Борок 20 мая 2008 г. Диагностика и моделирование глобальных и региональных изменений климата И.И. Мохов Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН

Изменения глобальной приповерхностной температуры по данным наблюдений

Изменения приповерхностной температуры ( o C) в России и для Земли в целом

Тренд приповерхностной температуры по данным наблюдений ( o C/10 лет) гг. (по данным Росгидромета) B(Prec), %/10 лет

Характерные особенности потепления Увеличение приповерхностной температуры Изменение режимов осадков, снежного покрова, влагосодержания почвы и речного стока Уменьшение площади морских льдов в Арктике Изменение режима вечной мерзлоты Изменение режимов циклонов и антициклонов в средних и полярных широтах Изменение режимов засух и пожаров

Изменения площади морского льда в Арктическом бассейне в сентябре (с минимумом площади арктического морского льда в годовом ходе) по спутниковым данным с 1979 г. по 2007 г. (Скорость уменьшения около 10% за 10 лет или км 2 в год.

Протяженность морского льда в Арктическом бассейне в сентябре 2007 г. (4.28 млн км 2 ) и 2005 г. (5.57 млн км 2 ) по сравнению со средней протяженностью в гг.

Изменения продолжительности ледового сезона (в днях) для периода гг. (относительно гг.) по спутниковым данным (а) и по результатам мульти- модельных расчетов (b). (с) По результатам мульти-модельных расчетов: изменения к концу XXI века относительно конца ХХ века при антропогенном сценарии SRES-A1B (d) Варианты трасс Северного морского пути и Северо-западного прохода

Длительность навигационного сезона (сут.) с полностью открытыми Северным морским путем (a) и Северо-западным проходом (b) по спутниковым данным (жирная кривая) и по модельным расчетам (среднее по ансамблю моделей) при умеренном антропогенном сценарии SRES-A1B для XXI века.

Зима Изменения количества осадков (%) к концу XXI века относительно конца ХХ века. Средние по ансамблю моделей (IPCC-AR4) при сценарии SRES-A1B. Лето

Обь Лена Возможные изменения (в %) стока Оби и Лены в XXI веке при умеренном антропогенном сценарии SRES-A1B

Интенсивность осадков Изменения характеристик осадков в ХХI веке (мульти-модельные средние) % % Вероятность осадков

Индексы риска летней пожароопасности лесов для последнего десятилетия ХХ века по модельным расчетам для европейской и азиатской частей России: I – непожароопасно, II - малый, III - умеренный, IV - высокий, V – экстремальный уровень.

Климатическая модель ИФА РАН с углеродным циклом Климатическая система: 4.5 o х6 o, L11 - атмосфера, L4 - океан, L1 - суша. Годовой ход инсоляции. Атмосфера : 3D квазигеострофическая крупномасштабная динамика. Синоптическая динамика параметризована, исходя из ее представления в виде гауссовых статистических ансамблей. В каждом характерном слое атмосферы предполагается линейный профиль зависимости температуры от высоты. Полностью интерактивный гидрологический цикл. Океан : Прогностическое уравнение для температуры поверхности океана (ТПО). Геострофическое приближение для расчета динамики. Универсальные профили температуры в каждом характерном слое океана. Распределение солености океана задано. Интерактивный цикл СО 2. Морской лед : Диагностическая схема, основанная на значениях ТПО. Растительность: Распределение экозон согласно схеме BATS. Углеродный цикл: Наземные экосистемы: наземная биота и почвенный резервуар. Фотосинтез, первичная биопродуктивность, биотическое и почвенное дыхание зависят от температуры экспоненциально. Фертилизация углекислым газом - закон Михаэлиса-Ментон. Океан : потоки из атмосферы в океан зависят от изменений ТПО и концентрации СО 2 в атмосфере. Скорость вычислений : ~ 17 сек на модельный год

Общая схема КМ ИФА РАН АТМОСФЕРА приходящее солнечное излучение ОКЕАН РАСТИТЕЛЬНОСТЬ (типы экосистем предписаны, запас углерода интерактивен) ПОЧВА ЛЕДНИКОВЫЕ ЩИТЫ (предписаны) ВЕЧНАЯ МЕРЗЛОТА явное тепло, влага, импульс, CO 2 МОРСКОЙ ЛЕД образование облаков (один эффективный слой ) стратомезосфера свободная тропосфера пограничный слой крупномасштабная циркуляция, синоптические процессы параметризованы явное тепло, влага, CO 2 СНЕГ концентрации N 2 O, фреонов тропосферных и стратосферных аэрозолей антропогенные эмиссии СО 2,CH 4 сток влаги отмирание квазиоднородный слой (термо- и гидрофизические процессы, преобразование углерода) глубокий океан слой придонного трения во всем океане рассматриваются: распространение тепла, крупномасштабная циркуляция, синоптические процессы параметризованы, осадки коротковолновая радиация длинноволновая радиация конвекция эмиссии СН 4 болотами

Изменения концентрации CO 2 в атмосфере по расчетам с КМ ИФА РАН с углеродным циклом при разных сценариях антропогенных эмиссий сплошные – интерактивный режим пунктир – неинтерактивный режим SRES-A2 875 млн -1 (90 млн -1 ) SRES-A1B 762 млн -1 (83 млн -1 ) SRES-B2 669 млн -1 (69 млн -1 ) SRES-B1 615 млн -1 (67 млн -1 ) pCO 2,a, млн -1

Изменение глобальной приповерхностной температуры по расчетам с климатической моделью ИФА РАН с углеродным циклом при разных сценариях антропогенных эмиссий сплошная - интерактивный режим пунктир - неинтерактивный режим SRES-A K (0.31 K) SRES-A1B 3.05 K (0.34 K) SRES-B K (0.34 K) SRES-B K (0.35 K) наблюдения T, K

Поток СО 2 из атмосферы в наземные экосистемы сплошная - интерактивный режим пунктир - неинтерактивный режим SRES-A2 SRES-A1B SRES-B2 SRES-B1 F l, ГтC/год Доминирует прямой (фертилизационный) эффект, увеличивающий поглощение СО 2 наземными экосистемами Доминирует косвенный (климатический) эффект, уменьшающий поглощение СО 2 наземными экосистемами из-за роста дыхания почвы

Поток СО 2 из атмосферы в океан SRES-A2 SRES-A1B SRES-B2 SRES-B1 F oc, ГтС/год сплошные – интерактивный режим пунктир - неинтерактивный режим Доминирующий рост F oc связан с увеличением скорости прироста концентрации СО 2 в атмосфере со временем. Начиная с конца ХХ века, на рост F oc влияет потепление климата (уменьшение растворимости).

Изменение запаса углерода в почве SRES-A2 SRES-A1B SRES-B2 SRES-B1 C s, ГтС сплошные - интерактивный режим пунктир - неинтерактивный режим Рост запаса углерода в почве C s в неинтерактивном режиме связан с эффектом фертилизации растений за счет СО 2 ( рост продуктивности рост биомассы рост опада рост C s ). В интерактивном режиме, начиная с середины ХХ века, в изменениях C s превалирует эффект роста почвенного дыхания из-за роста температуры.

Доля кумулятивных антропогенных эмиссий СО 2, остающаяся в атмосфере SRES-A2 SRES-A1B SRES-B2 SRES-B1 rara сплошные - интерактивный режим пунктир - неинтерактивный режим На временных масштабах до нескольких столетий около половины антропогенных эмиссий остается в атмосфере. Доля этих эмиссий, остающаяся в атмосфере, больше в интерактивном режиме, чем в неинтерактивном из-за положительной обратной связи между климатом и углеродным циклом. При этом в целом эта доля растет со временем, указывая на усиление такой обратной связи.

Модель термофизики почвы - учитывает годовой ход температуры на нижней границе атмосферы. - учитывает влияние снежного и мохового покровов на затухание температурной волны в почве. - влияние эффектов метаморфизма снега не учитывается. Модель для эмиссий СН 4 из болотных экосистем - E CH4,bs = i,k E CH4,bs (H(T i,k ),DDT i ), где DDT i - число градусо-дней за теплый период года i-го слоя почвы, Н(...) - функция Хэвисайда, T i,k - температура i-го слоя почвы [ o C] в k-ый день года. - почвы болот считаются насыщенными влагой. - эмиссии метана от мерзлого слоя (и всех более глубоких слоев) почвы нулевые. - доля болотных экосистем в каждой модельной ячейке предписана по данным наблюдений. Учет метанового цикла и процессов в болотных экосистемах в КМ ИФА РАН

Эмиссии метана болотными экосистемами [МтСН 4 /год] SRES-A2 SRES-A1B SRES-B1 по данным [Christensen et al., 1996] севернее 50 о N

Взаимодействие процессов в болотных экосистемах и метанового цикла в КМ ИФА РАН увеличивает рост содержания метана в атмосфере на % в зависимости от сценария антропогенного воздействия и момента времени. Изменение глобальной температуры к концу XXI века относительно доиндустриального периода в КМ ИФА РАН составляет К в зависимости от сценария антропогенного воздействия. Интерактивный отклик эмиссий метана болотами на изменения климата не приводит к существенному дополнительному потеплению (< 0.05 K).

Изменение продуктивности растительного покрова при увеличении глобальной приповерхностной температуры на 1 о С модель HadCM3 модель ИФА РАН т/га/год

Глобальный углеродный цикл

Оценки эмиссий углекислого газа в XXI в. [IPCC, 2001] сплошные линии - сжигание ископаемого топлива и промышленность пунктир – землепользование (добавлены оценки для гг.) SRES A2 ( ГтC) SRES A1B ( ГтC) SRES B2 ( ГтC) SRES B1 ( ГтC ) E, ГтC/год

Доля кумулятивных антропогенных эмиссий СО 2, поглощенных океаном SRES-A2 SRES-A1B SRES-B2 SRES-B1 r oc сплошные - интерактивный режим пунктир - неинтерактивный режим Доля антропогенных эмиссий СО 2, поглощенная океаном, больше в неинтерактивном режиме, чем в интерактивном из-за уменьшения растворимости при потеплении климата. Эта доля растет со временем из-за роста разности парциального давления СО 2 между приповерхностным слоем атмосферы и верхним слоем океана

Доля кумулятивных антропогенных эмиссий СО 2, поглощенных наземными экосистемами SRES-A2 SRES-A1B SRES-B2 SRES-B1 rlrl сплошные - интерактивный режим пунктир - неинтерактивный режим Доля антропогенных эмиссий СО 2, накапливаемая в наземных экосистемах, больше в неинтерактивном режиме, чем в интерактивном из-за роста дыхания почвы с температурой. Эта доля уменьшается со временем из-за роста антропогенных эмиссий в неинтерактивном расчете и дополнительно – из-за роста почвенного дыхания в интерактивном

Тренды глобальной приповерхностной температуры для 100-летних скользящих интервалов по данным наблюдений. Вертикальными отрезками отмечены среднеквадратические отклонения. Также приведены соответствующие коэффициенты корреляции (шкала справа). Global surface temperature trends (for 100-year moving intervals)

Разные модельные оценки 100-летних трендов глобальной приповерхностной температуры: 1 – КМ ИФА РАН А2-GHG, 2 – КМ ИФА РАН B2-GHG, 3 – CCCma A2, 4 – CCCma B2, 5 – CCSRNIES A2, 6 – CCSRNIES B2) в сравнении с оценками по данным наблюдений (черная кривая 7).

B(Prec), %/10 лет гг.

Аномалии среднегодовой температуры в России по данным наблюдений (Росгидромет) у поверхности (в 0.1°С) в гг. Среднегодовая температура у поверхности в 2007 г. в целом по территории России была самой высокой с 1891 г. Предыдущее рекордное значение 1995 г. превышено на 0.3°С.

Изменения циклонической активности в атмосфере. Приведены функции распределения количества атмосферных циклонов в зависимости от их энергии для двух десятилетий во второй половине ХХ века в высоких широтах Северного полушария (а - для холодного полугодия, б – для теплого).