing external influences on the climate system: A review of recent advances //J. Climate. 2005. Vol. 18, N 9. P. 1291-1314.
[6] Etheridge D.M., Steele L.P., Langenfelds R.L. et al. Natural and anthropogenic changes in atmospheric C02 over the last 1000 years from air in Antarctic ice and firn // J. Geophys. Res. 1996. Vol. 101, N D2. P. 4115-4128.
[7] Global Carbon Cycle: Integrating Humans, Climate, and the Natural World / C. Field, M. Raupach (Eds). Washington D.C.: Island Press, 2004. 526 p.
[8] Johns T.C., Gregory J.M., Ingram W.J. et al. Anthropogenic climate change for 1860 to 2100 simulated with the HadCM3 model under updated emission scenarios // Clim. Dyn. 2003. Vol. 20. P. 583-612.
[9] Сао M., Prince S.D., Small J., Goetz S.J. Remotely sensed interannual variations and trends in terrestrial net primary productivity 1981-2000 // Ecosystems. 2004. Vol. 7. P. 233-242.
[10] Zeng N., Qian H., Roedenbeck C., Heimann M. Impact of 1998-2002 midlatitude drought and warming on terrestrial ecosystem and the global carbon cycle // Geophys. Res. Lett. 2005. Vol. 32, N 22. P. L22709.
[11] Tapko A.M. Антропогенные изменения глобальных биосферных процессов. М.: Физматлит, 2005. 408 с.
[12] Голубятников JI.JL, Мохов И.И., Денисенко Е.А., Тихонов В.А. Модельные оценки влияния изменений климата на растительный покров и сток углерода из атмосферы // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. Т. 41, № 1. С. 22-32.
[13] Manning А.С., Keeling R.F. Global oceanic and land biotic carbon sinks from the Scripps atmospheric oxygen flask sampling network // Tellus. 2006. Vol. 58B, N 2. P. 95-116.
[14] Friedlingstein P., Cox P., Betts R. et al. Climate-carbon cycle feedback analysis: Results from the C4MIP model intercomparison //J. Climate. 2006. Vol. 19, N 22. P. 3337-3353.
[15] Мохов И.И., Елисеев А.В., Карпенко А.А. Чувствительность к антропогенным воздействиям глобальной климатической модели ИФА РАН с интерактивным углеродным циклом // Докл. РАН. 2006. Т. 407, № 3. С. 400-404.
[16] Елисеев А.В., Мохов И.И., Карпенко А.А. Вариации климата и углеродного цикла в XX-XXI веках в модели промежуточной сложности // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2006. (в печати).
[17] Eliseev А.V., Mokhov I.I. Carbon cycle-climate feedback sensitivity to parameter changes of a zero-dimensional terrestrial carbon cycle scheme in a climate model of intermediate complexity // Theor. Appl. Climatol. 2006. (в печати).
[18] Petoukhov V.K., Mokhov I.I., Eliseev A.V., Semenov V.A. The IAP RAS Global Climate Model. M.: Dialogue-MSU, 1998. 110 p.
[19] Handorf D., Petoukhov V.K., Dethloff K. et al. Decadal climate variability in a coupled atmosphere-ocean climate model of moderate complexity //J. Geophys. Res. 1999. Vol. 104, N D22. P. 27253-27275.
[20] Мохов И.И., Демченко П.Ф., Елисеев А.В. и др. Оценки глобальных и региональных изменений климата в XIX XXI веках на основе модели ИФА РАН с учетом антропогенных воздействий // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2002. Т. 38, № 5. С. 629-642.
[21] Petoukhov V., Claussen М., Berger A. et al. EMIC intercomparison project (EMIP-C02): Comparative analysis of EMIC simulations of current climate and equilibrium and transient reponses to atmospheric C02 doubling // Clim. Dyn. 2005. Vol. 25, N 4. P. 363-385.
[22] Lenton T.M. Land and ocean carbon cycle feedback effects on global warming in a simple Earth system model // Tellus. 2000. Vol. 52B, N 5. P. 1159-1188.
2
Trends: A Compendium of Data on Global Change Oak Ridge, Tenn.: Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, U.S. Department of Energy, 2005.
[24] Houghton R.A. Revised estimates of the annual net flux of carbon to the atmosphere from changes in land use and land management 1850-2000 // Tellus. 2003. Vol. 55B, N 2. P. 378-390.
Поступила в редакцию 9 ноября 2006 г.
