Исследование процессов тепло- и влагообмена на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы с помощью глобальных климатических моделей

Павлова, Татьяна Викторовна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Исследование процессов тепло- и влагообмена на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы с помощью глобальных климатических моделей
ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Исследование процессов тепло- и влагообмена на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы с помощью глобальных климатических моделей"

На правах рукописи

Павлова Татьяна Викторовна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И ВЛАГООБМЕНА НА ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ И В ДЕЯТЕЛЬНОМ СЛОЕ ПОЧВЫ С ПОМОЩЬЮ ГЛОБАЛЬНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Специальность 25 00 30 - метеорология, климатология и агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2007 г

003069351

Работа выполнена в государственном учреждении «Главная геофизическая обсерватория им А И Воейкова»

Научный руководитель

доктор физико-математических наук Мелешко Валентин Петрович

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук Генихович Евгений Львович

доктор технических наук, профессор Менжулин Геннадий Викторович

Ведущая организация

Институт физики атмосферы им АМ Обухова РАН

Защита состоится 23 мая 2007 г в 14 часов на заседании диссертационного совета Д327 005.01 в государственном учреждении «Главная геофизическая обсерватория им А.И Воейкова» по адресу г Санкт-Петербург, 194021, ул Карбышева, д 7

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке государственного учреждения «Главная геофизическая обсерватория им А И Воейкова»

Автореферат разослан «21 » апреля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор географических наук

А В Мещерская

1. Общая характеристика работы!

Актуальность исследования

В современных исследованиях естественных колебаяий 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 важггло 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 (овапотранспирацию) Многочисленные исследования указывают на существование обратаой связи мезкду почвенной влагой и осадками. Например, в работе [Douville et ai, 20011 обнаружено влияние аномалий влагосодержания почвы на африканский муссон, а результаты работы [Schar et al, 2004] позволяют предположить существенный вклад обраггной связи между почвенной влагой и осадками в аномально высокие легаше температуры, наблюдавшиеся в Европе в 2003 г В послед]гиг 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 Россш, почта вся территория которой находите« в области сезонных изменений фазового состояния влаги на поверхности суши (снег и лед) и в деятельном слог почвы (меритые труты) 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 (В ПИК) и ее крупных проектов - GEWEX («Глобальный эксперимент по энергии и воде») и CliC («Климат и криосфера»)

Цель и задачи исследования

Центральной проблемой исследования климатической системы Земли является проблема предсказания климата -те статистического описания будущих состояний климатической системы в терминах среднего и изменчивости различных хара]сгеристик 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) ГТО, валидация новой версии МОЦА ГТО

• Исследование влияния крупномасштабных аномалий влажности деятельного слоя почвы на предсказуемость режимов атмосферы

• Оценка качества побальных моделей общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО) нового поколения при воспроизведении характеристик гидросферы и криосферы сущи 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 цирку пяции атмосферы (МОЦА) Главной геофизической обсерватории им А И Воейкова (ГГО), а так же резульгагы расчетов по моделям МОЦА и МОЦАО, созданным в других научных организациях разных стран и принимавшим участие в крз'пных 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 крупны*, рек земного шара

Исследование влияния аномалий влажности почвы на потенциальную предсказуемость режимов погоды 1акже 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 тгкже пространственных распределений снежного покрова, глубин сезонноталого слоя (СТС) и глубин сезонномерзлого слоя (CMC) Совместный анализ этих у арактеристик 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 вьлад 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 дня 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 с фан 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, СШ\, 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

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы Общий объем работы составляет 112 страниц, включая 28 рисунков и 5 таблиц Список литературы содержит 107 наименований

2. Содержание диссертации

Введение

Во Введении обоснована актуальность исследования, сформулированы его цели и задачи, изложен метод исследования, а также показана научнгл новизна полученных результатов

Глава 1. Современные методы расчета процессов на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы

В первой главе выполнен обзор существующих методов параметризации тепло- и влагообмена между подстилающей поверхностью и атмосферой, а также процессов в деятельном слое почвы, используемых в современных глобальных климатических моделях

Глава 2. Методы параметризации процессов на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы в климатических моделях ГГО.

Во второй главе диссертации дается описание новой схемы параметризации процессов на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы, разработанной и реализованной в глобальной модели атмосферы ГГО Приводится анализ качества расчетов современного климата при заданной температуре океана и морского льда с учетом прежней и новой схем параметризации процессов на подстилающей поверхности, также с учетом уточненных схем расчета конвекции и многоярусной слоистой облачности Расчеты и сравнительный анализ проводились в рамках двух международных проектов по сравнению атмосферных моделей АМ1Р-1 и АМ1Р-П

В первом параграфе рассматривается система уравнений, описывающих вертикальный перенос тепла в деятельном слое почвы В предыдущем варианте модели теплообмен рассчитывался в трехметровом деятельном слое почвы, состоящем из трех неодинаковых по толщине слоев 0 1, 09 и 20 м Влагообмен учитывался только в двух верхних слоях почвы В новом варианте модели тепло- и влагоперенос осуществляется в трехметровом слое почвы, который представлен четырьмя слоями Дг^О 1м, Дг2=0 25м, Дг3=0 65м, Дг4=2 Ом При численном описании тепло- и влагопереноса в почве все физические процессы полагаются одномерными, поскольку вертикальные градиенты температуры и влага значительно больше, чем горизонтальные Расчет температуры для каждого из рассматриваемых слоев осуществляется с помощью системы разностных уравнений теплопроводности На границе раздела атмосфера-почва суммарный поток тепла, поступающий в почву, определяется из уравнения теплового баланса На нижней границе деятельного слоя поток тепла отсутствует

Во втором параграфе дается описание метода расчета испарения с подстилающей поверхности Полагается, что каждая ячейка модельной сетки может включать три типа поверхности вода, лед, суша В свою очередь суша может включать участки оголенной почвы, участки, занятые различного вида растительностью и участки, покрытые снегом. При этом полагается, что некоторая доля выпадающих осадков не проникает в почву, а перехватывается растительным покровом и накапливается на листве в виде тонкой пленки Таким образом растительный покров представляет собой водный резервуар (резервуар перехваченных осадков), из которого вода может испаряться при благоприятных условиях При расчете испарения с почвы свободной от снега рассматриваются

три типа поверхности с учетом занимаемой ими площади элементарной ячейки сетки Вводятся следующие обозначения

А„ - доля суши, покрытая слоем осадков или сконденсировавшейся влаги на растительности и почве,

Ау(7- Ли,) - доля суши с сухой (без накопленной воды) растительностью, где Ау - доля суши, занятая растительностью в ячейке модельной сетки, (1-Ау)(1-А„) - доля сухой почвы без растительного покрова Полное испарение представляет собой сумму испарений с соответствующих долей почвы

Е= ¿А+ А/1 - Ак)Еу+(1-АуУ1-Аж)Е,, (1)

здесь

Е„ - испарение перехваченных осадков,

= (11) га

га =(СйК|Г'- аэродинамическое соггротивяение, Ук- скорость ветра на нижнем модельном уровне, р- плотность воздуха; <?„1(Т1,/\) - удельная влажность насыщения воздуха при температуре Т, на границе раздела воздух-почва, С„-коэффициент обмена; - удельная влажность на нижнем модельном уровне Еу — транспирация с сухой доли растительного покрова,

(12)

гс - сопротивление растительного покрова Ее — испарение с оголенной (без растительности) почвы

е8 =-Р2-{ч„ -дяа.,Р,)), (13) г„

Доля суши А„, занятая резервуаром перехваченных осадков определяется отношением влагосодержания этого резервуара к его максимально возможному влагозапасу

Aw = mm 1,---, (2)

где Ww - влагосодержание (м) этого резервуара, a Wwmx - максимально возможный его влагозапас, который рассчигываетея по формуле

Wwmx=[AvLAI+(J-Av)\Wrlax, (3)

где Lai — индекс лиственного покрова, W^ - максимальное количество воды, которое может накапливаться на одном листе или сохраняться в виде пленки на гладкой поверхности Изменение запаса воды в нем описывается уравнением

(4)

здесь AwEw- испаряющаяся (или конденсирующаяся, в зависимости от знака) вода с влажной растительности (почвы)(кг м2с"'), Л„- перехваченная листвой часть осадков

(кг м2с-'), которая затем может испаряться Поскольку этот водный резервуар имеет очень малую влагоемкостъ, он может заполняться и полностью испаряться за один временной шаг Чтобы избежать вычислительных проблем при решении уравнения (4), используется методика, предложенная в работе [УПегЬо&Ве^ааге, 1995] Принимая во внимание соотношение (2), с учетом которого Д„ (№„)£„ линейно зависит от уравнение (4) можно представить в виде

-WJ , г

лХХ+^Нс'-с)

(5)

Д/

Здесь И^"1- новая величшш влагозапаса резервуара перехваченных осадков после учета испарения Уравнение (5) гарантирует положительное значение УС"1 Фактичесвая скорость испарения из водного резервуара на растительности вычисляется по разности р„(дг)~1|и'"|-и'£) Часть осадков, перехватываемая листвой и накапливаемая в водном резервуаре, вычисляется по формуле

c,AvP ,pw-

w _ w1+1

*' mr »» M'

(6)

P — PI ¡1 - количество осадков с учетом неоднородности их распределения в ячейке Осадки выпадают на доли площади ju ячейки сетки, Р- фактические атмосферные осадки, с, - эффеьтивнын коэффициент перехвата осадков листвой (с,=0 25) Параметр, характеризующий неоднородное выпадение осадков в ячейке сетки зависит от типа осадков, для конвективных осадков /¿=0 5, для крупномасштабных осадков /¿= 1

Метод параметризации перехвата осадков листвой, предложенный в работе [Viterbo and Beljaars, 1995] и основанный на первоначальной идее Руттера [Rutter et al, 1972, Rutter et al, 1975], являете! одним из наиболее упрощенных методов, обеспечивающих сохранение массы воды

Трапспирация Корневая система растений располагается равномерно в трех верхних слоях почвы, рассматриваемых в модели, а для высокой растительности (лес) - в четырех слоях Извлекаемая корневой системой вода со всего деятельного слоя почвы равна транспирацри воды с растительного покрова в атмосферу Скорость испарения с растительности той части влаги, которая извлекается корневой системой, зависит от ряда факторов, в том числе от активной части солнечной радиации и от доступной для транспирации почвенной влаги, определяемой в зависимости ог величины полевой влагоемкости и влажности увядания растений

При вычислении испарения с почвы без растительного покрова используется параметр р, характеризующий эффективность испарения

В третьем параграфе приводится описание расчета поверхностного стока в модели Поверхностный сток рассчитывается по методу, предложенному в работе [L Dumeml and Е Todim, 1992], предполагающему неявный учет подсеточной неоднородности максимальной влагоемкости почвы Величина поверхностного стока зависит от влагосодержания верхнего слоя и количества влаги, поступающей на поверхность почвы

В четвертом параграфе рассматривается система уравнений для описания водного баланса деятельного слоя почвы Водный баланс почвы определяется интенсивностью осадков, таянием снега, испарением, транспирацией влаги посредством корневой системы растительности, а также переносом влаги в нижележащие слои путем гидравлической проводимости и вертикального диффузного обмена Влагоемкость почвы зависит от ее типа В качестве характеристики влагосодержания почвы используется объемная влажность почвы 0(м3/м3) Расчет влагосодержания деятельного слоя почвы производится с помощью четырехслойной модели, толщины слоев которой совпадают с толщинами слоев в модели теплообмена В расчетах используются уравнения, описывающие диффузию и транспирацию воды растениями и гидравлическую проводимость в рассматриваемом слое почвы На границе раздела атмосфера-почва используется условие баланса влаги, на нижней границе деятельного слоя почвы полагается, что отсутствует гидравлическая диффузия и проводимость

При реализации описанной схемы использовались следующие глобальные архивы данных географические распределения растительного покрова и лесов (доля растительности и леса в ячейке сетки), индекса лиственного покрова, полевой влагоемкости почвы, шероховатости растительного покрова, альбедо бесснежной поверхности

В пятом параграфе выполнен анализ качества воспроизведения современного климата моделями ГГО в рамках Международного проекта по сравнению атмосферных моделей АМ1Р Во второй фазе этого проекта (АМ1Р-П) участвовала версия модели ГГО Т30Ы4 (МОО-2), в которую, помимо новой схемы параметризации процессов тепло- и влагообмена на подстилающей поверхности и в деятельном слое суши, был внесен ряд изменений в описание других физических процессов, включая расчет облачности В рамках испытания новой версии модели атмосферы МвО-2 проводился всесторонний анализ расчетных характеристик климата и валидация их относительно данных наблюдений на водосборах крупных рек (Амазонка, Волга, Енисей, Конго Лена, Миссисипи, Обь), водосборе Балтийского моря и в регионах с особыми условиями климатического режима (Антарктида, Аравия, Гренландия, Индостан, арктический бассейн, отдельные акватории Атлантического и Тихого океанов) Сравнения данных, рассчитанных по моделям и полученных из наблюдений, проводились для отдельных составляющих теплового баланса (температура воздуха у поверхности Земли, радиационный баланс у поверхности, а также основных составляющих водного баланса (осадки, испарение, сток, влагосодержание в столбе атмосферы)

На рис 1 показан сезонный ход температуры воздуха у поверхности Земли, рассчитанный в моделях и полученный по данным наблюдений на водосборах Результаты анализа показывают, что, как правило, ансамблевые характеристики климата лучше согласуются с данными наблюдений, чем каждая отдельно взятая модель Причиной тому являются следующие обстоятельства каждая модель содержит только ей присущие систематические ошибки, разные по величине и

знаку. Ксли рассматривается ансамбль независимых моделей, ошибки каждой такой модели являются, как прашшо, случайными и поэтому фильтруются при осреднении но достаточно большой выборке моделей. Это означает, что расчеты характеристик климата по ансамблю можно рассматривать как заслуживающие доверия для тех переменных, наблюдения за которыми вообще отсутствуют.

Волга-Урал АМ1РI АМ1РII

Енисей АМ1РI АМ1РII

Рис.1. Годовой ход приземной температуры воздуха (град. С) на водосборах рек Волга-Урал и Енисей, рассчитанный в модели атмосферы ГГО ( для АМ1Р-1 и АМ/Р-1Г), и полученный по данным наблюдений. 1-модель ГГО, 2- данные наблюдений. Темная штриховка - область, п которую попадают 50% средних модельных значений характеристики, светлая штриховка - то же, но дли 80%. Белая линия - среднее по ансамблю моделей данной выборки.

Проведенный анализ показал, что современные модели достаточно реалистично воспроизводят региональный климат, особенно его термический режим. Несколько меньший разброс оценок годового хода также показывает, что качество моделей АМ1Р-П выше по сравнению с моделями АМ1Р-1 практически по всем рассмотренным характеристикам. Это в равной степени относится и к новой версии модели атмосферы ГГО. Однако правильный расчет региональных осадков является наиболее сложной задачей для многах моделей атмосферы, включая модель ГГО. Заметные погрешности осадков обнаруживаются в расчетах амплитуды и фазы годового хода на ряде водосборов (например, р. Енисей, рис,2), Корреляция модельных осадков с данными наблюдений оказывается ниже, чем корреляции по другим характеристикам. Более того, независимо полученные климатические архивы осадков показывают значительные расхождения между собой, указывая тем самым, что качество этих баз данных невысокое.

Енисей АМ1РI АМ1РII

Рис.2. Сезонный ход осадков (см/сут) водосбор р.Енисея, рассчитанный в моделях и полученный по данным наблюдений. 1-модель ГГО, 2, 3 - данные наблюдений.

Глава 3. Влияние аномалий влажности почвы на предсказуемость режимов атмосферы.

В этой главе исследуется влияние аномалий влагоеодержания почвы на месячную и сезонную предсказуемость атмосферных режимов в различных регионах земного шара, включая территорию России и рассматривается потенциальная возможность улучшения качества месячных и сезонных прогнозов приземной температуры воздуха и осадков путем возможного использования в прогностической системе крупномасштабных характеристик влажности почвы. В

современных прогностических системах в качестве начальных используются рассчитанные по модели (климатические) распределения влажности Исследование выполнено на основе серии экспериментов с моделью общей циркуляции атмосферы T42L14, включающей новую схему параметризации процессов на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы

Первый параграф описывает постановку экспериментов, целью которых было определение так называемой потенциальной месячной (сезонной) предсказуемости приземной температуры воздуха и осадков, т е максимально достижимого теоретически уровня предсказуемости, обусловленного влиянием аномалий влажности деятельного слоя почвы на континентах Tat ого рода оценки можно получить, если принять в качестве реального состояния атмосферы результаты расчетов по «идеальной» модели общей циркуляции атмосферы, считая, что эта модель не содержит систематических ошибок, а используемые данные наблюдений обладают достаточной точностью и полнотой Серия численных экспериментов была выполнена с указанной моделью атмосферы и деятельного слоя почвы при заданных фактических значениях среднемесячных ТПО за период 1979-1999 годы Средние суточные глобальные поля большого набора переменных, как для атмосферы, так и для деятельного слоя почвы, рассчитанные за период 1979-1999 годы, рассматривались как отражающие реальное (контрольное) состояние атмосферы, при котором атмосфера и деятельный слой почвы являются термодинамически согласованными

Затем были проведены две серии ансамблевых сезонных прогнозов для того же самого периода В первой серии прогнозов в качестве начальных условий использовались инициализированные поля характеристик атмосферы и деятельного слоя почвы, то есть учитывались аномалии влагосодержания и температуры деятельного слоя почвы, полученные в контрольном эксперименте Во второй серии инициализированными были лишь атмосферные поля, а за начальное состояние влажности и температура почвы были взяты осредненные поля за 1979-1999 годы Другими словами, в первом случае на континентах учитывались аномалии влажности почвы в начальных данных (если таковые присутствовали) Во втором случае в качестве начального распределения влажности и температуры почвы использовался модельный климат Каждый прогноз включал шесть членов ансамбля и выполнялся сроком на четыре месяца от первого дня апреля, мая, июня и июля, когда роль влагообмена между атмосферой и подстилающей поверхностью становится наиболее заметной

Второй параграф посвящен анализу выполненных экспериментов По результатам ансамблевых расчетов были выполнены оценки потенциальной предсказуемости ряда характеристик атмосферы и подстилающей поверхности Для получения этой оценки использовался метод дисперсионного анализа, известный в зарубежной литературе как ANOVA За оценку предсказуемости R2

принимается отношение изменчивости, обусловленной влиянием граничных условий (аномалиями температуры океана и влажности почвы), к полной изменчивости исследуемой характеристики

R2\SV S2,

где SV изменчивость, вызванная влиянием граничных условий, S2= S\c+ S2,c -суммарная изменчивость S2,c- изменчивость, обусловленная непредсказуемыми вариациями атмосферной циркуляции

Оценки успешности прогнозов 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 и соседних регионов (Балтийский регион, водосборы рек 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

Анализ показал, что прогнозы, выполненные от начальной даты 1 апреля за период 1979-1999 гг с учетом и без учета аномалии влажности поче.ы на континентах не показывают заметных различий в успешности расчетов средних месячных и Ю-суточных значений приземной температуры воздуха и осадков на территории России Это было вызвано тем, что влаго- и теплообмен между подстилающей поверхностью и атмосферой еще недостаточно интенсивен в это время года в средних широтах и поэтому не оказывает заметного влияния на процессы вблизи поверхности Земли и в нижней тропосфере Однако в сериях расчетов, которые начинались от 1 июня, влияние аномалий влажности почвы становятся уже заметшими Сравнительный анализ местных прогнозов, рассчитанных при инициализированной (с учетом аномалий) и климатической (без учета аномалий) влажности почвы в начальный момент показывает, что первые имеют более высокую успешность для некоторых переменных вблизи поверхности Земли по сравнению со вторыми Это преим'дцество особенно хорошо выражено в распределеших коэффициентов корреляции для аномалий приземной температуры поздуха в средних и низких широтах на первый месяц прогноза (Рис 3) На второй месяц более высокие коэффициенты корреляции при инициализации влажности почвы сохраняются только для низких широт Аналогичная картина обнаруживается в распределениях коэффициента корреляции для аномалии 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 практически отсутствует для средних широт и слабо проявляется лишь в отдельных регионах тропической зоны на первый и второй месяцы прогноза

Дон л Днепр

Вогтаи Урал

907050 ■ 3010-10

мкль аяуст сентябрь месяцы

90 -j 7050 -30 -10-10 -

тгг

пь август сентябрь

№СЯ1*>1

Обь

эо 70 -50 -30 -10 --10 -

т-|-1 т—- I

п-, ГШ ,

июль август сентябрь месяцы

Окпим. Шиниц.

Рис.3 Корреляция между прогностическими и «фактическими» средними месячными аномалиями приземной температуры воздуха в экспериментах с инициализированными и климатическими начальными значениями влажности почвы

Глава 4. Расчет эволюции характеристик гидросферы и криосферы суши в 20-м и 21-м веках с использованием ансамбля глобальных климатических моделей нового поколения.

В четвертой главе приведены результаты исследования водного баланса на водосборах крупных рек и элементов криосферы (снежного покрова и многолетне мерзлых и сезонномсрзлых грунтов) на основе ансамблевых расчетов с МОЦАО нового поколения. В качестве МОЦАО нового поколения рассматривались глобальные модели климата, которые принимали участие в подготовке 4-го доклада Межправительственной группы экспертов по изменению климата. В анализе использованы результаты расчетов по 21 МОЦАО. Основное внимание уделяется российским регионам.

В первом параграфе анализируются особенности воспроизведения современными МОЦАО осадков и испарения на водосборах Оби, Енисея и Лены. Сравнение модельных расчетов с оценками [Serres et al., 2003], полученными на

основе данных наблюдений, а также с данными реанализа ERA-40 для периода 1960-1989 гг показало, что рассчитанные осадки заметно различаются между моделями, особенно летом, но при этом большинство моделей реалистично воспроизводят сезонный ход осадков, характеризующийся летними максимумами и зимними минимумами Исключение составляют две модели (GISS-ER и GISS-ЕН), 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 GUIS) занижает летние осадки в бассейне Оби и завышает осадки в отдельные сезоны в остальных бассейнах Среди вероятных причин отклонений расчетных осадков от наблюдаемых следует отметить погрешности в расчетах атмосферной цир»уляции зимой и разнообразие используемых в МОЦАО параметризаций атмосферной конвекции и гидрологии суши Относительно среднегодового количества осадков можно сказать, что модели успешно воспроизводят наблюдаемые значения для рассматриваемых бассейнов Различия между средними по ансамблю и данными наблюдений для Оби и Енисея не превышают 0 1 мм/сут, доя Лены различия составляют 0.2 мм/суз.

Среднегодовая разность Р-Е над крупными водосборами суши является мерой среднегодового речного стока Среднегодовые оценки Р-Е, полученные по ансамблю моделей, также хорошо согласуются с данными наблюдений соответственно, 041 против 0 48 мм/сут для Оби, 0 52 против 055 мм/сут для Енисея, 0 49 против 0 51 мм/сут для Лены. Эволюция модельных осадков и стоков с водосборов в первые две трети 20-го века не показывает каких-либо систематических тенденций

В 21-м веке осадки на рассматриваемых водосборах возрастают не во все сезоны Например, в бассейне Оби примерно половина моделей в концу 21-го века дает уменьшение летних осадков дня сценария А2 Среднегодовые значения Р-Е над водосборами и, соо гветственно, речного стока возрастают во всех сценариях Из трех рассматриваемых крупнейших российских рек наиболее значительное относительное увеличение стока получилось для Лены (33% к концу 21-го века дня сценария А2), наименьшее - для Оби (14% для А2, ср с 20% Лены для «слабого» сценария В1}. Увеличение накопленной к концу зимы массы снега и увеличение скорости его таяния весной повышает вероятность крупных весенних паводков на водосборах Енисея и Лены

Во втором параграфе кратко изложено описание криосферных компонентов МОЦАО и метод расчета параметров многолетнемерзлых грунтов МОЦАО позволяют рассчитывать климатические изменения отдельных элементов криосферы, а также исследовать их связь с другими характеристиками климатической системы Некоторые МОЦАО позволяют рассчитывать термическую структуру многолетнемерзлых слоев благодаря учету в почвешюм блоке фазовых переходов влаги и особенностей теплопереноса при наличии в почве ледяных вкраплений, однако положительная обратная свя:,ь между таянием

многолетнемерзлых грунтов и потеплением климата за счет дополнительной эмиссии парниковых газов ни в одной из этих моделей не учитывается

В последнее десятилетие традиционным стал автономный метод расчета эволюции многолетнемерзлых грунтов, в котором на границе раздела поверхность земли-атмосфера задается температура и толщина сне кного покрова, полученные в МОЦАО, а также задаются характеристики гех или иных типов грунтов и видов растительности В настоящей работе для расчета характеристик многолетнемерзлых грунтов использована одномерная многоуровенная модель теплопередачи в грунтах, подробно описанная в [Malevsky-Malevich et al, 2001, Малевский-Малевич и др, 2005] Входными параметрами схемы являются среднемесячные значения температуры поверхности покрова (растительного или снежного) и среднемесячный водный эквивалент снежного покрова, рассчитанные в узлах регулярной сетки

В третьем параграфе анализируются расчеты современного состояния и эволюции криосферы в 20-м веке МОЦАО показывают большой разброс в расчетах эволюции площади снежного покрова суши в 20-м веке, согласуясь, в целом, в оценках сокращения ее в конце 20-го века Линейные тренды среднегодовой площади снежного покрова в Северном полушарии были рассчитаны для всего 20-го века и для периода 1980-1999 гг Эти периоды выбраны в соответствии с исходным предположением о наличии антропогенного сигнала в глобальном потеплении климата в 20-м веке в целом и, особенно, в его конце [IPCC, 2001] В обоих случаях почти все члены ансамбля демонстрируют сокращение снежного покрова Для периода 1980-99 гг исключение составляют 2 модели (INM_C'M3 0 и ECHAM5/MPI-OM) Величина тренда для всей совокупности модельных данных оказываете? сопоставимой с соответствующей оценкой по данным наблюдений" соответственно, -325 тыс против -396 тыс км2/10 лет Тренда площади снега для всего 20-го века систематически меньше, а величина среднего по ансамблю тренда среднегодовой площади снега составляет -62 тыс км2/10 лет (соответствующая оценка для наблюдаемого тренда отсутствует) Учитывая неопределенность относительного вклада дохл опериодной естественной изменчивости в наблюдаемое глобальное потепление, полученное согласие трендов можно расценивать как весьма обнадеживающее

К числу наблюдаемых характеристик вечной мер.шоты (ВМ) и наиболее востребованных ,цля практических целей относится глубина сезонноталого слоя (СТС), а в регионах, в которых ВМ отсутствует — глубина сезонномерзлого слоя (CMC) До недавнего времени отсутствовали систематизированные данные по эволюции термического состояния грунтов, которые позволяли бы проверить модельные расчеты ВМ, осредненные по регионам достаточно большого пространственною масштаба Недавно была предпринята попытка обобщения данных стандартных наблюдений за температурой почвы на разных глубинах в слое 0-3 2 м [Frauenfeld et al, 2004] для территории России Статистический анализ был выполнен для двух больших массивов данных, разделенных по принципу

наличия сезонного иротаивания в районах ВМ или, наоборот, сезонного промерзания в районах, которые характеризуются отсутствием ВМ в верхнем трехметровом слое почвы Расчетные глубины СТС и CMC осреднены по соответствующим регионам Применение аналогичного анализа к расчетным вертикальным распределениям температуры в узлах регулярной одноградусной сетки, позволяет сопоставить модельные данные и данные, полученные на основе наблюдений Результат такого сопоставления для периода 1930-1990 гг показан на рис 4 На рисунке приведены отклонения глубин СТС и CMC от среднего значения соответствующих характеристик за период 1930-1990 гг Модельные значения осреднены по ансамблю из 11 моделей В начале рассматриваемого периода согласование расчетных и экспериментальных характеристик существенно хуже, чем во второй половине 20-го века Следует иметь в виду, что обработанные данные наблюдений статистически обеспечены в достаточной мере только с 1956 г Это отмечено авторами работы [Frauenfeld et al, 2004], которые отдельно вычисляют тренды изучаемых характеристик для периода 1956-1990 гг Анализ показывает, что линейный тренд модельной эволюции осредненных значений глубин СТС во второй половине 20-го века меньше выражен, чем соответствующий экспериментальный тренд за период 1956-1990 гг (6 см за 10 лет) Для глубин CMC линейный тренд удовлетворительно согласуется с трендом, полученным по данным наблюдений для периода 1956-1990 гт (-10 см за 10 лет).

В четвертом параграфе приводятся оценки изменений КС*в 21-м веке Анализ показал, что наибольшие изменения площади вечной мерзлоты, а также глубин сезонного протаивания (промерзания) происходят при реализации сценария А2 эмиссии парниковых газов Максимальные изменения глубины СТС в конце 21-го века по отношению к базовому периоду 1980-1999гг оставляют около 2 м и сосредоточены вблизи южной границы зоны ВМ Изменения глубины CMC составляют от 10 см до 1 м Очевидный интерес представляет момент времени, когда то или иное изменение снежного покрова с заданной априори вероятностью можно расценивать как проявление глобального потепления т е как вынужденное изменение, а не результат собственной изменчивости климатической системы Анализ показал, что в Северном полушарии вынужденные изменения и среднегодовой, и февральской площади снега произошли между 1980 и 2000 гт Это происходит на фоне увеличивающегося разброса между моделями Аналогичный анализ проведен для площади, занятой ВМ Расчет выполнен в предположении, что положение нулевой изотермы на глубине Зм условно определяет границу зоны ВМ

В пятом параграфе обсуждаются приоритетные исследования, направленные на дальнейшее совершенствование учета криосферных процессов в МОЦАО

Погрешности расчетов современного состояния КС с помощью МОЦАО нового поколения, разброс в модельных оценках современного состояния и будущих изменений КС, оставляют большой простор для дальнейших исследований - как модельных, так и эмпирических Дальнейший прогресс в

,0 * АС — KPtfOcrtrp/i с,уши

уменьшении неопределенностей оценок будущих изменений климата следует связывать с совершенствованием криосферных. компонентов МОЦАО. В частности, предметом дальнейших исследований должны стать взаимодействие КС с растительностью и гидролога чески ми процессами, происходящими на водосборах арктических рек.

Развитие региональных климатических мод.с лей может обеспечить воспроизведение более реалистичной картины распределения снежного покрова на суше и характеристик ВМ на пространственных масштабах, которые не могут быть явно описаны с помощью глобальных МОЦАО.

Наконец, учет положительной обратной связи между потеплением климата и таянием ВМ за счет возможной дополнительной эмиссии парниковых газов в атмосферу в расчетах эволюции глобальной климатический системы с помощью МОЦАО может внееги коррективы в существующие оценки будущих изменений климата.

0.25

Рис.4 Отклоненая [м! глубин сезонного протаивают (слева) и сезонного промерзания (справа) от соответствующего среднего значения за период 19301990 гг. по данным модельных расчетов (белая линия) и данным наблюдений (черная линия ) {ргаиеп/еЫ ег а!., 2004]. Выделенная серым цветом область показывает разброс модельных оценок - зону, в которую попадают 75% средних модельных значений. Черная прерывистая линия - линейный тренд, рассчитанный по данным наблюдений за период 1930-1990 гг.

Заключение

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы:

1. Разработана и использована 8 исследованиях новая схема параметризации процессов на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы, включающая учет влияния растительности и более легальное описание гидрологических процессов на поверхности и в деятельном слое почвы. 1. По результатам экспериментов, выполненных е рамках международных шздектов АМ1Р-1 и АМ1Р-Н, проведен анализ качества воспроизведения современными МОДА сезонных особенностей различных характеристик климата на водосборах крупных рек земного шара. Показано, что:

• современные модели достаточно реалистично воспроизводят основные характеристики регионального климата, особенно термический режим вблизи подстилающей поверхности,

• качество моделей АМ1Р-П улучшилось, по сравнению с АМ1Р-1,

• результаты моделирования современного климата с помощью новой версии МОЦА ГГО, которая участвовала в АМ1Р-И, оказались существенно лучше полученных с предыдущей версией модели (АМ1Р-1),

• во всех без исключения рассмотренных моделях атмосферы качество расчета региональных осадков остается недостаточно высоким и требует дальнейшего улучшения

3 С помощью МОЦА ГГО исследовано влияние аномалий влагосодержания почвы на месячную и сезонную предсказуемость режимов атмосферы над различными регионами земного шара и особенно над территорией России В результате проведенных экспериментов установлено следующее

• учет аномалий влагосодержания деятельного слоя почвы может увеличивать успешность предсказания средних аномалий некоторых метеорологических переменных, в частности, приземной температуры воздуха, на временных масштабах до сезона,

• повышение успешности зависит от многих факторов и, особенно, от рассматриваемого региона и сезона Заметное повышение успешности прогнозов приземной температуры наблюдается летом в северной Евразии на сроки до одного месяца В низких широтах более высокая успешность прогнозов приземной температуры может наблюдаться на сроки до сезона,

• для летних месяцев учет влажности почвы может повысить месячную и даже сезонную предсказуемость приземной температуры воздуха преимущественно в южных регионах России,

• начальные аномалии влажности почвы практически не сказываются на прогнозе осадков,

• 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

4 На основе ансамблевых расчетов с МОЦАО нового поколения проанализирована эволюция осадков и испарения на водосборах Оби, Енисея и Лены в 20-м и 21-м веках Проведенный анализ показал, что

• характерной особенностью модельных расчетов гидрологических характеристик для рассмотренных водосборов является значительный разброс между моделями, но применение ансамблевого осреднения позволяет получить удовлетворительное согласие с данными наблюдений

• в 21-м веке осадки на рассматриваемых водосборах возрастают преимущественно зимой Среднегодовые значения Р-Е на водосборах и,

соответственно, речной сток в Северный ледовитый океан возрастают при всех сценариях роста парниковых газоь

• Рост накопленной в конце зимы массы снега и увеличение скорости его таяния весной повышает вероятность крупных весенних паводков на водосборах рек Енисея и Лены

5 На основе ансамблевых расчетов с МОЦАО нового поколения и одномерной многоуровенной моделью теплопередачи в грунтах, выполнен расчет эволюции криосферы суши в 20-м и 21-м веках Анализ эволюции элементов криосферы (снежного покрова суши и многолетнемерзлых и сезонномерзлых слоев почвы) показгл следующее

• современные границы снежного покрова суши удовлетворительно воспроизводятся ансамблем моделей в целом, при этом модели показывают значительный разброс оценок площади и толщины снега В среднем, согласуясь с наблюдаемыми трендами, модельные тренды характеристик снежного покрова суши существенно возрастают к концу 20-го века

• Положение наблюдаемой границы многолетнемерзлых грунтов удовлетворительно воспроизводится по данным ансамбля МОЦАО Тренды аномалий глубин СТС и CMC, осредненные по соответствующим регионам, согласуются с трендами натурных аномалий

• Изменения криосферы суши в результате роста содержания парниковых газов в атмосфере становятся статистически значимыми на уровне 5% уже в последние десятилетия 20-го века

• Смещение границы зоны вечной мерзлоты к северу под влиянием потепления климата к концу 21-го века существенно зависит от сценария эмиссии парниковых газов и аэрозолей Диапазон изменений глубины СТС по отношению к современным значениям составляет от 20см до 2м, а диапазон изменений глубины CMC — от 10 см до 1м Модельные оценки позволяют отчетливо выделить переходную зону, в которой на протяжении 21-го века режим протаивания может с мениться режимом промерзания

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах в рецензируемых исурналах, входящих в перечень ВАК

1 Павлова ТВ, В М. Катцов, ЕД Надежина, ПВ Спорышев, В А Говоркова Расчет эволюции криосферы в 20-м и 21-м веках с использованием глобальных климатических моделей нового поколения //Криосфера Земли -2007 (в печати) 2. Малевский-Мачевич СП, Молысентин ЕК, Надежина Е.Д, Павлова ТВ, Семиоишна А А Моделирование и анализ возможностей экспериментальной проверки эволюции термического состояния многолетнемерзлых грунтов II Криосфера Земли -2007 -т 11 -№ 1 -С 29-36

3 Kattsov VM, Walsh JЕ, Chapman WL, Govorkova VA, Pavlova TV, Zhang, X Simulation and projection of arctic freshwater budget components by the IPCC AR4 global climate models // Journal of Hydrometeorology - 2007 - Vol 8 (in press)

4 Мапевский-Малевич СП, Мольхентин ЕК, Надежина Е.Д, Павлова ТВ Модельные оценки изменений температуры воздуха и эволюция теплового

состояния многолетнемерзлых пород // Криосфера Земли, 2005 - т 9 — № 3 -С 36-44

5 Малевский-Малевич СП, Молькентин ЕК, Надежшм Е.Д, Павлова ТВ, Шкляревич ОБ Оценки возможных изменений глубин протаивания многолетнемерзлых грунтов на территории России в XXI веке // Метеорология и щдрология -2003 -№ 12 - С 80-88

6 Катцов В М, Вавулип С.В, Говоркова В А, Павлова ТВ Сценарии изменения климата Арктики в 21-м веке // Метеорология и гидрология - 2003 - № 10 -С 5-19

7 Walsh, J.E, Kattsov V., Chapman W, Govorkova V., Pavlova T Companson of Arctic climate simulations by uncoupled and coupled global models // Journal of Climate -2002 - Vol 15 -P 1429-1446

8 Школьник ИМ, Мелешко В П, Павлова ТВ Региональная гидродинамическая модель атмосферы для исследования климата на территории России // Метеорология и гидрология -2000 -№4 -С 32-49

9 Kamtfoe В М, Мелешко В.П, Гаврилгта В М, Говоркова ВА , Павлова ТВ Пресноводный бюджет полярных регионов по оценкам моделей общей циркуляции атмосферы // Известия РАН' Физика атмосферы и океана - 1998 -№4 -С 479-489

Публикации в других изданиях:

10 Спорышев ПВ, Мелешко ВП, Павлова ТВ, Говоркова В А, Матпюгин В А Влагооборот бассейна Каспийского моря, наблюдаемый и рассчитанный по моделям общей циркуляции атмосферы // В сборнике Гидрометсоропогические аспекты проблемы Каспийского моря и его бассейна Ред И А Шикломанов, А.С Васильев -2003 - СПб, Гидрометеоиздат С 6-23

11 Павлова Т.В, Мелешко ВП, Говоркова В А Характеристики теплового и водного баланса на водосбор,ix крупных рек в модели атмосферы ГТО, рассчитанные рамках междуна]юдного сравнения моделей атмосфер].! AMIP-I и AMIP-II // Моделирование общей циркуляции атмосферы и климата Труды ГТО им А И Воейкова 2001 -Вып 550 -С 85-109

12 Шнееров БЕ, Мелешко ВП, Матпюгин ВА, Спорышев ПВ, Павлова ТВ, Вавулин С.В, Школьник ИМ, Зубов ВА, Гаврилина ВМ, Говоркова В А. Современное состояние глобальной модель обшей циркуляции атмосферы ГГО (версия MGO-2) // Моделирование общей циркуляции атмосферы и климата Труды ГГО им А И Воейкова 2001 -Вып 550 - С 3-43

13 Pavlova Т, V Kattsov, V Meleshko Systematic Errors in the IPCC AR4 Model Simulations of Atmospheric and Terrestrial Components of the Arctic Ocean Freshwater Budget // WGNE/PCMDI Systematic Errors Workshop (12-16 February, 2007, San Francisco, USA) -2007 -P 79

14 Pavlova, TV, Malevsky-Malevich, SP, Molkentm EK, NadyoThina ED An Assessment of Deep Ground Tem perature Spatial Distributions in Permafrost Regions of Russia // Terra Nostra Abstracts of the Second European Conference on Permafrost, 12-16 June 2005 Potsdam, Germany, P 143

15 Kattsov V, Pavlova T, Govorkova V High-latitude climate in the 20th and 21st century as simulated with IPCC AR4 models // Proc "The 3rd Korea-Russia Joint Workshop on Climate Change and Variability" June 7-8,2005, KMA, Korea - 2005 - P 1 2 2-1 2 3

16 Катцов В M, Алексеев Г В, Бекряев Р В, Вавулин СВ, Говоркова В А, Павлова ТВ, Спорышев ПВ Высокие широты в глобальных климатических моделях расчеты современного климата и его возможных изменений в 21-м веке // Всемирная конференция по изменению климата (29 сентября - 3 октября 2003, Москва) Тезисы докладов -2003 -С 215

17 Meleshko VP and Т V Pavlova Impact of Soil Moisture on Seasonal Predictability m the Northern Eurasia // Proceeding of APCN Symposium on Multi-Model Ensemble Prediction, 7-10 October 2003, Jeju Island, Republic of Korea

18 Meleshko VP, TV Pavlova, and VA Govorkova AMIP Simulations of the Heat and Water Budgets over Major River Watersheds //Proc WCRP/WGNE Workshop "The Second Phase of the Atmospheric Model Intercompanson Project (AMIP2) Toward Innovative Model Diagnostics Gleckler P. (ed) -Meteo-France, Toulouse, France, 1114 November, 2002 -UCRL-PROC-209115 -P 187 -188

19 Павлова ТВ Моделирование составляющих теплового и водного баланса на водосборах крупных рек с помощью модели общей циркуляции атмосферы ГГО // Сборник трудов конференции молодых ученых «Гидродинамические методы прогноза погоды и исследования климата», посвященной 80-легию Отдела динамической метеорологии ГТО -2002 - С 104-120

20 Kattsov VM, Govorkova VA, Pavlova TV, Walsh JE, Chapman W GCM simulations of atmospheric fields affecting air-sea-ice coupling m the Arctic // "Model Systematic Errors" 12th Annual BMRC Modelling Workshop 16-20 October 2000 / Jasper J D, Meighen PJ (eds) - 2001 - BMRC Rpt No 80 - P 79-82

21 Шнееров БЕ, Мелешко ВП, Соколов АП, Шейнин ДА, Любанская ВА, Спорышев ПВ, Матюгин В А, Катцов ВМ, Говоркова В А, Павлова ТВ Глобальная модель обшей циркуляции атмосферы и верхнего слоя океана ГГО // Прогноз погоды и физика атмосферы Тр Главной геофизической агмосферы им А И Воейкова -1997 -вып544 - С 3-123

22 Kattsov VM, Pavlova TV, Govorkova VA Heat and Water Budgets over the Northern Polar Region as Estimated from 14 Atmospheric General Circulation Models // WCRP Proc ACSYS Conference on the dynamics of the Arctic Climate System (7-10 November 1994, Goteborg, Sweden) - 1994 - WCRP-94, WMO/TD-No 760 -P 199-203

Отпечатано с готового оригинал-макета в ЦНИТ «АСТЕРИОН» Заказ № 118 Подписано в печать 18 04 2007 г Бумага офсетная Формат 60х84'/16 Объем 1,5 п л Тираж 100 экз Санкт-Петербург, 191015, а/я 83, тел /факс (812) 275-73-00, 275-53-92, тел 970-35-70

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Павлова, Татьяна Викторовна

Введение.

Глава 1. Современные методы расчета процессов на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы.

Глава 2. Методы параметризации процессов на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы в климатических моделях ГТО.

2.1 Термический режим деятельного слоя почвы.

2.2 Испарение с подстилающей поверхности.

