Содержание к диссертации
Введение
1 Методы диагностики приповерхностных многолетнемерз-лых грунтов 14
2 Моделирование процессов тепло- и влагопереноса в почве с учетом фазовых переходов при заданном атмосферном воздействии 26
2.1 Схема параметризации процессов тепло- и влагопереноса в почве и на подстилающей поверхности 27
2.2 Моделирование глубин сезонного протаивания с использованием данных реанализа 36
2.3 Моделирование гидрологических процессов в почве в условиях вечной мерзлоты 44
3 Изменения характеристик вечной мерзлоты при антропогенном изменении климата в неинтерактивных численных экспериментах с моделью общей циркуляции атмосферы и океана 50
3.1 Изменения глубин сезонного протаивания при потеплении климата 52
3.2 Моделирование динамики деградации приповерхностных многолетнемерзлых пород при антропогенном изменении климата 54
3.3 Расчет осадки оттаивания многолетнемерзлых пород в XXI веке 57
4 Расчет характеристик температурного и гидрологического режимов в почве в интерактивных численных эспериментах с климатической моделью ИФА РАН 64
4.1 Описание проведенных численных экспериментов 67
4.2 Расчет характеристик сезонного промерзания/протаивания грунта с климатической моделью ИФА РАН 69
4.3 Результаты численных эксперименты с пространственным изменением структуры почв 79
4.4 Оценки стока для водосборов крупнейших мировых рек с климатической моделью ИФА РАН 81
Заключение 95
- Схема параметризации процессов тепло- и влагопереноса в почве и на подстилающей поверхности
- Моделирование динамики деградации приповерхностных многолетнемерзлых пород при антропогенном изменении климата
- Расчет характеристик сезонного промерзания/протаивания грунта с климатической моделью ИФА РАН
- Оценки стока для водосборов крупнейших мировых рек с климатической моделью ИФА РАН
Введение к работе
Объект исследования и актуальность темы.
Современный подход к исследованию наблюдавшихся изменений климата, а также возможных изменений климата в будущем предполагает использование физико-математических моделей, описывающих процессы взаимодействия в системе "атмосфера-почва-океан". При этом одной из основных задач является адекватное описание процессов тепло- и влагообмена, происходящих в приземном слое атмосферы, на поверхности почвы и в ее деятельном слое (Мельников и Павлов, 2006; Израэль и др., 1999; Анисимов и Нельсон, 1990). Климатические характеристики почвы важны как для взаимодействия суши и атмосферы (Монии, 1982), так и для определения состояния биосферы (Тарко, 2005).
Ожидается, что наиболее значительные изменения климата, которые будут происходить в арктических и субарктических широтах (Анисимов и Белолуцкая, 2004; Covey et al., 2003; Jones et al., 1999) приведут к изменениям температурного и гидрологического режимов криолитозоны, вызывающих деградацию многолетнемерзлых пород (Anisimov and Nelson, 1996; Анисимов и Нельсон, 1997; Израэль и др., 2002). Наблюдения указывают на общее повышение температур ММГ в течение последних нескольких десятилетий в Субарктических регионах России (Израэль и др., 1999; Павлов, 2003), на северо-западе Канады (Smith et al., 2005) и на Аляске (Osterkamp and Romanovsky, 1999). На некоторых участках около южной границы криолитозоны в Западной Сибири и на Аляске потепление уже вызвало увеличение мощности сезонноталого слоя (СТС) и протаивание мерзлоты с поверхности (Jorgenson et al., 2001; Melnikov et al., 2004).
Процессы развития непромерзающих слоев грунта, ограниченных мерзлыми породами (талик) приводят к осадке поверхности мерзлых массивов.
В частности, на нескольких геокриологических станциях Аляски глубина осадки поверхности почвы по данным наблюдений за период с 1989 по 2004 составляла 1-5 м.' (Jorgenson et al., 2001). В рамках эксперимента CALM (Циркумполярного мониторинга деятельного слоя) на многих площадках проводятся измерения осадки поверхности почвы, что позволяет отслеживать величину понижения абсолютных высотных отметок кровли ММ Г. На мониторинговой площадке в районе г. Воркуты среднее по площадке снижение кровли ММГ за период 1999-2006 гг. составило порядка 40 см., при этом значение осадки поверхности почвы было порядка 20 см. (Мажитова и Каверин, 2007). Одиннадцатилетний ряд наблюдений (1996-2006 гг.) на площадке показывает увеличение глубины СТС на 25%. Данные наблюдений по другим площадкам, расположенным на европейском севере России также демонстрируют систематическое увеличение глубины слоя протаивания (Малкова, 2005) и изменение рельефа поверхности площадок (Мажитова и Каверин, 2007). В связи с этим особое внимание в данной работе уделяется параметризации процессов, происходящих в почве с учетом фазовых переходов влаги на поверхности и в деятельном слое.
