Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Моделирование региональных палеоклиматических изменений

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Моделирование региональных палеоклиматических изменений"

/ъ

О'

Чэ /

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ГЕОГРАФИИ

На правах рукописи УДК 551.582

Суркова Галина Вячеславовна

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕГИОНАЛЬНЫХ ПАЛЕОКЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ

11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в лаборатории климатологии Института географии Российской академии наук

Научный руководитель: доктор географических наук, профессор А.В. Кислов

Официальные оппоненты:

доктор географических наук В.А. Климатов кандидат технических наук О.Н. Насонова

Ведущая организация - кафедра климатологии факультета географии и геоэкологии Санкт-Петербургского государственного университета

Защита диссертации состоится "24 " 1998 г., в час

На заседании диссертационного совета Д.003.19.03 при Институте географии РАН (109017, Москва, Старомонетный пер., 29, ИГРА факс (095) 959-00-33) по специальности 11.00.09 "метеорология, климатология, агрометеорология"

Просьба отзывы на автореферат (2 экз., заверенные печатью) направлять ученому секретарю диссертационного совета по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института географии

РАН.

Автореферат разослан " 2 3 "

а

1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук

Г.М. Николаева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Исследование генезиса крупных климатических событий прошлого^ дает возможность выполнить сравнительный анализ значимости различных климатообразующих факторов и глубже изучить природу естественной изменчивости климата в его историческом развитии, а также определить то место на эволюционной кривой, которое занимает современный климат. Получить достоверные результаты можно, используя климатические модели. Обеспеченность палеоданными крупных глобальных климатических событий позволяет, с одной стороны, с достаточной степенью надежности задавать граничные условия при моделировании (распределение материков и океанов, оледенения, растительности и др.), с другой - проверять достоверность результатов моделирования, сравнивая их с результатами палеоклиматических реконструкций, определяя степень чувствительности климатической системы к тем или иным климатообра-зующим факторам.

Проявление глобальных климатических изменений на региональном масштабе является частью фундаментальной проблемы эволюции климата. Актуальной в этом вопросе является оценка степени влияния неоднородно-стей подстилающей поверхности на региональные особенности реакции климата в ответ на изменения глобальных климатообразующих факторов.

Исследование генезиса флуктуаций климатов прошлого и проявления их в отдельных регионах надежно может быть выполнено для голоцена -этот этап лучше всего обеспечен палеоданными, необходимыми для моделирования. Кроме того, по набору климатообразующих факторов голоцен очень близок к современному климату.

Цель и задачи работы. Цель работы заключается в исследовании роли горизонтальной неоднородности подстилающей поверхности, как климато-

образующего фактора, в условиях различных климатических сценариев (в прошлом - для 6 и 9 тыс. л.н., а также при удвоении концентрации парниковых газов в атмосфере), для двух регионов, характеризующихся высокой чувствительностью ландшафтной структуры к изменениям внешних клима-тообразующих факторов. Это территория юга Русской и ЗападноСибирской равнин и Средней Азии (35x55° с.ш. и 30x75° в.д.), а также северо-восток Русской и северная часть Западно-Сибирской равнин (55x75° с.ш. и 45x90° в.д.).

В рамках данного исследования были поставлены следующие задачи:

* Создание отдельного варианта глобальной модели климата МГУ, дополненного региональным блоком, для более детализированного учета свойств подстилающей поверхности.

* Оценка чувствительности климата выбранных районов к радиационному фактору - изменению количества инсоляции, поступающей на верхнюю границу атмосферы (ВГА) - АСЬга - в соответствии с теорией Миланковича; к изменению ландшафтов 6 и 9 тыс.л.н. и удвоению концентрации С02 в атмосфере

* Исследование чувствительности климата к изменениям ландшафтов на территории выбранных районов при помощи региональной модели, встроенной в глобальную модель климата.

* Изучение природы региональных изменений климата путем сравнительного анализа значимости исследуемых климатообразующих факторов.

* Количественное сравнение результатов регионального моделирования палеоклиматов с данными палеореконструкций.

Научная новизна. Моделирование климата на региональном масштабе за счет высокого пространственного разрешения позволило провести более надежный взаимный количественный контроль палеоклиматических рекон-

струкций и модельного климата для соответствующих временных срезов.

Показано, что повышение уровня Каспийского моря 6 и 9 тыс.л.н. не могло происходить за счет изменений расходной части водного баланса водоема - разности испарений и осадков над зеркалом моря.

Подтверждена гипотеза о том, что механизм Миланковича являлся определяющим климатообразующим фактором в эпохи б и 9 тыс.л.н. для исследуемых районов. Несмотря на флуктуации, общая направленность тренда температуры воздуха в голоцене хорошо согласуется с АСЬга-

Продемонстрировано, что изменение ландшафтной структуры подстилающей поверхности 6 тыс.л.н. сыграло большую роль в формировании региональных климатических особенностей аридных и семиаридных районов России. В северных широтах, несмотря на значительные изменения ландшафтов в эту эпоху, влияние этого фактора было мало. Количественно оценено действие обратной связи "изменение климата - изменение ландшафта - изменение климата".

Исследована пространственная структура региональных аномалий метеорологических полей при глобальных флуктуациях климата 6 и 9 т.л.н.

Методика исследований. Исследования были выполнены на основе анализа результатов математического моделирования климата для различных климатических сценариев. Вычислительные эксперименты проведены на глобальной климатической модели, МГУ, построенной с полным описанием физических процессов в атмосфере и упрощенной динамикой, ее пространственное разрешение - 10x15° по широте и долготе соответственно. В отличие от предыдущих версий, глобальная модель МГУ была дополнена региональным блоком, позволяющим производить детализированный учет свойств подстилающей поверхности с разрешением порядка 1° (версия МГУ/РМ). Верификация модели МГУ/РМ осуществлялась за счет кон-

трольных экспериментов по воспроизведению современных климатических условий, результаты сопоставлены с реальными климатическими данными.

Далее проводились эксперименты по расчету климатических режимов в соответствии с выбранными климатическими сценариями. Отличия новых климатических характеристик от полученных в контрольном эксперименте, интерпретировались, как аномалии соответствующих величин и анализировались с учетом их статистической значимости, которая оценивалась при помощи г-критерия.

Практическая ценность. Выводы, полученные в работе, могут быть использованы в теории палеоклиматов; для составления регионального климатического прогноза, в том числе и на основе метода палеоанапогов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научной конференции студентов и аспирантов "Ломоносов-95" (Москва, МГУ, апрель 1995), семинаре секции метеорологии и климатологии Российского Географического общества (Москва, май, 1995), Ломоносовских чтениях географического ф-та МГУ (Москва, апрель, 1995), Европейских курсах по исследованию атмосфер (ERCA, Франция, Гренобль, февраль 1996), Курсах по моделированию атмосферы Земли и ее изменчивости (Лезуш, Франция, июль, 1997), научном семинаре лаборатории гляциологии и геофизики (CNRS, Гренобль, Франция, август, 1997), а также на научных семинарах лаборатории климатологии и гидрологии ИГ РАН.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Общий объем ЛГсЯ страниц, включая 9<? рисунков и таблиц. Список литературы включает названия.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы, излагаются цели ра-

боты, сформулированы основные положения, составляющие предмет защиты.

Глава 1. