Исследование роли тропосферного аэрозоля в формировании климата Никонов, Сергей Анатольевич

Введение к работе

Актуальность тег*ч. Одной из главпнх щвтош климатнчвсю іяменепаЯ является возмусенпе радиационного баланса планетл, обусловлешого изменениями газового и аэрозольного состава атмосферы. В настоящее время а многочисленных работах детально изучено влияние па кдгаат углекислого газа и других парнпковых газов, приводящих к потеплению. Успех этлх исследований бил в значительной степегсі обусловлен относительной простотой описания кехаилзяа воздействия парниковых газов на радиационные потеки, а также рзЕПэкерной перекззаякостьп и стабильность» этих магах гезовых есстовляша аткесферы.

Тропосферный озрозоль, характеризуясь сусественпой яеета-цнонаркостью прострачстсоїшсго распределения и изменчивостью физпяо-хшлчэскп: "свойств, гороадаэт пространственно- неоднородное и различное по напргвлвкпоста гслпизтйческое воздейстзие, варьирующееся от похолодания до потеплекгы, Е силу этих сложностей вляяние тропосферного азрозоля на климат изучено значительно слабей. В основном исследования в етой области проводились в глобашкюсрадаеняеї Соркэ, в среднегодовом р&ииме. Поэтому для полноты опксшпя климатического возмущения тропосфернім аерозолем актуальна» является более полноз изучение ого .эффектов в рангах сезонной трохкэрней модели климата, максимально учитквзщей особенности рздаашгонкого перенось в а-, озоль.тах слоях.

Цель работы.

I. Оценить точность и гранила гриуекимости известных двух-

потоковых схем расчета коротковолновой радиации, и создать новый более точный двухгатоковігй ьэтод расчета, пркгодяай для широкого спектра оптических сйтуаШШ, з тон числе для иссЛздовалил іслиматйчеекбй ШїаЧііМостй тропосферного оэрозсШп

й. .!«.г.Щ1ШтЪ о помодъа сезокаой трехмерной біізргоЗаЛаїі-со&ой мэдели юшата сезонные к шароткые клііматичвскі.3 &$j_Kru тропосферного аэрозоля естественного происхождения - фонового к вулканического.

1. Исследовать климатические афіектн антропогенного тропосферного аэрозоля, включая арктачзскув дшку, их сезонные н широтные особенности.

2. Оценить глобальные и локальше .сяшлатаческао последствия покаров нефтяных скванш в Кувейте в 1991 г.

Основкш подоаения, внносишэ на загату.

1. ?1овый нэтод расчета потоков коротковолновой рздаацяа,
учнаиваифій форму натэнсншосга излуШшя, рассеянного в слоях

с разданными оптическими характеристикам;..

2. Моделирование сєзоинігі и аиротик особенностей климатических" ефїектов фонового тропосфэрпого аэрозоля..

3. Вулканическая тропосф-рянй аерозоль оказцзаат воздейст-вие на ісоїмат, сравнимое с влпяішєм стратосферного вулканического аэрозоля.

4. Показало, что трл-ос^у^-х!. аїро^о.'.ь гштролсгеннаго про-асхо_:х?ыя проводит к глоСа-аі-о;,:.) яоьл«.и:^,?в..:_;ерзтурі- npzccy-яого Е(\-дуїа на шсколько дос;:тг:: гпсд:'::': . і.:з_:от отчасг» с:.сс.-сансігроють игр_кко_^ s-iwunv.

Ь. Гз-и_,зм:о, что c?.:..pl;., >.. ;'с.'.о_:;_; . .-..., ;з .і-;-7Я-_і_х e;:u__;_:.i Ь IfcOl Г. к. г:',--..: ;;.:;;;'.._".._ -_..;_.і.л lid iv.j:I. г.:-¹;.

ІГаучнея новизна. Разработай новий двухпотоковый метод j -c-чета коротковолновой радиации, оппсывпщй с меньшими погреппг -тяма радиацйоязш потока как в оптически толстых слоях облаке, так ц в тонких аэрозольных дымках. Показано, что использова:-шийся-ранее метод б-Эдшгтона дает значительные погрешности пт расчете радиация в тонких аэрозольных слоях.

Исследована клкнатообразутаая роль бонового тропосферного аэрозоля с учетом поглоцения в внїрзкрасном диапазоне к сезонных эффектов. Показана климатическая значимость вулканического тропосферного аэрозоля. На сезонной трвхкэрноЗ энэргобалвдсовоЗ модели оценено возмушше климата антропогенным аэрозолем и сравнено с клшзппееккми последстеяя*!п роста пгршгових ГП30В. Кс-слолоегш локальные ішштотвсте>"5ФГз:<т!і антропогенного аэрозоля: воссішеЗ арктіпосксЯ дшд п песлэдетгая ггезаров п кувеятч в 1991 Г.

Практическая .ценность работа. Хйссертвипонная раоота про-Еодздась иск часть плалошх ИКР, ЕнлояаггсЕясся отделом физики &ЩЩ5Э ІШ0'*їеГ*уп" в ISS8-IS93 ГГ.

Разрзооїшпйї язрцетокогкл і-гтод р?щэ?а коротковолновой

РД'.^ШЗ ПЗЕОЛЬЗгОТСЯ В КЛЭ4ЭШЗС.ПС⁴} Н,5ДОПфОЦ?Щ31 а кпо

*1$ШЩ^Ц й г-!огэт бнть претзпзд р аэлг-мж кш*зта а учравдеши &(щщэд!С7м??п п таї.

Рвэудаата едггэяЕровашя, пелуюсшв в длоеартщщодаоз раШтэ, иогуг быть попользована пря псслодоааящ Акторов ья-їррдогвпиго гсздайстЕпя на'климат.

Апгобацйя работа п пуйгзкаияь Осяовннэ полотенич it ре-здадоте работа докладывались па коїфргишлх хо.*.ояіх учвнш к ещэщгадетоэ НПО .^Тайфун*(ОСкшек.- I2S9 в 1990 г.), на Совете-

-S-

ко-Ашркалском симпозиуме "Атаоогарай аэрозоль и климат" (Обнинск, 1939 г.), на сессии Ученого Совета ШО "Тайфун" (С0-нинск,1994 г.).

По теш дпссертацкі опубликовано 5 статей, из них »1 в соаьторстве. Б работах, вшюднешшх в соавторстве, личный вклад диссертанта заклшается в участім на веек этапах исследования, от постановки задачі; до получения к анализа результатов к н&гаїсаннк статей.

Структура и обгем набото. Диссертации состоит из црчдешш, трек глаз н заключения. Сбген работу 145 стргшщ, в тем числе 33 рисунков н Ь: таблиц. Стасек літератури содержа? 122 ітіїМЗНОВа-ШіЯ.

Во вьодеїзт показана актуальность тони исследований н оїсрмулировгна основная цаль роботи. Приводвші структура и краткое содержание глаз диссертации.

ft первое глагш дан кратк::Л сбзер сусюствуьчах двухпотоко-
вых методов расчета переноси і:сротї:оаолііоБОІї (KB) радшшії: , в
азізаутальноосроднегаюк случае. Анализ, провздоіпиГі з дкесэрта-
иш. показал, что всо сув;остьуі;;"ло двуїлсіоког&о г-ето&д :;огут
бить получены при гадсн;ы і:иїоп::;иу..ос'л; рассеянного і:злучеіг.*л
.г.іі!ОП:»с;і }:с ;j;,H';n.:;;;' ико;;.-.. і.:,...:. :; і ;... ,. .Сш;1'.:.: Ц-і'ґ:±'::>.~ .
косж. : г:;;и^:шого yr.^v... и-.'.:'- ' ,: _:...\ . . ;,lc. . /..',Иі-.і'.-.—

..-' о:',- . ':оду.

в двухпотоковом приближении

1(х.*ц) - С-(ц)1*(х). гяе х - оптическая тсгад.

ц - косинус зенитного углч (asO);
I^і - потстг рэссея-шого излучегам восрхС) a Pf!iT}(->:
Ф - уг.іссое растре целение энергии излучения в
гапеио/вностг;:
Исходя из Сорта реальной интенсивности, ОЫ-ПКУМРН09 /.«го
дом дискретных ординат, г. диссертации "ило предложено угловое
распределение энергии з интенсивности для нового двухпотиксвого
метода ,

Ф(ц) -Се ^ а = а --^ т₀/и₀,

где С - нормировочная константо: х₀- оптическая толэа всего слоя; ^₀- косинус угла падения солнечного излучения; g - снтяігу-і'ость индикатрисы рессегтая; а = 0.1 - котймійіент, нгпденіши з^й'.рітчесетм путем (по-стсяннуй во всех случаях). При увеличении вытянутоетк Еіндикатриск рассеяния клз уменьшении оптической roiox сд--я внтекскЕноггть в новом метода приобретает гиз: в направлю».;: 'їгіг^го солнечного излучения, как и в реальной ситуации ь я преильнхж случае предлсяэккнЯ метод переходит в метод С-функщи. Р стчев слйЗо вытянутой индикатрисы и бользих оптических толя когьй метод эквивалентен методу Шварютльда-Шустора.

С помощью метода дискретных оглшгят были сравнены точности суиествуксих методов и построенного. Поквззко, что носки метод является наилучшим для моделирования возмущения радиационного баланса аэрозолем с малыми оптическими толщами (т<1). Его отно-

-ti-

сительная погрешность в этоы случае до превышает 5. Использование распросгранешого кетода б-Здавгтска в экспериментах с тонкими слоями аэрозоля неооосновано, поскольку его относительная погрешность при расчете альбедо аэрозольного слоя достигает "25$, что на порядок больше, чем у нового метода.

Приведенные в главе результаты сравнения с "точними" численными донними показывают, что предложенный метод правильно описывает основные процессы трансформации излучения в атмосфере и мокет сыть использовал в климатических моделях для широкого круга исследований.

Построенный даухготоковыЗ метод был использовал в KB части радиационного блока сезонкой трехмерной энергобалансозой модели (СТЭЕМ) климата Северного полушария, созданной совместно с Ы.П.Коломеевкм и С.Л.Малышевым. В разделе 1.4 дано ее краткое описание. Модель имеет горкзогтадыюэ разрешение 10г10. Температура рассчитывается для аэзархкостн ы двух тропосферных слоев исходя из системы нестационарных энэргобалансовых уравнений. В арктических регионах рассматриваются процессн трансформации ледяного покрова с помощью уравнения эволюции льда. Радиационный блок модели включает облака» аэрозоль, водяной пар, углекислый газ, озон, реллеевское рассеяние в воздухо. Для более точноі-о учета вертикальной структуры аэрозольного форсинга потоки радиации вычисляются на 5 уровнях тропосферы с учетом ИК возмущения аэрозолем.

Во второй главе проведено исследование» рола тропосферного аэрозоля естественного происхождения в формировании климата Северного полушария с помощью СТЭШ.

В разделе 2.1 рассмотрено влияние фонового тропосферного аэрозоля (СТА) .на климат. В 2.I.I представлен обзор, охватывающий результаты численных экспериментов с ФГА на .радиационно-

коявективних, зоиальшх и треялерннх моделях обяеД циркуляция.

Характеристики <І>7Л б диссертационной работе задевались согласно модели, принятой я& соБешании гкспертов а Вирджиния IS82 г. (микройїзіка. состав и ецсотноє распределение) и молоди Туна и Поллака, І97Є г. (ейоотїгсє распределение к оптическая толпа). 0п"пг-:есжге характеристики в спектральных интервалах рассчитывались по теорги Ми.

Расчета ипюлнекяые с по»*?^гл.п радиеционзого З.тска описанной модели климата псказквавг, что ФТА уменьшает среднегодовой пряток радкацкх к систеие атмосфера-Земля па 0.8 Вт/м² в среднем по Северному полупарию, при этом s океанических регионах ослабление достигает 2.1 Вт/М². ЄТД континентов приводит к увеличении притоко радиации к скстсяе на 1.2 Вт/м², вследствие нреоблэдержго содерггг&я достаточно сильного абсорбера - пыли.

Глобальный средкегсяовоГ? температурный отклик климатической скстекн кз введение ГД ::о результат-.:-* моделирования составил Аї₀=-0.4 С (поверхность>₈ АТ^-О.З С (слой 1000-600 иб) и ДТ₂=~0«2 ^{с (&й}-'"" G00-2CO г.,*>. ^їтлггуда сезонных колебания температурного еогмус?Е::л сосгап?:лн 20? на поверхности и 30% . б тропосфере от соотЕчтсг^татас срелчогодоггис величин. Наибольшее пониаепяэ темпэрат'да ^перг"⁴'" 'і - дс -С? С - приходится на середину дета и пгоксздпг? в икс- ~; аарокд (с.ч.рис.1). В арктических регионах csciro* л ссшьй псбдадгэтсн иотеїшиие, дос-тигаицее з октябре 0.4 ^с0. Нрода ї-ч^сптурак змушений с помоги:» коделя климата с^лн рассчгтгны ц~:.'к:?вгя лгооїих ХЗргкте-рИСТИК АрКТЛСИ Яри ПВЗДЙЕЗЇ S7&.

Роль «ТА в Ш диапазоне б>ілз on/--'«ra прсседвт^м дополнительного г:<сп?ря«штэ о еккяггасияи КК поглспелием. Получено глобальное среднегодовое псхолодже гта JJ5S более» сильное, '«ем при учете ФГА в ИК спекїре.

6 7 tt 9 Id'l li

I'lic > t'ej.)i!HUB иаиенгням тгыиерптуры поверхности Северного полушарм» иод деОстииеи фонового троио-сфсрыого аироиол».

cJT 'С

О!

иг

»114 Го

1»ї>

! -о>-

-см_г

_г

_лГ

IvbOj I9U I lvb I ;

ГОД

IV»

!