2.3 Поверхностный сток.

2.4 Водный баланс почвы.

2.5 Валидация новой версии МОЦА ГГО.

Глава 3. Влияние аномалий влажности почвы на предсказуемость режимов атмосферы.

3.1 Постановка экспериментов.

3.2 Результаты исследования.

Глава 4. Расчет эволюции характеристик гидросферы и криосферы суши в 20-м и 21-м веках с использованием глобальных климатических моделей нового поколения.

4.1 Гидрологический режим в 20-м и 21-м веках на водосборах сибирских

4.2 Криосфера суши в МОЦАО нового поколения.

4.3 Расчеты эволюции криосферы суши в 20-м веке.

4.4 Оценки изменений криосферы суши в 21-м веке.

4.5 Приоритеты дальнейшего развития криосферных компонентов.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование процессов тепло- и влагообмена на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы с помощью глобальных климатических моделей"

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 периоды аномально высоких летних температур, наблюдавшихся 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, большая часть территории 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 СНС («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 нескольких сот 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, валидация новой версии МОЦА ГТО

• 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 исследования является разработанная и включенная в МОЦА ГТО 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 являются новыми.

На основе расчетных данных по ансамблю МОЦАО нового поколения выполнены оценки современного состояния и возможного в 21-м веке изменения гидрологического режима для водосборов крупных рек, а также пространственных распределений снежного покрова, глубин сезонноталого слоя и глубин сезонномерзлого слоя. 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 с привлечением большого объема данных наблюдений для оценки полученных результатов.

Во второй главе дается описание новой схемы параметризации процессов на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы, разработанной и реализованной в глобальной модели атмосферы ГГО. Приводится анализ качества расчетов современного климата при заданной температуре океана и морского льда с учетом прежней и новой схем параметризации процессов на подстилающей поверхности, также с учетом уточненных схем расчета конвекции и многоярусной слоистой облачности. Расчеты и сравнительный анализ проводились в рамках двух международных проектов по сравнению атмосферных моделей AMIP-I и AMIP-II.

В третьей главе исследуется влияние аномалий влагосодержания почвы на месячную и сезонную предсказуемость атмосферных режимов в различных регионах земного шара, включая территорию России и рассматривается потенциальная возможность улучшения качества месячных и сезонных прогнозов приземной температуры воздуха и осадков путем возможного использования в прогностической системе крупномасштабных характеристик влажности почвы.

В четвертой главе приведены результаты исследования водного баланса на водосборах крупных рек и характеристик криосферы (снежного покрова и многолетнемерзлых и сезонномерзлых грунтов) на основе ансамблевых расчетов с МОЦАО нового поколения. В качестве МОЦАО нового поколения рассматривались глобальные модели климата, которые принимали участие в подготовке 4-го доклада Межправительственной группы экспертов по изменению климата. В анализе использованы результаты расчетов по 21 МОЦАО.

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Павлова, Татьяна Викторовна

Заключение

В работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана и использована в исследованиях новая схема параметризации процессов на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы, включающая учет влияния растительности и более детальное описание гидрологических процессов на поверхности и в деятельном слое почвы.

2. По результатам экспериментов, выполненных в рамках международных проектов AMIP-I и AMIP-II, проведен анализ качества воспроизведения современными МОЦА сезонных особенностей различных характеристик климата на водосборах крупных рек земного шара. Показано, что:

• современные модели достаточно реалистично воспроизводят основные характеристики регионального климата, особенно термический режим вблизи подстилающей поверхности;

• показано, что качество моделей AMIP-II улучшилось, по сравнению с AMIP-I;

• результаты моделирования современного климата с помощью новой версии МОЦА ГГО, которая участвовала в международном проекте AMIP-II, оказались существенно лучше полученных с предыдущей версией модели (AMIP-I);

• во всех без исключения рассмотренных моделях атмосферы качество расчета региональных осадков остается недостаточно высоким и требует дальнейшего улучшения.

3. С помощью МОЦА ГГО исследовано влияние аномалий влагосодержания почвы на месячную и сезонную предсказуемость режимов атмосферы над различными регионами земного шара и особенно над территорией России. В результате проведенных экспериментов установлено следующее:

• повышение успешности зависит от многих факторов и, особенно, от рассматриваемого региона и сезона. Заметное повышение успешности прогнозов приземной температуры наблюдается летом в северной Евразии на сроки до одного месяца. В низких широтах более высокая успешность прогнозов приземной температуры может наблюдаться на сроки до сезона;

• для летних месяцев учет влажности почвы может повысить месячную и даже сезонную предсказуемость приземной температуры воздуха преимущественно в южных регионах России;

• начальные аномалии влажности почвы практически не сказываются на успешности прогноза осадков на территории России;

• 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.

4. На основе ансамблевых расчетов с МОЦАО нового поколения проанализирована эволюция осадков и испарения на водосборах Оби,

Енисея и Лены в 20-м и 21-м веках. Проведенный анализ показал, что:

• в 21-м веке осадки на рассматриваемых водосборах возрастают преимущественно зимой. Среднегодовые значения Р-Е на водосборах и, соответственно, речной сток в Северный Ледовитый океан возрастают при всех сценариях роста парниковых газов.

• Рост накопленной в конце зимы массы снега и увеличение скорости его таяния весной повышает вероятность крупных весенних паводков на водосборах рек Енисея и Лены.

5. На основе ансамблевых расчетов с МОЦАО нового поколения и одномерной многоуровенной моделью теплопередачи в грунтах, выполнен расчет эволюции криосферы суши в 20-м и 21-м веках. Анализ эволюции элементов криосферы (снежного покрова суши и многолетнемерзлых и сезонномерзлых слоев почвы) показал следующее:

• современные границы снежного покрова суши удовлетворительно воспроизводятся ансамблем моделей в целом; при этом модели показывают значительный разброс оценок площади и толщины снега. В среднем, согласуясь с наблюдаемыми трендами, модельные тренды характеристик снежного покрова суши существенно возрастают к концу 20-го века.

• Положение наблюдаемой границы многолетнемерзлых грунтов удовлетворительно воспроизводится по данным ансамбля МОЦАО. Тренды аномалий глубин сезонно-талого и сезонно-мерзлого слоев, осредненные по соответствующим регионам, согласуются с трендами наблюдаемых аномалий.

• Изменения криосферы суши в результате роста содержания парниковых газов в атмосфере становятся статистически значимыми на уровне 5% уже в последние десятилетия 20-го века.

• Смещение границы зоны вечной мерзлоты к северу под влиянием потепления климата к концу 21-го века существенно зависит от сценария эмиссии парниковых газов и аэрозолей. Диапазон изменений глубины сезонно-талого слоя по отношению к современным значениям составляет от 20см до 2м, а диапазон изменений глубины сезонно-мерзлого слоя - от 10 см до 1м. Модельные оценки позволяют отчетливо выделить переходную зону, в которой на протяжении 21-го века режим протаивания может смениться режимом промерзания.

В заключение считаю необходимым поблагодарить научного руководителя Валентина Петровича Мелешко за постоянное внимание к работе и ценные рекомендации в ходе ее выполнения , а также сотрудников Отдела динамической метеорологии: В.М.Катцова, В.А.Матюгина, П.В.Спорышева, Б.Е.Шнеерова, Е.Д.Надёжину, С.П.Малевского-Малевича, И.М.Школьника за переданные знания и опыт, В.М.Гаврилину и В.А.Говоркову за помощь в организации ряда экспериментов и их анализа в данной работе, В.М.Степанову, З.П.Брынь и И.В.Малютину за практическую помощь при оформлении данной работы.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Павлова, Татьяна Викторовна, Санкт-Петербург

1. Анисимов О.А. и Нельсон Ф.Е. Влияние изменения климата на вечную мерзлоту в Северном полушарии // Метеорология и Гидрология, 1997, №5, с. 71-80.

2. Будыко М.И. Испарение в естественных условиях. Л., Гидрометеоиздат, 1948.136 с.

3. Будыко М.И. Тепловой баланс земной поверхности. Л., Гидрометеоиздат, 1956.255 с.

4. Демченко П.Ф., Елисеев А.В., Аржанов М.М., Мохов И.И. Влияние скорости глобального потепления на таяние вечной мерзлоты. // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2006. - Т.42. - №.1. -С.35-43.

5. Катцов В.М., Вавулин С.В., Говоркова В.А., Павлова Т.В. Сценарии изменения климата Арктики в 21-м веке // Метеорология и гидрология. 2003. - №10. - С.5-19.

6. Катцов, В.М., Мелешко В.П. Сравнительный анализ моделей общей циркуляции атмосферы и океана, используемых для оценок будущих изменений климата // Изв. РАН. Физика Атмосферы и Океана. 2004, т. 40, №2, с. 723-736.

7. Малевский-Малевич С.П., Молькентин Е. К., Надежина Е. Д., Павлова Т.В. Модельные оценки изменений температуры воздуха и эволюция теплового состояния многолетнемерзлых пород // Криосфера Земли, 2005, т.1Х, № 3, с. 36-44.

8. Мелешко В.П., Гаврилина В.М., Пичугин Ю.А. Шнееров Б.Е., Исследование потенциальной сезонной предсказуемости режимов атмосферной циркуляции в северном полушарии. //Труды ГГО, 2001, вып. 550,166-178

9. Ю.Менжулин Г.В. Влияние современных изменений климата и содержания углекислого газа на продуктивность сельскохозяйственных растений //Метеорология и гидрология. -1984-№4. С.95-101.

10. П.Менжулин Г.В., Стрижков Д.Г., Савватеев С.П. О физических принципах моделирования и параметризации турбулентного режима растительного покрова //Метеорология и гидрология. -1989. N.8,97-103

11. Мохов И.И., Семенов В.А., Хон В.Ч. Оценки возможных региональных изменений гидрологического режима в XXI веке на основе глобальных климатических моделей // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. -2003. Т.39. - №2. -С. 150-165.

12. Мохов И.И., Хон В.Ч. Гидрологический режим в бассейнах сибирских рек: модельные оценки изменений в XXI веке // Метеорология и гидрология. 2002. - №8. - С.77-93.

13. Павлов А.В. Мерзлотно-климатические изменения на Севере России: наблюдения и прогноз // Изв.РАН. Сер.геогр., 2003, № 6, с. 42-50.

14. Павлов А.В. Теплообмен почвы с атмосферой в северных и умеренных широтах территории СССР // Якутск, Якутское книжное издательство, 1975,302 с.

15. Шнееров Б.Е., Мелешко В.П., Соколов А.П. и др. Глобальная модель общей циркуляции атмосферы и верхнего слоя океана ГГО // Труды ГГО. 1997. Вып. 544. С. 3-123.

16. Шнееров Б.Е., Мелешко В.П., Спорышев П.В. и др. Глобальная модель общей циркуляции атмосферы ГГО: современное состояние // Труды ГГО. 1999. Вып. 547. С. 15-36.

17. Abramopoulos F, Rosenzweig С, Choudhury В. Improved ground hydrology calculations for global climate models (GCMs): soil water movement and evapotranspiration. // Journal of Climate, 1988, V. 1, p.921-941.

18. ACIA: Arctic Climate Impact Assessment. Cambridge University Press, 2005. - 1042p.

19. Arora, V.K. and G.J. Boer. A Representation of Variable Root Distribution in Dynamic Vegetation Models. // Earth Interactions,, 2003, 7, p. 1-19.

20. Bony, S., R. Colman, V. Kattsov et al. How well do we understand and evaluate climate change feedback processes? // J. Climate, 2006, V. 19, P. 3445-3482.

21. Chapman W.L., Walsh J.E. Simulations of arctic temperature and pressure by global coupled models // Journal of Climate. 2007. - V.20. p.609-632.

22. Chen Т.Н., Henderson-Sellers A., Milly P.C.D, Pitman A.J. et al. Cabauw experimental results from the Project for Intercomparison of Land-surface Parameterization Schemes. // Journal of Climate, 1997, 10, p. 1194-1215.

23. Clapp, R.B. and G.M.Hornberger. Empirical equations for some soil hydraulical properties. // Water Resour. Res., 1978, V.14, p. 601-604.

24. Claussen M., Lohmann U., Roeckner E. A global data set of land-surface parameters // Max-Planck-Institut fur Meteorologie. 1994. Report No. 135, 23 p.

25. Cosby, B.J., G.M.Hornberger, R.B Clapp, and T.R.Ginn. A statistical exploration of the relationships of soil moisture characteristics to the physical properties of soils. // Water Resour. Res., 1984, V.20, p. 682-690.

26. Darnell W.L.,W.F.Staylor, S.K.Gupta, N.A.Ritchey and A.C.Wieber. Seasonal variation of surface radiation budget derived from ISCCP-C1 data //J. Geophys.res., 1992, V. 97. P. 15741-15760.

27. Deardorff J.W. Efficient prediction of ground surface temperature and moisture with inclusion of a layer of vegetation. // Journal of Geophysical Research, 1978,83, p. 1889-1903.

28. Dickinson R.E. Modelling evapotranspiration for three dimensional global climate models. // In Climate Processes and Climate Sensitivity, Hansen J.E, Takahasi T (eds). 1984, Geophysical Monograph, vol. 29. American Geophysical Union: p.58-72.

29. Dickinson, R.E, A.Henderson-Sellers, and P.J.Kennedy. Biosphere-atmosphere transfer scheme (BATS) version le as coupled to the NCAR community climate model. // NCAR Technical Note, 1993, NCAR/TN-387+STR, Boulder, Colorado, 72 p.

30. Douville, H., Influence of soil moisture on the Asian and African Monsoons. Part II: interannual variability. // Journal of Climate, 2001,15, p.701-720.

31. Essery, R.H. and J. Pomeroy. Vegetation and topographic control of windblown snow distributions in distributed and aggregated simulations // Journal of Hydrometeorology, 2004,5(5), p. 735-744.

32. Essery, R.H., J. Pomeroy, J. Parvianen, and P. Storck. Sublimation of snow from boreal forests in a climate model // Journal of Climate, 2003, 16, p.1855-1864.

33. Fichefet, Т., С. Poncin, H. Goose et al. Implications of changes in freshwater flux from the Greenland ice sheet for the climate of the 21stcentury 11 Geophysical Research Letters, 2003, 30(17), 1911, doi: 10.1029/2003GLO17826.

34. Frauenfeld O.W., Zhang Т., Barry R.G., Gilichinsky D. Interdecadal changes in seasonal freeze and thaw depth in Russia // J.Geoph.Res., 2004, vol.109, D05101, doi: 10.1029/ 2003JD004245.

35. Frei, A., J. Miller, and D. Robinson. Improved simulations of Snow Extent in the Second Phase of the Atmospheric Model Intercomparison Project (AMIP-2). // Journal of Geophysical Research, 2003, 108(D12), 4369, doi: 10.1029/2002JD003030

36. Garratt J.R. Sensitivity of climate simulations to land-surface and atmospheric boundary-layer treatments — a review. // Journal of Climate, 1993,6, p.419-449.

37. Gates, W.L. AMIP: Atmospheric model intercomparison project // Bull. Am. Meteorol. Soc, 1992, V. 73, P. 1962-1970.

38. Gibson J.K., Kallberg P., Uppala S., Nomura A., Hernandez A., Serrano E. ERA Description // ECMWF re-analysis project report series. 1. 1997. 72pp.

39. Groisman P.Ya and E.L.Genikhovich. Assessing Surface-Atmosphere Interactions Using Former Soviet Union Standard Meteorological Network Data. Part I: Method // J.Climate, V.10, Issue 9, pp.2154-2183.

40. Hagemann S. and L.Dumenil. A parameterization of the lateral water flow for the global scale // Clim. Dynamics, 1998, Vol. 14. P. 17-31.

41. Hansen J.E, Russell G, Rind D, Stone P.H, Lacis A.A, Lebedeff S, Ruedy R, Travis L. Efficient three dimensional global models for climate studies: models I and II. // Monthly Weather Review, 1983,111, p.609-662.

42. Henderson-Sellers A., McGuffie K., Pitman A. The project for intercomparison of land-surface parameterization schemes (PILPS): 19921995. // Clim. Dyn., 1996,12(12), p.849-859.

43. Henderson-Sellers, A., P. Irannejad, K. McGuffie, and A.J. Pitman. Predicting land-surface climates better skill or moving targets? // Geophysical Research Letters,, 2003,30(14), p. 1777-1780.

44. Jones, P.D., New M., Parker D.E., Martin S. and Rigor I.G., Surface air temperature and its changes over the past 150 years // Reviews Geophysics. 1999. Vol. 37. P. 173-199.

45. Kattsov V., Kallen E. Future climate change: modeling and scenarios for the Arctic // Arctic Climate Impact Assessment (ACIA). Cambridge University Press, 2005. - P.99-150.

46. Kattsov V.M., Walsh J.E., Chapman W.L., Govorkova V.A., Pavlova T.V., Zhang, X. Simulation and projection of arctic freshwater budget components by the IPCC AR4 global climate models // Journal of Hydrometeorology. -2007. (in press)

47. Kleidon A. and M.Heimann. 1997: A method of determining rooting depth from a terrestrial biosphere model and its impacts onthe global water- and carbon cycle. Max-Planck-Institute fur Meteorologie, report No.230, Hamburg, 24 p.

48. Koster R.D., M.J.Suarez, Soil moisture memory in climate models. // J. Hydrometeorology, 2001,2, 558-570.

49. Koster R.D., M.J.Suarez. Impact of land surface initialization on seasonal precipitation and temperature prediction. // J. Hydrometeorology, 2003, 4, 408-423.

50. Lawrence D.M. and Slater A.G. A projection of severe near-surface permafrost degradation during the 21st century // Geoph. Res. Letters, 2005, Vol. 32, L24401, doi:10.1029/2005GL025080.

51. Lawrence, D.M. and J.M. Slingo. Weak Land-Atmosphere Coupling Strength in HadAM3: The Role of Soil Moisture Variability. // Journal of Hydrometeorology, 2005,6,670-680.

52. Legates D. R., and C.L. Willmott. Mean seasonal and spatial variability in gauge corrected global precipitation // Int. J. Climatol. 1990a. Vol. 10. P. 111-133.

53. Legates D. R., and C.L.Willmott. Mean seasonal and spatial variability in global surface air temperature // Theor. Appl. Clim., 1990b. V. 41. P. 11-21.

54. Liston, G. Representing subgrid snow cover heterogeneities in regional and global models // Journal of Climate, 2004,17, p. 1381-1397.

55. Loth B, Graf H-F. Snow cover model for global climate simulations. // Journal of Geophysical Research, 1993,98, p. 10 451-10 464.

56. Mahrt, L., and H-L.Pan. A two-layer model of soil hydrology. //Bound-Layer Meteor., 1984,29,1-20.

57. Malevsky-Malevich S.P., Molkentin E.K., Nadyozhina E.D., Shklyarevich O.B. Numerical Simulation of Permafrost Parameters Distribution // Cold Regions Sci. and Technol., 2001, №32, p. 1-11.

58. Manabe S. Climate and the ocean circulation: 1, the atmospheric circulation and the hydrology of the Earth's surface. // Monthly Weather Review, 1969, 97,739-805.

59. Meeson B.W., F.E.Corprew, J.McManus, D.Myers, J.Closs, K.-J.Sun,

60. D. J.Sunday, P.J.Sellers. ISLSCP Initiative I- Global Data Sets for Land-Atmosphere Models, 1987-1988// NASA, published on CD-ROM (US ANAS AGDAACISLSCP001 USANASAGDAACISLSCP005, 1995.

61. Meleshko V.P. and T.V. Pavlova. Impact of Soil Moisture on Seasonal Predictability in the Northern Eurasia. // Proceeding of APCN Symposium on Multi-Model Ensemble Prediction, 7-10 October 2003, Jeju Island, Republic of Korea.

62. Monteith J.L, Szeicz G. Radiative temperature in the heat balance of natural surfaces. // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 1962, 88, 496-507.

63. Mooney H.A, Drake B.G, Luxmoore R.J, Oechel W.C, Pitelka L.F. Predicting ecosystem responses to elevated C02 concentrations. // Bioscience, 1991,41,96-104.

64. New, M., M. Hulme and P.D. Jones. Representing twentieth century space-time climate variability. Part 1: development of a 1961-90 mean monthly terrestrial climatology // J.Climate, 1999. Vol. 12. P. 829-856.

65. Patterson K.A. Global distribution of total and total-available soil water-holding capacities // M.S. thesis. 1990. Dept. of Geography, University of Delaware. 119 p.

66. Pavlov A.V., Moskalenko N.G. The thermal regime of soils in the North and Western Siberia//Permafrost and Periglacial processes, 2002, vol.13, 43-51.

67. Phillips, T.J. A summary of documentation of the AMIP models. Report No. 18, PCMDI, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, С A, UCRL-ID-116384. 1994. 343 p.

68. Pitman A.J., Slater A.G, Desborough C.E, Zhao M. Uncertainty in the simulation of runoff due to the parameterization of frozen soil moisture using the GSWP methodology. // Journal of Geophysical Research, 1999, V.104:p.l6 879-16 888.

69. Pitman, A.J., Z.-L.Yang, J.G.Cogley and A.Henderson-Sellers. Description of bare essentials of surface transfer for the bureau of meteorology research centre AGCM // BMRC Research Report. 1991. No.32.

70. Randel D. L., TJ.Greenwald, T.H.Vonder Haar, G.L.Stephens, M.A.Ringerud and C.L.Combs. A New Global Water Vapor Dataset // Bulletin of the AMS (BAMS). 1996. Vol. 77. №. 6. P. 1233-1254.

71. Robinson, D.A. and A.Frei. Seasonal variability of northern hemisphere snow extent using visible satellite data // Professional Geographer, 2000, 51, p. 307-314.

72. Robinson, D.A., K.F. Dewey and R. Heim, Jr. Global snow cover monitoring: an update // Bulletin of the American Meteorological Society, 1993, 74, p. 1689-1696.

73. Roesch, A. Evaluation of surface albedo and snow cover in AR4 coupled climate models // Journal of Geophysical Research, 2006, 111, D15111, doi: 10.1029/2005JD006473.

74. Romanovsky V.E., Osterkamp Т.Е. Permafrost: changes and impacts // Permafrost response on economic development, environmental security and natural resources, Dordrecht, Kluwer Acad. Publ., 2001, p. 297-315.

75. Rossow W.B. and R.A.Schiffer. ISCCP cloud data products // Bull. Am. Meteorol. Soc. 1991. Vol. 72. P. 2-20.

76. Rutter A.J., A.J. Morton, P.C. Robins. A predictive model of rainfall interception in forests. // J. Appl. Ecol., 1975,12, 367-380.

77. Sausen R, Schubert S, D.umenil L. A model of the river-runoff for use in coupled atmosphere-ocean models. //Journal of Hydrology, 1994, 55, 337352.

78. Schar, C., P.L. Vidale, D. Luthi, C. Frei, C. Haberli, M.A. Liniger, and C. Appenzeller. The role of increasing temperature variability for European summer heat waves. //Nature, 2004,427, 332-336, doi:10.1038/nature02300

79. Viterbo, P. and A.C.M.Beljaars. 1995: An improved land surface parameterization scheme in the ECMWF model and its validation // J. Climate. 1995. Vol. 8. P. 2716-2748.

80. Sellers P.J., Mintz Y, Sud Y.C., Dalcher A. A Simple Biosphere model (SiB) for use within general circulation models. //Journal of the Atmospheric Sciences, 1986,43, 505-531.

81. Seneviratne, S.I., J.S. Pal, E.A.B. Eltahir, and C. Schar, Summer dryness in a warmer climate: A process study with a regional climate model. //Climate Dynamics, 2002,20,69-85.

82. Serreze M.C., Bromwich D.H., Clark M.C., Etringer A.J., Zhang Т., Lammers R. The large-scale hydro-climatology of the terrestrial Arctic drainage system // Journal of Geophysical Research. 2003. - Vol.108. -doi: 10.1029/2001JD000919.

83. Thom A.S. Momentum, mass and heat exchange of vegetation. //Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 1972,98,124-134.

84. Thompson S.L, Pollard D. A global climate model (GENESIS) with a land-surface transfer scheme (LSX). Part 1: present climate simulation. //Journal of Climate, 1995,8,732-761.

85. Verseghy, D.L., N.A. McFarlane, and M. Lazare. A Canadian land surface scheme for GCMs: II. Vegetation model and coupled runs. //International Journal of Climatology, 1993,13,347-370.

86. Viterbo P, Beljaars C.M. An improved land surface parameterization scheme in the ECMWF model and its validation. // Journal of Climate, 1995, 8, 2716-2748

87. Walsh J.E., Chapman W.L. Arctic cloud-radiation-temperature associations in observational data and atmospheric reanalyses // Journal of Climate. 1998. - Vol.11. - P.3030-3045.

88. Walsh, J.E. Cryospheric mid Hydrologic Variability // Arctic Climate Impact Assessment (ACIA). Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom. 2005, 1042 pp.

89. Walther G-R, Post E, Convey P, Menzel A, Parmesan C, Beebee T.J.C, Fromentin J-M, Hoegh-Guldberg O, Bairlein F. Ecological responses to recent climate change. //Nature, 2002,416,389-396.

90. Winton, M. Surface Albedo Feedback Estimates for the AR4 Climate Models // Journal of Climate, 2006,19, p. 359-365.

91. Xie P., and P.A.Arkin. Global monthly precipitation estimates from satellite-observed outgoing longwave radiation // J. Climate. 1998. Vol. 11. P. 137-164.

92. Xie, P. And P.A. Arkin. Analyses of global monthly precipitation using gauge observations, satellite estimates and numerical model predictions // J.

93. Climate. 1996. Vol. 9. P. 840-858.v

94. Zhang Т., Barry R.G., Knowles K. et al. Statistics and characteristics of permafrost and ground-ice distribution in the Northern Hemisphere // Polar Geography, 1999,23, No.2, p. 132-154.

Информация о работе

Павлова, Татьяна Викторовна
кандидата физико-математических наук
Санкт-Петербург, 2007
ВАК 25.00.30

Диссертация

Исследование процессов тепло- и влагообмена на подстилающей поверхности и в деятельном слое почвы с помощью глобальных климатических моделей - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы