Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные методы расчета процессов на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы 9
Глава 2. Методы параметризации процессов на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы в климатических моделях ГТО 16
2.1 Термический режим деятельного слоя почвы 16
2.2 Испарение с подстилающей поверхности 18
2.3 Поверхностный сток 23
2.4 Водный баланс почвы 24
2.5 Валидация новой версии МОЦА ГГО 27
Глава 3. Влияние аномалий влажности почвы на предсказуемость режимов атмосферы 53
3.1 Постановка экспериментов 54
3.2 Результаты исследования 61
Глава 4. Расчет эволюции характеристик гидросферы и криосферы суши в 20-м и 21-м веках с использованием глобальных климатических моделей нового поколения 67
4.1 Гидрологический режим в 20-м и 21-м веках на водосборах сибирских рек 70
4.2 Криосфера суши в МОЦАО нового поколения 78
4.3 Расчеты эволюции криосферы суши в 20-м веке 81
4.4 Оценки изменений криосферы суши в 21-м веке 87
4.5 Приоритеты дальнейшего развития криосферных компонентов 88
Заключение 97
Литература 101
- Современные методы расчета процессов на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы
- Валидация новой версии МОЦА ГГО
- Результаты исследования
- Гидрологический режим в 20-м и 21-м веках на водосборах сибирских рек
Введение к работе
Актуальность исследования
В современных исследованиях естественных колебаний климата и его изменений в результате антропогенных воздействий широко используются сложные физико-математические модели. Чтобы достоверно оценить будущие изменения климата, модели должны правильно учитывать основные климатообразующие процессы в атмосфере, океане, криосфере и деятельном слое почвы на континентах и в целом хорошо воспроизводить современный климат. При этом важную роль играют процессы на подстилающей поверхности и в деятельном слое суши, оказывающие существенное влияние на термический режим и влагооборот в нижней тропосфере. Параметризация процессов тепло- и влагообмена в деятельном слое почвы остается в числе приоритетов развития физико-математических моделей. Деятельный слой почвы играет ключевую роль как резервуар влаги, контролирующий, в частности, испарение (эвапотранспирацию). Многочисленные исследования указывают на существование обратной связи между почвенной влагой и осадками. Например, в работе [Douville et al., 2001] обнаружено влияние аномалий влагосодержания почвы на африканский муссон, а результаты работы [Schar et al., 2004] позволяют предположить существенный вклад обратной связи между почвенной влагой и осадками в аномально высокие летние температуры, наблюдавшиеся в Европе в 2003 г. В последние годы систематическому анализу описания и воспроизведения влагообмена между атмосферой и деятельным слоем почвы климатическими моделями уделяется все больше внимания [Koster et al., 2004; Seneviratne et al., 2005; Lawrence and Slingo, 2005]. Особый интерес в контексте ожидаемых антропогенных изменений климата представляют процессы тепло- и влагообмена в деятельном слое почвы в высоких широтах - с участием криосферы. Соответствующий круг проблем особенно актуален для России, почти вся территория которой находится в области сезонных изменений фазового состояния влаги на поверхности суши (снег и лед) и в деятельном слое почвы (мерзлые грунты). Достаточно упомянуть возможные в будущем изменения глубин сезонного протаивания многолетнемерзлых грунтов в результате антропогенного потепления климата и воздействие этих изменений на строения, транспорт, коммуникации и другую инфраструктуру северных регионов России [ACIA, 2005]. Исследования процессов тепло- и влагообмена на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы, результаты которых изложены в настоящей диссертационной работе, находятся в русле задач ряда национальных, а также международных программ, в том числе Всемирной Программы Исследований Климата (ВПИК) и ее крупных проектов - GEWEX («Глобальный эксперимент по энергии и воде») и СПС («Климат и криосфера»).
Цель и задачи исследования
Центральной проблемой исследования климатической системы Земли является проблема предсказания климата - т.е. статистического описания будущих состояний климатической системы в терминах среднего и изменчивости различных характеристик ее компонентов за период времени от нескольких месяцев до тысяч лет и более. Целью настоящей работы является исследование процессов тепло- и влагообмена на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы в условиях современного климата и его будущих изменений.
Задачами настоящего исследования были:
Разработка и внедрение новой схемы параметризации процессов взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью и деятельным слоем почвы в модели общей циркуляции атмосферы (МОЦА) ГГО, валидация новой версии МОЦА ГГО
Исследование влияния крупномасштабных аномалий влажности деятельного слоя почвы на предсказуемость режимов атмосферы
Оценка качества глобальных моделей общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО) нового поколения при воспроизведении характеристик гидросферы и криосферы суши в 20-м веке.
Расчеты изменений характеристик гидросферы и криосферы суши в 21-м веке с помощью ансамбля МОЦАО нового поколения.
Научная новизна
Основу проведенных исследований составляют результаты численных экспериментов с разными версиями глобальной модели общей циркуляции атмосферы (МОЦА) Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова (ГГО), а так же результаты расчетов по моделям МОЦА и МОЦАО, созданным в других научных организациях разных стран и принимавшим участие в крупных международных программах (AMIP-I, AMIP-II, МГЭИК ОД4 и др.).
Новизной характеризуется разработанная и включенная в МОЦА ГГО схема параметризации процессов на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы, позволяющая учитывать такие процессы, как перехват части осадков растительностью с последующим испарением перехваченной влаги, транспирацию почвенной влаги растениями, подсеточную неоднородность максимальной влагоемкости почвы при расчете поверхностного стока. На основе сравнения с данными наблюдений и результатами моделирования по другим моделям выполнена валидация гидрологического и термического режимов, рассчитываемых МОЦА ГГО на водосборах крупных рек земного шара.
Исследование влияния аномалий влажности почвы на потенциальную предсказуемость режимов погоды также позволило получить новые результаты.
На основе расчетных данных ансамбля МОЦАО нового поколения выполнены оценки современного состояния и возможного в 21-м веке изменения гидрологического режима для водосборов крупных рек, расположенных в зоне вечной мерзлоты, а также пространственных распределений снежного покрова, глубин сезонноталого слоя (СТС) и глубин сезонномерзлого слоя (CMC). Совместный анализ этих характеристик на основе данных МОЦАО до сих пор не проводился.
Новизна полученных результатов подтверждается их публикацией в ряде рецензируемых, в т.ч. международных, изданий (см. список публикаций).
Научная и практическая значимость
Разработка новых схем параметризации процессов на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы, а также проведение на протяжении многих лет сравнительного анализа воспроизведения различными моделями (в т.ч. моделями разных поколений) гидрологического режима на крупных водосборах суши - внесли вклад в развитие глобальной климатической модели ГГО.
Важность прогноза состояния многолетнемерзлых грунтов в условиях будущего климата обусловлена тем, что таяние вечной мерзлоты может повлечь за собой очень серьезные последствия для строений, коммуникаций и другой инфраструктуры регионов России, расположенных в этой зоне. Расчеты,
выполненные для различных сценариев изменения климата и для различных типов грунтов с использованием ансамбля климатических моделей, позволили получить количественную картину антропогенных изменений криосферы на территории России в 21-м веке.
Научная значимость работы подтверждается использованием отдельных ее результатов при подготовке Четвертого Оценочного Доклада МГЭИК (готовится к публикации), а также «Доклада об оценке климатических воздействий в Арктике» [ACIA, 2005]. Практическая значимость работы состоит в возможности использования ее результатов при разработке адаптационных мер в отношении будущих изменений климата, а также при стратегическом планировании развития экономики и для формирования внутри- и внешнеполитической позиции Российской Федерации по проблемам климата.
Достоверность и обоснованность результатов
Достоверность и обоснованность изложенных результатов обеспечена использованием в исследовании физически полных моделей общей циркуляции атмосферы и океана, опирающихся на законы физики и методы вычислительной математики, а также применением ансамблевого подхода и привлечением большого объема данных наблюдений для оценки полученных результатов.
На защиту выносятся:
Новая схема параметризации процессов на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы в модели общей циркуляции атмосферы ГГО.
Результаты исследования влияния аномалий влагосодержания почвы на месячную и сезонную предсказуемость режимов атмосферы над различными регионами земного шара.
Результаты расчета эволюции гидросферы и криосферы суши в 20-м и 21-м веках с использованием ансамбля глобальных климатических моделей нового поколения
Личный вклад автора
Автором вместе с научным руководителем была разработана схема параметризации процессов на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы. Автором проведено внедрение этой схемы в МОЦА ГГО. Автором создан комплекс программ регионального анализа результатов. Все эксперименты с МОЦА ГГО проводились автором лично. Автор участвовал в обработке и анализе характеристик гидросферы и криосферы суши на основе данных ансамбля МОЦАО нового поколения. Все эксперименты с многоуровенной моделью теплопередачи в грунтах проводились автором лично.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих отечественных и международных конференциях и совещаниях:
Конференция молодых ученых национальных гидрометслужб стран СНГ (Москва, 1999 г.);
Конференция молодых ученых «Гидродинамические методы прогноза погоды и исследования климата» (Санкт-Петербург, 2001 г.)
Научные совещания в рамках двустороннего научно-технического сотрудничества между Росгидрометом и метеорологической администрацией КНР (Санкт-Петербург, 2002 г.; Урумчи, КНР, 2005)
Рабочее совещание по проблемам вечной мерзлоты (Фэрбенкс, США, 2004
г-)
Вторая Европейская конференция по проблемам вечной мерзлоты (Потсдам, Германия, 2005 г.)
Третье научное совещание рабочей группы по численному экспериментированию по проблеме систематических ошибок в климатических моделях и моделях численного прогноза погоды (Сан-Франциско, США, 2007 г.)
Семинары отдела динамической метеорологии и заседания Ученого Совета ГГО им. А.И. Воейкова.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 22 работы, 9 из которых - в рецензируемых отечественных и зарубежных научных изданиях, в том числе в журналах «Известия РАН: Физика атмосферы и океана», «Метеорология и гидрология», «Криосфера Земли», «Journal of Climate», «Journal of Hydrometeorology». Всего за время научной деятельности автора опубликовано 28 работ.
Структура и объем диссертации
Современные методы расчета процессов на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы
Методы параметризации тепло- и влагообмена между атмосферой, подстилающей поверхностью и деятельным слоем почвы являются важной и неотъемлемой частью современных климатических моделей. Существует несколько десятков схем, описывающих с разной степенью детализации эти процессы. Процессы взаимодействия в системе почва-растительность-атмосфера, их влияние в моделях общей циркуляции были рассмотрены во многих работах [например, Менжулин Г.В. и др., 1989; Mintz, 1984; Garrat, 1993]. Ключевыми элементами в их описании являются:
1) роль растительности в регулировании эвапотранспирации и перехвате осадков
2) перенос тепла и влаги в деятельном слое почвы
3) для высоких широт и горных областей - описание криосферных процессов.
Первые исследования роли почвенной влаги [Будыко, 1948,1956; Namias, 1958] привели к развитию так называемой интегральной схемы расчета испарения и поверхностного стока [Manabe, 1969]. В ней рассматривался один слой в почве, влагосодержание которого менялось в зависимости от осадков и испарения. Максимальное содержание влаги было принято одинаковым для всех типов почв и составляло 0.15 м. Если влагосодержание почвы превышало пороговое значение, то весь остаток воды относился к стоку. Этот класс простых схем первого поколения описан в работе [Sellers et al., 1997]. Классификация, предложенная [Sellers et al., 1997], основана, главным образом, на степени сложности представления процессов эвапотранспирации в моделях. В ней выделяется группа моделей, которые используют простые формулировки аэродинамического переноса и единые заданные параметры подстилающей поверхности, включая влагоемкость почвы, альбедо и шероховатость. Роль растительности учитывалась неявно. Единая влагоемкость почвы, чрезвычайно упрощенное представление эвапотранспирации, а также использование одинакового аэродинамического сопротивления для тепла, влаги и момента движения - основные недостатки моделей первого поколения.
В целом, схемы первого поколения не обеспечивали возможности моделирования обмена углекислого газа или проведения экспериментов по исследованию воздействия изменений растительного покрова поверхности. Кроме того, чрезвычайно упрощенное описание стока не позволяло, как показано в PILPS [Henderson-Sellers, 1996], удовлетворительно описывать гидрологический режим.
Важным шагом в развитии методов моделирования процессов взаимодействия атмосферы с поверхностью суши стала работа [Deardorff, 1978], в которой при расчетах температуры и влажности почвы использовалось два слоя, а растительность была представлена явно в виде одного объемного слоя. Описание переноса тепла и влаги от растительного покрова в атмосферу основывалось на работах [Legg and Long, 1975; Thorn, 1972], а в целом, в модели была использована концепция испарения, изложенная в работе [Monteith and Szeiz, 1962]. Согласно классификации [Sellers et al., 1997] модели такого типа отнесены ко второму поколению моделей. Испарение с влажного растительного покрова может происходить быстрее, чем скорость транспирации и задача состоит в том, чтобы установить, какая часть растительного покрова окажется влажной и какое потребуется время, чтобы перехваченная растительностью вода испарилась.
При дальнейшем развитии методов параметризации процессов на подстилающей поверхности основное внимание уделялось оценке вклада растительности в поток скрытого тепла (эвапотранспирации). Ряд схем, используемых в настоящее время в МОЦА [например, Sellers et al, 1986; Abramopoulos et al., 1988, Noilhan and Planton, 1989], учитывают влияние физиологии растений, используя так называемую фотосинтетически активную часть солнечной радиации для регулирования открытия и закрытия устьиц листьев, регулируя, таким образом, поток влаги из почвы в атмосферу и скорость транспирации. Концепция устьичной проводимости как механизма действия различных функций напряжения является центральной для всех вышеупомянутых моделей. Многие МОЦА включают так называемый резервуар перехвата растительностью, накапливающий осадки и испаряющий их со скоростью испаряемости [Rutter et al., 1972].
В моделях второго поколения появились более сложные схемы параметризации процессов влагопереноса в почве. Вертикальный перенос влаги описывается системой уравнений диффузии, основанных на законе Дарси.
Поверхностный сток в моделях параметризуется по простой схеме. Поступающая влага впитывается почвой до состояния насыщения, а остаток считается стоком. Или более сложным путем - через расчет скорости инфильтрации воды в почву различными методами. При этом, как правило, принимается, что сток локально исключается из влагоборота на континентах, неявно предполагая, что избыток воды поступает в океан. Однако при моделировании циркуляции вод Мирового океана, очень важно знать в какие области океана поступает избыток пресной воды. В настоящее время многие схемы параметризации процессов на подстилающей поверхности включают методы расчета направления потока воды с учетом конфигурации речной сети [Sausen et al., 1994; Hagemann and Duemenil, 1998], что позволяет лучше рассчитывать сток с ряда крупных водосборов земного шара, хотя часть проблем, связанных с влагозапасом и стоком воды в регионах многолетнемерзлых и сезонномерзлых грунтов остается нерешенной [Pitman et al., 1999]. Многие исследования [Chen et al., 1997; Pitman et al, 1999 и др.] показывают, что существует четкая взаимосвязь между водным и энергетическим балансами подстилающей поверхности. Ошибки в моделировании стока неизбежно приводят к систематическим ошибкам в описании и разделении доступной энергии между потоками скрытого и явного тепла. Часть такого рода ошибок связана с параметризацией стока, а также вследствие неточного описания характеристик влагосодержания почвы в моделях.
Первые заметные успехи по учету достаточно сложной схемы снега в климатическую модель, вероятно, связаны с работой Хансена и др. [Hansen et al., 1983]. Такие схемы, как BATS [Dickinson et al, 1986,1993] и SiB [Sellers et al., 1986] учитывали снег как часть верхнего слоя почвы при расчете термических характеристик и как отдельный слой при расчетах гидрологических характеристик. Более поздние схемы, например, CLASS [Verseghy et al., 1993] включали снег как отдельный слой при расчете как термического, так и гидрологического режимов. В дальнейшем при развитии схем параметризации процессов на подстилающей поверхности снегу уделялось все больше внимания [Loth and Graf, 1993; Lynch-Steiglitz, 1994; Thompson and Pollard, 1995; Володина и др., 2000]. Широко проводились работы по тестированию и оценке схем параметризации снега, как в автономном режиме (проект Snow Model Intercomparison Project (SNOWMIP), http://www.cnrm.meteo.fr/snowmip/), так и включенных в климатические модели [Frei et al, 2003].
В целом, модели второго поколения более полно представляют физические процессы на поверхности суши, при этом они продолжают развиваться как путем совершенствования механизмов взаимодействия между различными компонентами схемы, уточнения внешних параметров, так и за счет повышения вычислительной эффективности схемы. Нынешнее поколение моделей широко используется при оценках их чувствительности к изменениям характеристик поверхности суши, включая эксперименты, в которых оценивается влияние на климат уничтожения лесов, интенсификации сельскохозяйственной деятельности человека и др. Такие модели также широко применялись в исследованиях последнего времени, связанных с оценкой влияния роста концентрации углекислого газа в атмосфере на климат [McAvaney et al, 2001]. Рост СОг влияет на радиационное воздействие и таким образом на энергию, доступную для процессов на подстилающей поверхности. В свою очередь, это приводит к изменением устьичного сопротивления и соответственно эвапотранспирации. Эта биосферная обратная связь может быть учтена в расчетах. Однако, рост СО2 также непосредственно влияет на биосферную продуктивность [Менжулин Г.В., 1984; Mooney et al, 1991; Stitt, 1991; Walther et al., 2002]. Модели второго поколения не учитывают поглощение углекислого газа биосферой и изменения в структуре растительности в результате увеличения поглощения СС 2. Это ограничивает возможности таких моделей.
Третье поколение схем параметризации процессов на подстилающей поверхности включает взаимодействие между биосферой и содержанием СОг в атмосфере, то есть так называемый углеродный цикл. Основное направление исследований в этой области - это расчет динамики углеродного цикла, включая динамику растительности и почвенного углерода. В настоящее время проведено только несколько исследований климата, в которых использовались схемы третьего поколения. Учет в МОЦАО схем параметризации биосферы суши, позволяющих моделировать изменения источников и стоков СОг на континентах, является одним из важных направлений развития климатических моделей.
Валидация новой версии МОЦА ГГО
Для испытания представленной схемы параметризации процессов на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы в автономном режиме была выполнена серия интегрирований уравнений деятельного слоя почвы и поверхности суши при заданных атмосферных условиях с учетом годового хода. В качестве внешних параметров и начальных условий были использованы глобальные поля суточных значений приходящей на подстилающую поверхность солнечной радиации, противоизлучения атмосферы, осадков, скорости ветра, температуры и удельной влажности приземного слоя воздуха, влажности и температуры деятельного слоя почвы, подготовленные в рамках проекта ISLSCP (International Satellite Land-Surface Climatology Project) за 1987 и 1988 гг. [Meeson et al., 1995]. Все расчеты проводились сроком на 20 лет с последующим детальным анализом составляющих теплового и водного баланса на водосборах крупных рек Земного шара за последние пять лет интегрирования системы уравнений. Известно, что валидацию расчетных методов тепло- и влагообмена на подстилающей поверхности относительно климатических данных необходимо проводить после достижения модельным климатом установившегося режима. Анализ показал, что в данной схеме установившийся режим влажности почвы достигается через 2-6 лет, в зависимости от региона и начального состояния почвы. Анализ результатов каждого эксперимента осуществлялся за последние 5 из 20 лет счета. Анализ показал, что наличие растительности уменьшает общее испарение в атмосферу, деятельный слой суши остается более влажным, увеличивается общий сток с водосбора по сравнению с условиями, когда растительность отсутствует. Учет эффекта просачивания воды в нижние слои почвы (гидравлической проводимости) также способствует уменьшению поверхностного испарения и росту испарения за счет транспирации. В среднем за год и за достаточно большой интервал времени количество воды, поступающей на водосбор в виде осадков, полностью расходуется на испарение и сток.
Представленная схема была затем включена в модель общей циркуляции атмосферы ГГО. При этом следует отметить, что метод расчета температуры верхнего слоя почвы в МОЦА ГТО отличается от метода, использованного при работе схемы при заданных атмосферных условиях. Особенностью МОЦА ГТО является совместное решение уравнений вертикального турбулентного обмена в атмосфере и уравнений бюджета тепла для верхнего слоя почвы. Для замыкания системы уравнений для атмосферы привлекается уравнение бюджета тепла верхнего слоя суши(льда), т.е. прогностические уравнения для температуры поверхности, аппроксимация по времени для которых осуществляется по неявной схеме Эйлера. Замыкание осуществляется благодаря использованию в уравнении уже известных значений температуры нижнего слоя почвы (льда). Ранее выполненные исследования показали, что этот метод не приводит к вычислительным проблемам ввиду большой теплоемкости (и, следовательно, больших характерных времен) нижнего слоя почвы(льда). Детальное описание этой метода приводится в [Шнееров и др., 1997]. Наряду с представленной схемой параметризации процессов на поверхности и в деятельном слое почвы в новую версию МОЦА ГГО был внесен ряд усовершенствований в схемы расчета облачности и механизмов ее взаимодействия с радиационными потоками в атмосфере [Шнееров и др., 1999]. Новая версия МОЦА ГТО (MGO-2) была заявлена для участия в международном проекте по сравнению атмосферных моделей AMIP(Atmospheric Model Intercomparison Project), [Gates, 1992; Phillips, 1994]. Предыдущая версия МОЦА ГГО (MGO-1) принимала участие в первой фазе этого проекта - AMIP-I. Хотя пространственное разрешение модели атмосферы ГГО было одинаковым (T30L14) в обоих случаях, версии моделей существенно отличались между собой как по учету методов параметризации физических процессов, так и вследствие усовершенствования некоторых ранее включенных схем параметризации.
Основная цель AMIP - всесторонняя оценка возможностей моделей общей циркуляции атмосферы в воспроизведении современного климата и его колебаний, а также выявление характерных систематических ошибок в моделях с целью дальнейшего их уменьшения или устранения. Программа сравнений осуществлялась под научным патронажем Всемирной программы исследования климата, а непосредственным координатором всех работ выступала группа программы по диагностике и сравнению климатических моделей (PCMDI) Ливерморской национальной лаборатории (США). Наиболее активная фаза AMIP-I осуществлялась в период 1990-1995 гг. и включала работы по сравнению 31 модели общей циркуляции атмосферы ведущих научных организаций мира. Эти модели имели разное пространственное разрешение и учитывали большое разнообразие методов параметризации физических процессов. В соответствии с программой работ интегрирование системы уравнений моделей осуществлялось сроком на 10 лет с использованием фактической температуры поверхности океанов (ТПО) и протяженности морского льда с января 1979 г по декабрь 1988 г. Подробное описание моделей атмосферы, участвовавших в AMIP-I, а также результаты исследований, полученные с использованием обширного архива расчетных данных, приводятся в многочисленных публикациях [например, Gates et al., 1998].
В 1998 г была начата вторая фаза AMIP-II, при планировании которой учтен богатый опыт организации сравнений результатов первой фазы AMIP I. Существенно расширена унификация требований к проведению расчетов, увеличен период расчета с января 1979 по февраль 1996 гг., а также расширен перечень характеристик атмосферы для диагностического анализа. С новой версией модели MGO-2 были проведены эксперименты по программе АМГР II. Расчеты, выполненные в соответствие с протоколом проекта AMIP-II, переданы в базу данных PCMDI Ливерморской национальной лаборатории (США) и в настоящее время размещены на сайте http: //www pcmdi.llnl.gov/amip/quick-look.
Как известно, расчет регионального климата с помощью моделей общей циркуляции атмосферы является наиболее трудной задачей. В рамках испытания новой версии модели атмосферы MG0-2 проводился всесторонний анализ и верификация расчетных характеристик климата относительно данных наблюдений на водосборах крупных рек (Амазонка, Волга, Енисей, Конго Лена, Миссисипи, Обь), водосбор Балтийского моря и в регионах с особыми условиями климатического режима (Антарктида, Аравия, Гренландия, Индостан, арктический бассейн, отдельные акватории Атлантического и Тихого океанов). Всего был рассмотрен 21 такой регион. Сопоставление результатов модельных расчетов в экспериментах AMIP-I и AMIP-II с данными наблюдений позволило оценить не только качество расчетов регионального климата в двух версиях МОЦА ГТО, но и в целом оценить возможности современных моделей общей циркуляции атмосферы в воспроизведении сезонных особенностей климата на водосборах крупных рек земного шара, а также ответить на вопрос о том, насколько изменилось качество расчетов климата за 10 лет, разделяющих два поколения моделей AMIP.
Результаты исследования
Основная идея ансамблевого подхода состоит в том, чтобы на основе численных экспериментов, проведенных от различных начальных атмосферных условий, выделить случайную компоненту межгодовой изменчивости исследуемой величины (температура, осадки и др.), обусловленную чувствительностью модели к начальным условиям, а на основе относительного подобия между членами ансамбля оценить потенциально предсказуемую часть дисперсии этой величины. При этом за оценку предсказуемости принимается отношение дисперсии, обусловленной влияющей величиной, к полной дисперсии исследуемой величины. В зарубежной научной литературе такой подход известен как метод ANOVA (analysis of variance).
Рассмотрим изменчивость S2 и потенциальную предсказуемость R2 исследуемой величины. Первая может быть обусловлена двумя причинами: изменчивостью, вызванной влиянием граничных условий Sbc (заданные в течение прогноза температура поверхности океанов и в начальный момент влажность почвы) и изменчивостью, вызванной непредсказуемыми вариациями атмосферной циркуляции SjC2. Э =Ь bc""" ic
Потенциальная предсказуемость определяется как доля изменчивости, обусловленной влиянием граничных условий по отношению к суммарной изменчивости [Von Storch and Zwiers, 1999].
R2 варьирует в пределах от 0 до 1, причем R2= 0 свидетельствует об отсутствии внешней предсказуемости, т.е. о том, что данная система непредсказуема. При 0 R2 0.5 данная система имеет, в целом, низкую потенциальную предсказуемость, но в отдельных случаях сильного внешнего воздействия потенциальная предсказуемость может быть весьма высокой. Когда же R2 0.5, влияние внешнего воздействия, как правило, больше внутренней изменчивости и можно считать, что система имеет высокую потенциальную предсказуемость. Если же R2=l, то это указывает на отсутствие внутренней изменчивости, т.е. система полностью предсказуема -она детерминированно отвечает на любые изменения внешнего воздействия.
Оценки успешности прогнозов (расчет коэффициентов корреляции аномалий) проводились для средних за декаду и месяц аномалий приземной температуры воздуха, осадков, температуры воздуха на 850 гПа, геопотенциала на 700 гПа и 500 гПа. Эти оценки рассчитывались как в целом для земного шара, так и для территории России, семи водосборов России и соседних регионов (Балтийский, Днепр-Дон, Печора-Северная Двина, Волга-Урал, Обь, Енисей и Лена), а также для ряда регионов низких широт. Аномалии рассчитывались как отклонения средних декадных и месячных величин от соответствующих средних многолетних их значений за период 1979-1999 гг., полученных из контрольного расчета.
Влияние аномалий влажности почвы на предсказуемость в нижней тропосфере зависит от целого ряда факторов, среди который два являются наиболее важными. А именно, величина и протяженность аномалий влажности почвы и интенсивность взаимодействия между поверхностью почвы и атмосферой посредством испарения и переноса водяного пара в атмосфере, а также выпадения осадков. Эти факторы определяют продолжительность и интенсивность воздействия аномалий влажности почвы на атмосферу. В низких широтах влияние процессов влагообмена на подстилающей поверхности может распространяться на всю тропосферу в результате интенсивного конвективного переноса. В средних широтах вследствие слабого конвективного переноса это влияния распространяется преимущественно на нижнюю тропосферу в теплое время года, когда взаимодействие между атмосферой и земной поверхностью наиболее интенсивное.
Однако расчеты серии сезонных ансамблевых прогнозов с начала апреля и мая за период 1979-1999 гг. показали, что несмотря на существование аномалий влажности почвы в указанные месяцы их влияние на термический и влажностный режим атмосферы на большинстве водосборов крайне мало вследствие того, что в этот период еще сохраняется снежный покров на значительной части территории России. Более того, в тех регионах, где снежный покров отсутствует, влагообмен с подстилающей поверхностью также оказывается малым из-за относительно низких температур на поверхности почвы. Выпадающие осадки не играют сколько-нибудь существенной роли в дополнительном увлажнении почвы, поскольку весной почва насышена влагой и основная их доля расходуется на стоки.
Заметное влияние влагосодержания на приземную температуру воздуха на большинстве водосборов северной Евразии начинает проявляться в начале лета. В прогнозах от 1 июня эти изменения становятся уже ощутимыми. Хотя даже в этом случае предсказуемость атмосферных режимов в средних широтах обычно не превышает одного месяца, тем не менее, при использовании инициализированных значений влажности почвы отмечается некоторое улучшение предсказуемости средних месячных значений приземной температуры воздуха, практически, на всех рассмотренных водосборах (Рис.3.3). На рис.3.4 представлены результаты расчета потенциальной предсказуемости R2 для температуры в экспериментах с инициализированной и климатической влажностью почвы. Анализ показывает, что начальные аномалии влажности почвы оказывают влияние на приземную температуру в основном в низких широтах, на юге Европы и в умеренных широтах на Североамериканском континенте.
Сравнительный анализ месячных прогнозов, рассчитанных при инициализированной (с учетом аномалий) и климатической (без учета аномалий) влажности почвы в начальный момент показывают, что первые имеют более высокую успешность для некоторых переменных вблизи поверхности Земли по сравнению со вторыми. Это преимущество особенно хорошо выражено в распределениях коэффициентов корреляции для аномалий приземной температуры воздуха в средних и низких широтах на первый месяц прогноза. На второй месяц более высокие коэффициенты корреляции при инициализации влажности почвы сохраняются только для низких широт. Аналогичная картина обнаруживается в распределениях коэффициента корреляции для аномалий температуры воздуха на уровне 850 гПа и высоты геопотенциала на уровне 700 гПа.
Что касается повышения качества прогноза месячных осадков в результате учета начального распределения аномалий влажности почвы, то такая возможность практических отсутствует для средних широт и слабо проявляется лишь в отдельных регионах тропической зоны на первый и второй месяцы прогноза.
Анализ влияния аномалий влагосодержания почвы в начальных условиях на успешность прогнозов средних декадных аномалий приземной температуры воздуха и осадков на территориях крупных регионов: России, Китая, Индии и тропического пояса 10 с.ш.-10 ю.ш. показывает, что учет аномалий влажности почвы в начальном состоянии деятельного слоя почвы способствует повышению успешности прогноза приземной температуры уже на первой декаде прогноза, причем на территории России это влияние оказывается минимальным по сравнению с другими, более южными регионами. Что же касается прогноза осадков, то для территории России учет влияния аномалий влажности почвы практически не сказывается на результатах прогноза осадков даже в первую декаду и проявляется только в низких широтах.
Данные оценки, по-видимому, зависят от разрешения используемой в исследовании модели атмосферы, а также от того, насколько реалистично модель воспроизводит аномалии влагосодержания почвы и реакцию атмосферы на эти аномалии. Вместе с тем, полученные результаты, по-видимому, качественно верно отражают сезонную и региональную зависимость успешности прогнозов приземной температуры и осадков от аномалий влажности почвы.
Гидрологический режим в 20-м и 21-м веках на водосборах сибирских рек
Распределение осадков (Р) и испарения (Е) над водосборами в последнее время стало предметом все возрастающего интереса [Мохов и Хон, 2002; Катцов и др., 2003; Мохов и др. 2003;]. Рост разницы осадков и испарения (Р-Е) на суше предполагает в целом более влажные почвы (в то время, когда они не заморожены), возрастание поверхностного потока воды над замерзшей почвой, более влажный деятельный слой почвы летом и большее содержание льда в верхнем почвенном слое зимой. Если возрастание осадков проявляется в увеличении снегопада в холодный сезон, на водосборах будет происходить накопление массы снега. При этом сезонная продолжительность залегания снега может быть значительно короче, если с ростом осадков происходит потепление. Возрастание Р-Е приводит к увеличению доступной влаги в верхних слоях почвы прежде засушливых регионов. Кроме того, изменение переноса воды и соответствующих потоков тепла через береговую зону может в некоторых местах ускорить деградацию прибрежной вечной мерзлоты.
Оценка качества МОЦАО ОДЗ в расчетах арктических осадков в рамках подготовки Доклада ACIA [ACIA, 2005] показала, что, по сравнению с отдельными моделями, средние по ансамблю значения осадков удовлетворительно согласуются с имеющимися данными наблюдений, по крайней мере - при пространственном осреднении [Kattsov and Kallen, 2005; Walsh, 2005].
В работе [Kattsov et al., 2007] анализ модельных осадков и испарения (эвапотранспирации) над Северным Ледовитым океаном и его водосборами суши проводился для двух периодов: 20-летнего (1980-1999 гг.) и 30-летнего (1960-1989 гг.). Первый из них близок базовому климатическому периоду -1981-2000 гг., рекомендованному МГЭИК для ОД4 и использованному в Докладе ACIA [Kattsov and Kallen, 2005; Walsh, 2005]. Второй период удобен для прямого сравнения с климатическими оценками составляющих пресноводного бюджета Арктики [Serreze et al., 2003]. Реанализ ERA-40 включает оба эти периода и позволяет оценить разницу между соответствующими многолетними средними.
Для анализа модельных расчетов осадков и эвапотранспирации над водосборами северной Евразии были выбраны бассейны трех рек: Оби, Енисея, Лены. На рис. 4.1 показано сравнение модельных расчетов с оценками [Serreze et al., 2003], полученными на основе данных наблюдений, а также с данными ERA-40 для периода 1960-1989 гг. Данные расчетов и наблюдений удовлетворительно согласуются друг с другом для всех трех бассейнов. Хотя рассчитанные осадки заметно различаются между моделями, особенно летом, большинство моделей реалистично воспроизводят сезонный ход осадков над всеми тремя бассейнами, характеризующийся летними максимумами и зимними минимумами. Исключение составляют модели GISS-ER и GISS-EH, в которых сезонный ход осадков над бассейнами Оби и Енисея имеет минимум летом. По сравнению с оценками ERA-40 и [Serreze et al., 2003], среднее по ансамблю из 21 модели (равно как и по ансамблю из 19 моделей, из которого исключены две модели GISS) занижает летние осадки в бассейне Оби и завышает осадки либо в отдельные сезоны, либо весь год в остальных бассейнах. Среди вероятных причин отклонений расчетных осадков от наблюдаемых следует отметить погрешности в расчетах атмосферной циркуляции зимой [Chapman and Walsh, 2007] и разнообразие используемых в МОЦАО параметризаций атмосферной конвекции и гидрологии суши. Однако проверить влияние различных параметризаций на осадки в указанных регионах можно лишь с помощью последовательных экспериментов с разными моделями. Что касается среднегодовых оценок осадков, модели успешно воспроизводят наблюдаемые значения в указанных бассейнах (Рис.4.2). Различия между средними по ансамблю и данными наблюдений для Оби и Енисея не превышают 0.1 мм/сут. Для Лены эти различия больше и составляют 0.2 мм/сут. Благодаря высокой корреляции между осадками и эвапотранспирацией [Walsh et al., 1998], среднегодовые оценки Р-Е также хорошо согласуются с данными наблюдений: соответственно, 0.41 против 0.48 мм/сут. для Оби, 0.52 против 0.55 мм/сут. для Енисея, 0.49 против 0.51 мм/сут. для Лены.
Изменения гидрологического режима в 21-м веке
Общее увеличение осадков в высоких широтах с глобальным потеплением - устойчивый и хорошо исследованный результат практически любых модельных расчетов реакции климатической системы на рост содержания ПГ в атмосфере. С ростом температуры возрастает атмосферный перенос влаги из низких широт в высокие, что и приводит к росту осадков в полярных областях. Полученное в ансамбле моделей ОД4 среднегодовое глобальное увеличение осадков к концу 21-го века (2080-2099 гг.) варьирует в пределах от 3.4% (В1) до 4.5% (А2). Северный Ледовитый океан и окружающая его суша характеризуются наибольшим относительным увеличением осадков. Относительные изменения осадков (%) - глобальных и над Северным Ледовитым океаном (70-90с.ш.) - к концу 21-го века (2080-2099 гг.) для сценария А2 показаны на рис. 4.2. Как видно, относительный рост осадков в северной полярной области намного превышает увеличение средне-глобальных осадков. Рост осадков происходит на протяжении всего 21-го века на фоне интенсивной межгодовой изменчивости и увеличивающегося разброса между моделями.
В отличие от Северного Ледовитого океана, осадки над окружающими его водосборами возрастают не во все сезоны. Например, в бассейне Оби 7 из 17 моделей к концу 21-го века дают уменьшение летних осадков для сценария А2 (рис. 4.3). Среднегодовые значения Р-Е над водосборами суши, окружающей СЛО, и, соответственно, речного стока в СЛО возрастают во всех сценариях. Это согласуется с оценками, полученными с помощью моделей ОДЗ [Мохов и Хон, 2002; Мохов и др., 2003; Катцов и др., 2003]. В таблице 5 сопоставлены изменения Р-Е для 3 сценариев к концу 21-го века для СЛО в пределах 70 с.ш.; а также бассейнов Оби, Енисея, Лены. Наиболее значительное увеличение стока получилось для Лены (33% к концу 21-го века для сценария А2); наименьшее - для Оби (14% для А2, ср. с 20% Лены для «слабого» сценария В1).
Как известно, на водосборах в средних широтах максимальный сток наблюдается весной - в период интенсивного таяния снега. На величину стока оказывают влияние два фактора: увеличение скорости таяния снега в результате потепления климата и изменение накопленной за зиму массы снега. Поскольку в начале весны деятельный слой почвы, как правило, оказывается насьпценным влагой, основная масса растаявшего снега расходуется на сток. Рассчитав среднемесячные изменения массы снега в марте и мае в 21-м веке, по отношению к базовому климату, можно оценить изменения сезонного распределения стока, обусловленные таянием снежного покрова. Результаты расчетов показывают, что на водосборе Оби на протяжении 21-го века уменьшения массы снега к началу весны (март) оказываются большими, по сравнению с уменьшением массы снега к концу весны (в мае). Совершенно другая ситуация складывается на водосборах Енисея и Лены, где в 21-м веке происходит заметное увеличение накопленной за зиму массы снега (март) и уменьшение массы снега в мае. Иными словами, большее количество снега тает за более короткое время. Т.о., вероятность крупных весенних паводков на этих водосборах на протяжении 21-го века существенно возрастает [Мелешко и др., 2004].
Похожие диссертации на Исследование процессов тепло- и влагообмена на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы с помощью глобальных климатических моделей