1«Є7

Рас.2. Изменение температури поьерности Свьврного полушария пол действием в;лканііческсга аэрозоля с мая 1980 по дэхаЗрь ІІЙ7 года. Стрелкаіо: с гмочвки извержаямя вулканов: Сент Хелене (І), Ат.авд (2), НензьепішЯ (3),Эль-Чячон (4).

аэрозоль в стратосфере;

-'—— вврсаолк ь '»"ропоо$арв 'Л отритоофкр*.

-II-

Далее, в главе 2 проводилось исследований климатической значимости вулканического тропосферного аэрозоля. На осново даігаих измерении вертикальных прочие» коэффициента ослаблеїшя из работ Кента и др. (1988г.) и Поста' (1986 г.) в диссертации бил построен сценария изменения тропосферного вулканического аэрозоля на период 1980-1987 г.. з течение которого произошли крупные извержения: Сент-Хелзнс. Алаид, Неизвестный, Эль-Чичок. Для сравнения его эффектов со влиянием стратосферной компоненты также использовался сценарий стратосферного вулканического аэрозоля, созданный на основе экспериментальных данных лидарно-го зондирования. Было проведено два численных эксперимента на ОТЭБМ: со стратосферным аэрозолем, стратосфврншл и тропосферним аэрозолями. В разделе 2.2 представлены результаты этих экспериментов. Тропосферная компонента вулканического аэрозоля заметно усиливает глобальное похолодание, индуцированное стратосферной Частьв; После извержения Эль-Члчоп оно составляло, го результатам¹ расчетов, половину климатического эффекта стратосферной компоненты (сй.ріс.2);

В третьей" главе рйссїВ'трїіе'а'іУтся проблема влияния антропогенного тропосферного аэ'рЪзоля ЇЙ іЬШат; Предварительно в разделе 3.1 дан обзор 9Кс^ери<ЙйтЙяШіі работ Ш фіизйко-хшическим свойствам и коїщептрациям тропосферных сЙрбЗдяеЙ антропогенного происхождения. Рассмотрев такйэ іШейцИбсі! І литературе' прогноза возмошого роста его концентрация в связи с пройыаленным развитием. Из проведенного анализа следует; что бъйнэвнымн ' кой-поненткя антропогенного аэрозоля являются сульдётЛ и органн-«остога вешества. Несколько мейые в нем содержится саги. Что касается глобального временного тренда концентраций, то мскно сделать лишь качественный вывод о сильном Их росте в Севврном полуиар:-я в 20-м век^. Однако, дешшх для количественной оценки

тренда в настоящэе время нодостаточно. D связи с эхта с дассер-тешш рассматривалось стационарное юздєїїстеио антропогенного аэрозоля на климат.

В разделе 3.2 проведено исследование влияния аэрозоля антропогенного происхоклвн?я на климат с поморів СТЭБК. Учитывался сульфатний, органический аэрозоль и сааа. Уровень концентраций соответствовал IS85 г., географическое распределение концентрати взято согласно расчетам Пеннер (1992 г.). Оптичоскиэ характеристики аэрозоля рассчитывались по теории Ми. В результата численного моделирования получено глобальное среднегодовое похолодати швэрхностм Северного полуперия на 0.93 С. Паи* болызая амплитуда сезонных колебаний зКекта (до 3 С) цаблэдв-отгя е полярных региона* из-за действия обратной альбедо- температурной связи. В низких сиротах расчеты дали большее понижение тшэтирагури грэпоефэри, чем поверхности, поскольку п &til? ьояох ыякуеэенл генерируются и9поср«дстБзшю не аэрозолем, которого здесь капо (т<0.01). а усилением меридионального мзкро-туряулднткого nopefioca тепла па север. Контк-шталышв региона отреагировали сильной океанических в cootbojctesw с большой коицрктраиавй антропогенных шбросов г аткосфорс. Региональная картина возмуЕениЯ (си. рис.3) характеризуете;: гремя ярко виро-пмр-йшг-: мяксимумпуя покшеокия приземных теяператур (Заладнай Европн - З С, йгЬврйая Акорпко - 2 С в Юго-Восточная Азия -:.6 ^l'^:cu соотьсч стьуаси; прокгмокіо развитии регионам. Рассча-так:&: г.і хчі/ьнкй зфїе-кт похолодания антропогенного аэрозоля сръяггх. rr в-осязгаюя ве-дичане с шдгляруекин потеплением обу-cv-kv!

В г>».;и>й> 3.3 рассмотрены локальные эффекты антропогенного rv<^r.%;Cvep»orv й?роьмя. В 3.3.1 исследовано влияние'аятрспэген-tio'e ;-і;;.чП'^^ск(72 хздеез m кл-мзг ^лхяргпи гегкенс-в с пгкеаьв

-Li-