Оттаивание приповерхностных многолетнемерзлых пород может инициировать высвобождение активных парниковых газов, таких как углекислый газ и метан, выведенных из современного биогеохимического круговорота и законсервированных в вечной мерзлоте (Ривкина и др., 1992; Gilichinsky et al., 1997; Мачульская и Лыкосов, 2002). Сокращение площади распространения мерзлоты, смена режима сезонного протаивания грунтов сезонным промерзанием может привести к изменению гидрологических характеристик, в частности, к увеличению стока рек в высоких широтах, вызывая повышение температуры морей Арктического бассейна, а также оказывая влияниие на бюджет солености Северного Ледовитого океана и формирование глубинных вод Северной Атлантики (Мохов и др., 2003; Мелешко и др., 2004а).
Прогноз изменений основных параметров криолитозоны, таких как глубина сезонного протаивания и влагосодержание деятельного слоя почвы, в связи с возможными естественными и антропогенными изменениями является одним из актуальных направлений в исследованиях климата.
Адекватные оценки современных и будущих изменений характеристик многолетнемерзлых грунтов могут быть получены с использованием глобальных климатических моделей, включающих детальные теплофизические и гидрологические численные схемы процессов на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы (Niu et al., 2007; Nicolsky et al., 2007).
Цель и задачи исследования.
Целью данной работы является исследование влияния естественной и антропогенной составляющих изменения климата на процессы тепло- и влагообмена с учетом фазовых переходов влаги в деятельном слое почвы и на подстилающей поверхности в регионах распространения приповерхностных многолетнемерзлых грунтов и их возможной деградации.
Основные задачи исследования: • разработка физико-математической модели, описывающей процессы тепло- и влагопереноса в почве и на подстилающей поверхности с учетом фазовых переходов "вода-лед", позволяющей диагностировать образование и деградацию многолетнемерзлых грунтов; • верификация модели - анализ основных характеристик термического и гидрологического режимов почвы в регионах распространения вечной мерзлоты для второй половины XX в. по данным реанализа; • исследование возможных механических изменений грунта, вызванных деградацией приповерхностной мерзлоты; • оценки изменения основных характеристик криолитозоны при заданном сценарии изменения климата для XXI в. в неинтерактивных численных экспериментах; • исследование изменений термического и гидрологического режимов криолитозоны с использованием разработанной численной схемы в качестве интерактивного блока в климатической модели Института физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН (КМ ИФА РАН) с подключением углеродного и метанового циклов.
Научная новизнаОснову проведенных исследований составляют результаты численных экспериментов с разработанной схемой параметризации процессов тепло- и влагопереноса в почве и на подстилающей поверхности, позволяющей по заданным параметрам внешнего атмосферного воздействия рассчитывать характеристики термического и гидрологического режимов почвы в неинтерактивном режиме и в качестве составного блока климатической модели с учетом обратных связей.
Выполнена валидация разработанной схемы и проведено сравнение результатов численного моделирования глубин сезонного протаивания для суши Северного полушария и среднегодового стока крупнейших рек Сибири при заданном по реанализу внешнем атмосферном воздействии с данными наблюдений для второй половины XX века.
Для областей с многолетнемерзлыми грунтами увеличение температуры в холодные и теплые периоды приведет к увеличению глубины сезонного протаивания и деградации приповерхностной мерзлоты, когда над верхней границей многолетнемерзлых пород образуется талый слой. Такие процессы наиболее характерны вблизи южной границы вечной мерзлоты, однако могут происходить в областях прерывистого и сплошного распространения мерзлых пород (Анисимов и Белолуцкая, 2004). Это является одной из актуальных проблем, связанных с инфраструктурой, транспортными магистралями, трубопроводами и линиями передач в северных регионах. В настоящей работе проводятся оценки возможных ландшафтных изменений, вызванных деградацией приповерхностных многолетнемерзлых грунтов.
Проведены расчеты возможного изменения пространственного распределения приповерхностных многолетнемерзлых грунтов, получены оценки изменения глубин сезонного протаивания в XXI веке. Оценена переходная область, в которой на протяжении XXI века может произойти смена режима сезонного промерзания сезонным протаиванием.
Получены оценки потенциальных осадок поверхности грунта при протаивании многолетнемерзлых пород для области смены режима сезонного промерзания/протаивания.
Получены пространственные распределения температуры поверхности почвы и глубин сезонного протаивания для равновесных численных экспериментов с климатической моделью ИФА РАН при задании доиндустриального и современного значений концентрации углекислого газа в атмосфере.
Научная и практическая значимость.
Результаты работы могут использоваться при анализе влияния климатических изменений на основные характеристики криолитозоны, разработанная модель может быть включена в качестве интерактивного почвенного блока в климатические модели.
Структура диссертации.
Диссертационная работа состоит из четырех глав, введения и заключения, содержит 24 рисунка и 4 таблицы, список цитируемой литературы состоит из 157 наименований.
В первой главе проводится обзор существующих методов диагностики состояния приповерхностных многолетнемерзлых грунтов. Рассматриваются основные подходы при прогнозировании изменений характеристик криолитозоны в зависимости от изменений климата - палеоклиматические рекострукции, мерзлотно-климатические индексы и физикоматематические модели процессов в почве. На основе сравнения моделей различных классов показана необходимость создания схемы, позволяющей проводить численные эксперименты продолжительностью порядка тысяч лет и в то же время характеризующейся детальностью описания физических процессов.
Вторая глава диссертации содержит описание разработанной модели тепло- и влагопереноса в грунте при наличии границ фазовых переходов, а также описание и результаты численных экспериментов по верификации модели.
В разделе 2.1 формулируется математическая постановка рассматриваемой задачи, приводятся схемы расчета теплофизических характеристик грунта в зависимости от влагосодержания, схемы параметризации процессов снегонакопления, испарения и стока.
В разделе 2.2 проводится верификация теплового блока модели. Для четырех геокриологических стационаров (Якутск, Воркута, Тикси, МарреСале) моделируемые значения глубины сезонного протаивания сравниваются с данными наблюдений. Также проводится расчет глубин протаивания для суши Северного полушария с использованием данных реапализа для конца XX века. Показано, что модель адекватно воспроизводит глубины сезонного протаивания и пространственное распределение приповерхностных многолетнемерзлых пород.
В разделе 2.3 описывается верификация гидрологического блока модели. Анализируются результаты моделирования среднегодового стока водосборных бассейнов рек в регионах распространения вечной мерзлоты.
Сравнение с данными наблюдений за стоком крупнейших сибирских рек Оби, Енисея и Лены показало, что модель в целом хорошо воспроизводит гидрологический режим многолетнемерзлых грунтов.
В третьей главе анализируется влияние изменений климата на пространственные распределения основных характеристик многолетнемерзлых грунтов.
В разделе 3.1 приводятся результаты моделирования динамики глубин сезонного протаивания для Северного полушария при заданных условиях атмосферного климата. Анализируется пространственное распределение приповерхностной мерзлоты, проводится сравнение модельных оценок площади суши, где происходит сезонное протаивание в конце XX века.
В разделе 3.2 описываются результаты моделирования деградации приповерхностной мерзлоты в XXI веке. Показана динамика увеличения глубины сезонного протаивания приводящая к смене режима сезонного протаивания сезонным промерзанием.
В разделе 3.3 проводится расчет потенциальных просадок оттаивания многолетнемерзлых пород. Предложена схема определения величины просадки в зависимости от глубины талика и глубины слоя сезонного промерзания. Для областей, в которых в XXI веке может произойти смена режима протаивания/ промерзания получены оценки величин просадок.
Четвертая глава посвящена анализу результатов интерактивных численных эспериментов с климатической моделью ИФА РАН по расчету характеристик термического и гидрологического режимов грунта при различных сценариях атмосферного воздействия.
В разделе 4.1 приводится описание численных экспериментов с совместной моделью при различных значениях концентрации углекислого газа в атмосфере, а также описание основных изменений в схеме модели почвы по сравнению с базовой версией, при включении ее в КМ ИФА РАН. В разделе 4.2 обсуждаются результаты расчета температуры поверхности почвы и глубины сезонного протаивания. Сравнение полученных оценок температуры поверхности почвы с данными реанализа показывает, что модель в целом хорошо воспроизводит характеристики термического режима почвы. Также проводится сравнение модельных оценок площади, занимаемой приповерхностными многолетнемерзлыми породами, с данными наблюдений и результатами аналогичных расчетов.
В разделе 4.3 анализируются результаты численных экспериментов с предписанным в модели пространственным распределением типов почв. Показано, что при неучете пространственной неоднородности почв ухудшается согласие с наблюдениями характеристик сезонного промерзания/протаивания.
В разделе 4.4 приводятся результаты моделирования среднегодовых значений стока крупнейших мировых рек. Также проведено сравнение характеристик теплового и водного баланса с данными наблюдений на водосборах.
Н а защиту выносятся следующие теоретические положения.
• Физико-математическая модель процессов тепло- и влагопереноса в деятельном слое почвы и на подстилающей поверхности с учетом фазовых переходов "вода-лед", настроенная на расчет продвижения границ мерзлый грунт-талый грунт при наличии нескольких границ с возможностью образования таликов; • Модельные оценки глубин протаивания и межгодовых вариаций стока для бассейнов крупнейших сибирских рек, включающих регионы распространения многолетнемерзлых грунтов и выявление роли процессов промерзания/протаивания в межгодовой изменчивости стока; • Методика расчета осадки оттаивания поверхности грунта и результаты моделирования осадки поверхности при возможной деградации многолетнемерзлых пород в XXI веке; • Расчет основных характеристик температурного и гидрологического режимов многолетнемерзлых грунтов в интерактивных равновесных численных экспериментах с моделью климата ИФА РАН.
Схема параметризации процессов тепло- и влагопереноса в почве и на подстилающей поверхности
При современной концентрации метана в атмосфере парниковый радиационный форсинг метана сравним по порядку с соответствующим радиационным форсингом углекислого газа при росте концентрации метана в атмосфере с 630-720 млрд 1 в доиндустриальный период до 1800 млрд 1 в начале XXI века. Однако, большинство современных климатических моделей не учитывает метановый цикл в качестве составной части углеродного цикла. Один из механизмов изменения характеристик метанового цикла, в частности, изменения эмиссий метана болотными экосистемами, связан с зависимостью производства метана бактериями от температуры почвы и изменения уровня грунтовых вод. Для учета эмиссий метана в КМ ИФА РАН был включен метановый цикл, характеристики которого могут меняться при климатических изменениях. Используемая схема эмиссий метана болотными экосистемами основана на модели (Christensen and Сох, 1995). Предполагается, что эмиссии метана возможны только от незамерз-ших слоев почвы с дополнительным ограничением по глубине расчетного слоя. Недостатком данной схемы является неучет влияния биопродуктивности болотных экосистем на производство метана (Whiting and Chanton, 1993). Результаты численных экспериментов с интерактивным метановым циклом, включающем отклик эмиссий метана болотными экосистемами с учетом характеристик сезонного промерзания/протаивания почвы на изменения климата, приведены в (Eliseev et al., 2007; Елисеев и др., 2008). По модельным оценкам эмиссии метана болотными экосистемами для до-индустриального и современного периода равные 130-140 Мт/год к концу XXI века возрастают до 170-200 Мт/год. В проведенный расчетах в качестве модели термофизики почвы использовалась модель (Кудрявцев и др., 1974). Все болотные экосистемы считались насыщенными влагой. Это предположение несколько завышает эмиссию метана. Более корректные оценки эмиссии могут быть получены при явном расчете профиля температуры и влагосодержания почвы .
Представленная работа посвящена созданию более детальной схемы параметризации процессов тепло- и влагопереноса в почве и исследованию изменений характеристик криолитозоны при естественных и антропогенных изменениях климата в численных экспериментах при заданном атмосферном воздействии и в интерактивных расчетах с КМ ИФА РАН.
В научной литературе приведено описание достаточно большого числа методов параметризации взаимодействия между атмосферой, подстилающей поверхностью и деятельным слоем почвы, отличающихся набором входных данных, детальностью описания процессов, выбором численной схемы. Однако в настоящее время ощущается недостаток моделей промежуточной сложности, описывающих процессы тепло- и влагопереноса в почве. Необходимость их развития определяется развитием климатических моделей промежуточной сложности (Claussen et аі., 2002; Petoukhov et al., 2005). Блок почвенных процессов для таких моделей, с одной стороны, должен обладать достаточной детальностью для описания сезонных и региональных особенностей промерзания/протаивания почвы и их отклика на изменения климата (с реалистичным описанием соответствующих обратных связей), с другой - не слишком усложнить и замедлить процесс расчетов. Следует отметить, что все разработанные к настоящему времени климатические модели промежуточной сложности содержат лишь очень простые блоки почвы [http://www.pik-potsdam.de/ andrey/emics/toe_05-0607.pdf ), пе позволяющие реалистично моделировать процессы в регионах распространения многолетнемерзлых грунтов. В частности, гидрологические компоненты этих блоков представлены одно- или двухслойной численной схемой, не позволяющей описывать преобразование влаги из-за процессов фазовых переходов воды в почве.
Особенностью используемой в данной работе динамической модели (Анисимов, 1989; Arzhanov et al., 2004, 2006; Аржанов, 2006; Аржанов и др., 2007а) является сочетание детальности описания процессов переноса тепла и влаги в почве и относительно небольшого времени численного счета. Используемый для определения вертикального профиля температуры и положения границ фазовых переходов алгоритм (Goodrich, 1978), обладающий высокой точностью, был дополнен дифференциальной схемой для расчета влажности почвы (Пачепский и др., 1976) в слое сезонного протаи-вания и более детальной параметризацией стоковых процессов (Володин и Лыкосов, 1998а). Разработанный алгоритм позволяет моделировать динамику процессов образования и деградации приповерхностной и реликтовой мерзлоты.
Моделирование динамики деградации приповерхностных многолетнемерзлых пород при антропогенном изменении климата
Моделирование процессов влагообмена в деятельном слое почвы в условиях вечной мерзлоты под действием изменения климатических факторов важно для диагностики характеристик гидрологического режима суши. Модельные расчеты, проведенные с КМ ИФА РАН при различных сценариях изменения концентрации парниковых газов в атмосфере без учета процессов криогенеза, показали общее увеличение средногодового стока сибирских рек (Оби, Енисея и Лены), а также Волги и Урала в XXI веке (Мохов и Хон, 2002а; Мохов и др., 2003, 2005). При этом наибольшее увеличение стока по сравнению с данными наблюдений за период 1961-1990 гг. получено для Лены. В работах (Мохов и Хон, 2002а; Мохов и др., 2003) среднегодовой сток характеризовался разностью среднегодовых значений осадков и испарения для речных бассейнов. При этом могут неполно учитываться некоторые обратные связи между процессами в атмосфере и деятельном слое суши. Так, например, в (Мохов и Хон, 2002а; Мохов и др., 2003; Zhang et al., 2005) отмечены особенности воспроизведения характеристик гидрологического режима в областях распространения вечной мерзлоты, в частности, в бассейне Лены. Водосборы большинства крупных рек Сибири включают области распространения приповерхностной мерзлоты. Для адекватного описания процессов влагообмена на водосборных бассейнах в связи с возможными изменениями температурного и гидрологического режимов в XXI веке необходимо рассчитывать параметры криолитозоны, такие как глубина слоя сезонного протаивания, температура подстилающей поверхности, содержание влаги в талом слое, а также значения теплофи-зических характеристик многолетнемерзлых почв.
Разработанная модель тепло- и влагопереноса позволяет рассчитывать сток рек, водосборы которых включают области приповерхностных многолетнемерзлых грунтов - вечной мерзлоты (Аржанов и др., 2007b). Модель допускает описание перехода деятельного слоя почвы из состояния с наличием приповерхностной мерзлоты (слой протаивания) к состоянию отсутствия приповерхностной мерзлоты (слой зимнего промерзания).
Расчеты проводились для суглинка. При этом для моделирования термического и гидрологического режимов болот для бассейна Оби в двух верхних метрах задавался торф. Годовой сток крупнейших сибирских рек (Оби, Енисея и Лены) оценивался при задании изменений осадков по данным климатологического архива CRU (New et al., 1999, 2000), а изменения остальных атмосферных характеристик - по данным реанализа ERA-40. Дополнительно к этому также были проведены расчеты с заданием изменений атмосферных характеристик только по данным реанализа, включая осадки. Суммарный речной сток вычислялся как результат пространственного (по водосборам соответствующих рек) и временного (по календарному году) осреднения суммарного поверхностного и подповерхностного стока, оцененного по представленной модели почвенных процессов. Так же для водосборов этих рек оценивались разности среднегодовых осадков и испарения по данным реанализа и проводилось сравнение с данными прямых наблюдений за стоком в створах рек (Glo, 1996). Для Оби (рис. 2.5) модельный годовой сток мало различается при различных данных для осадков (CRU и ERA-40). Горизонтальными прямыми представлены на этом и последующих рисунках представлены оценки стока по климатологическим данным разности между осадками и испарением с водосбора. Следует отметить существенную зависимость рассчитанного стока от типа почвы. Так, для суглинка (представительного для всех минеральных типов почв) годовой сток (218±22 мм/год) существенно завышен по сравнению с данными наблюдений (140±21 мм/год). При задании в верхних двух метрах почвы торфа, а в более глубоких слоях суглинка модельный сток (159±18 мм/год) хорошо согласуется с наблюдениями. Полученное значение коэффициента корреляции временных рядов моделируемого и наблюдаемого стока составляет 0,7.
Лучшее согласие результатов моделирования стока с данными наблюдений при учете верхнего слоя почвы, насыщенного органикой, по сравнению с вариантом с минеральной почвой можно связать с большим распространением болот в бассейне Оби. Для сравнения на графике приводится разность между осадками и испарением с водосбора по данным реанализа ERA-40. Межгодовая изменчивость этого показателя значительно превышает межгодовые вариации наблюдаемых значений стока, что характерно также для бассейнов рек Енисея и Лены.
Для Енисея (рис. 2.6) при задании осадков по данным CRU и минеральной почвы средний за 1958-1996 гг. модельный сток составляет 235±17 мм/год. Это хорошо согласуется с оценками стока по данным наблюдений 236±19 мм/год и с оценками по разности осадков и испарения с водосбора (237-244 мм/год). При этом неплохо воспроизводятся и межгодовые вариации стока. Исключение составляет период с середины 1960-х до середины 1970-х гг., когда изменчивость модельного стока заметно больше, чем по данным наблюдений, и в конце 1980-х гг. когда моделируемые значения превышают наблюдаемый сток. Коэффициент корреляции равен 0,4.
Расчет характеристик сезонного промерзания/протаивания грунта с климатической моделью ИФА РАН
При описании климатической системы схемы параметризации процессов на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы являются одной из составных частей современных климатических моделей. Характеристики термического и гидрологического режимов почвы важны как для взаимодействия суши и атмосферы (Монин, 1982), так и для определения состояния биосферы (Тарко, 2005). По расчетам с реалистичными сценариями изменения концентрации парниковых газов в атмосфере для XXI века большинство климатических моделей показывают уменьшение вла-госодержания почвы в тропических и субтропических регионах (Manabe et al., 1992; Solomon S., 2007). В более высоких широтах влагосодержание почвы и сток увеличиваются (Мохов и Хон, 2002а,Ь; Мохов и др., 2003; Мелешко и др., 2004а,Ь; Мохов и др., 2005; Solomon S., 2007).
Как следствие, задачи оценки термических и гидрологических характеристик состояния почвы преобретают все большую важность. Так, изменения приповерхностной температуры, происходившие в XX веке, были наиболее заметны над сушей высоких и субполярных широт (Solomon S., 2007). Это же характерно и для ожидаемых в XXI веке климатических изменений (Solomon S., 2007). Потепление суши высоких широт, в свою оче редь, может привести к деградации и сокращению площади распространения вечной мерзлоты (Solomon S., 2007; Величко и Нечаев, 1992; Anisimov and Nelson, 1996; Анисимов и Нельсон, 1997; Serreze et al., 2000; Демченко и др., 2002; Израэль и др., 2002; Мохов и др., 2002; Stendel and Christensen, 2002; Nelson, 2003; Мелешко и др., 2004а; Мохов и др., 2005) с существенными изменениями природной среды (Nelson et al., 2001; Nelson, 2003; Walter et al., 2006) и значительным экономическим последствиям (Nelson, 2003). В частности, в (Lawrence and Slater, 2005) были выявлено резкое сокращение площади распространения многолетнемерзлых в модели CCSM3 в XXI в. при реалистичных сценариях антропогенного воздействия. Меньший, - но значительный отклик на идентичные сценарии антропогенного воздействия был получен в (Saito et al., 2007) для модели MIROC 3.2. Кроме того, изменение состояния почвы может приводить к дополнительному усилению потепления, прежде всего из-за возможного исчезновения лесов в тропиках (Сох et al., 2000), служащих важным стоком углекислого газа из атмосферы, а также из-за выделения метана из почвы (Harvey and Huang, 1995; Buffett, 2000; Walter et al, 2006; Archer, 2007).
В настоящее время большинство климатических моделей содержит схемы почвы, в которых процессы тепло- и влагопереноса рассчитываются в деятельном слое толщиной порядка нескольких метров, состоящем из 2-5 расчетных слоев (Schlosser et al., 2000). Такая грубая дискретизация не позволяет достаточно подробно описывать характеристики сезонного протаивания/промерзания грунта и его вл аго содержание (Мачульская и Лыкосов, 2002). Для уровня грунтовых вод недостаточная толщина расчетного слоя в ряде случаев приводит к опусканию этого уровня ниже границы расчетной области (Yeh and Eltahir, 2005). Подобного эффекта можно ожидать и для фронта фазового перехода влаги в грунте, прежде всего при формировании таликов. Кроме того, даже при формальном расположении этого фронта внутри расчетной области, но достаточно близко к ее нижней границе, можно ожидать ухудшения точности расчета из-за влияния граничных условий (Alexeev et al., 2007). В частности, указанные недостатки характерны для модели (Lawrence and Slater, 2005), что может сказаться на надежности ее оценок.
Для современных климатических моделей разрабатываются схемы параметризации процессов в почве с увеличенной глубиной расчетной области и с более детальной дискретизацией по вертикали (Володин и Лыкосов, 1998а,Ь). Однако такие схемы требуют значительных вычеслительных ресурсов. Последнее, в частности, существенно затрудняет их использование в упрощенных моделях климата, предназначенных для проведения массовых вычислений с суммарной длительностью в сотни тысяч и миллионы модельных лет (Claussen et al., 2002; Petoukhov et al., 2005).
Разработанная в институте физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН детальная схема параметризации процессов тепло- и влагопереноса в почве (Аржанов и др., 2007а, 2008с), характеризующаяся высокой вычислительной эффективностью, была включена в климатическую модель (описание изменений последней версии приведено, например, в (Mokhov et al., 2008)). Представлены результаты интерактивных расчетов совместной модели на примере равновесных численных экспериментов при различной концентрации углекислого газа в атмосфере (Аржанов и др., 2008b).
Климатическая модель ИФА РАН была дополнена детальным блоком процессов тепло- и влагопереноса в почве. Одновременно из КМ ИФА РАН была исключена интегральная схема теплофизики почвы, основанная на модели (Кудрявцев и др., 1974) и использованная ранее в (Елисеев и др., 2008). По сравнению с (Аржанов и др., 2007а, 2008с) при включении схе мы почвенных процессов в КМ ИФА РАН в этой схеме были произведены следующие изменения: параметризация длинноволновой составляющей радиацинного баланса была исключена из уравнения баланса энергии .на поверхности почвы и заменена соответствующими радиационными потоками, непосредственно рассчитываемыми атмосферным блоком КМ ИФА РАН; в блоке гидрологии суши добавлена схема параметризации перехвата влаги растениями, аналогичная используемой в модели BATS (Dickinson et al.j 1986); схема переноса влаги из почвы в атмосферу была дополнена блоком транспирации влаги растениями согласно (Гусев и Насонова, 2001); в верхнем слое почвы, наряду с возможностью выбора между минеральной почвой (глиной, суглинком, песком) и торфом, была добавлена возможность задания слоя нижней растительности (мхов и/или лишайников). Этот слой учитывался только в регионах тундры, лесотундры, холодного редколесья, и бореальных лесов (Воронов и др., 2003), где его толщина задавалась равной 5 см.
Оценки стока для водосборов крупнейших мировых рек с климатической моделью ИФА РАН
Для анализа влияния предписанного в модели распределения почв численные эксперименты PI, PD и 2С02 были повторены также с двумя другимим версиями КМ ИФА РАН. В одной из этих версий (MIN) не учитывалось наличие торфа в регионах распространения болот. В версии LOA пространственная неоднородность почв не учитывалась и все почвы считались суглинком. В версии NOR дополнительно к версии LOA не учитывалось наличие слоя нижней растительности в регионах бореальных и холодных экосистем.
При неучете торфяного слоя в болотных экосистемах (версия MIN) температура скин-слоя почвы практически не меняется. Однако в регионах распространения болот отмечается сильное увеличение глубин сезонного протаивания (типично — на 0,5-1,0 м). В средних широтах (тропиках) Северного полушария летом отмечается рост (уменьшение) эвапотранспи-рации на 0,2 — 0,5 мм/сут. В Амазонии и в регионе Лабрадорского полуострова отмечается уменьшение влагосодержания почвы на 0,05 —0,1 м/м. Во влажных регионах тропиков (прежде всего на водосборах Амазонки и Конго) в несколько раз возрастает сток. Все эти изменения (за исключением уменьшения испарения в субтропиках) значительно ухудшают согласие модели с наблюдениями.
Интегральные характеристики сезонного протаивания и промерзания почвы в версии MIN модели статистически значимо отличаются от соответствующих характеристик в стандартной версии КМ ИФА РАН. Так, при неучете торфяного слоя в болотных экосистемах уменьшается общая площадь распространения многолетнемерзлых грунтов. Для экспериментов PI, PD и 2С02 она составляет около 20 млн. км2, 11 млн. км2, 4 млн. км2 соответственно. При этом возрастает общая площадь суши, подверженная сезонному промерзанию, так что общая площадь Sp -f- Ss/ практически не меняется между этими двумя версиями модели при соотвествующей концентрации углекислого газа в атмосфере. Статистически значимых различий площади снежного покрова между стандартной версией модели и версией MIN не выявлено.
При дополнительном (по отношению к версии MIN) неучете пространственной неоднородности почв (версия LOA) отмечается рост температуры поверхности зимой в регионах распространения песчаных почв. Наиболее значим этот эффект на Лабрадорском полуострове и на востоке Азии, где зимнее потепление поверхности достигает 0,5-2,0 К. В регионах, где преобладают глинистые почвы (средние широты Евразии), наоборот, зимой температура уменьшается на 0,5-1,0 К. Характеристики многолетнемерзлых грунтов при этом меняются незначительно, но область сезонного промерзания для доиндустриального равновесного состояния уменьшается примерно на 1 млн. км2. Кроме того, в регионах преобладания песчаных (глинистых) почв возрастает (уменьшается) эвапотранспирация на 0,1-0,5 мм/сут. Во влажных регионах статистически значимо возрастает среднегодовой сток. В частности, речной сток дополнительно (по отношению к версии MIN, где он уже переоценивался в несколько раз) возрастает на водосборах Амазонки и Конго.
При дополнительном (по отношению к версии LOA) неучете слоя нижней растительности (версия NOR) основные изменения касаются эва-потранспирации, которая в целом возрастает в регионах холодных и боре-альных экосистем в теплый период года на 0,1 — 0, 5 мм/сут. В этих регионах также немного (но статистически значимо) возрастает среднегодовой речной сток.
Модель реалистично воспроизводит основные гидрологические характеристики поверхности суши. На рис. 4.6 приведены модельные оценки испарения над сушей Северного полушария. В средних и субполярных широтах над континентами относительный годовой ход испарения изменяется от очень малых ( 0.2 мм/сут) значений зимой до 0.5-2 мм/сут в Европе, в большей части Северной Америки и до 1-3 мм/сут в Сибири и на Дальнем востоке, на Аляске и в регионе Лабрадорского моря. В целом летние значения испарения над континентами средних и субполярных широт заметно выше, чем по наблюдательным оценкам Serreze et al. (2003) и данным ре-анализа ERA-40. Несколько занижается также среднегодовое суммарное испарение с суши в средних и высоких широтах. При росте содержания углекислого газа в атмосфере испарение над континентами в использованной версии КМ ИФА РАН возрастает.
Модельное пространственное распределение стока удовлетворительно согласуется с оценками по данным реанализа ERA-40 (рис. 4.76), а также с оценками (Hirabayashi et al., 2005). При выделении основных речных бассейнов по данным (Graham et al, 1999) можно отметить, что в целом сток неплохо воспроизводится для достаточно полноводных рек, водосборы которых покрывают достаточно большую площадь (более 1,5 млн. км2). В частности, хорошо воспроизводится сток наиболее полноводных рек мира — Амазонки и Конго. Стоки крупнейших рек, впадающих в арктический бассейн и влияющих на его ледовитость, также в целом воспроизводятся моделью. Особенно хорошее согласие с данными наблюдений получено для Оби, Енисея и Юкона, несколько хуже оно для Лены и Маккензи. При этом для КМ ИФА РАН отмечается взаимная компенсация между разными водосборами для отклонения модельных оценок стока от данных наблюдений. Так, для указанных рек арктического бассейна общая величина стока в модели в случае доиндустриального равновесного режима составляет 1721 ±74 куб. км/год, в удовлетворительном согласии сданными наблюдений (1979 куб. км/год). В регионе влияния южно-азиатского муссона речной сток завышается из-за упомянутых выше завышения летних муссоных осадков и зимнего снегозапаса в регионе Тибета. Следует также отметить хорошее воспроизведение моделью стока Волги, а также стока крупнейшей реки Южной Америки — Параны. Сток Миссисипи моделью занижается, что связано с занижением осадков в модели в регионе ее водосбора.
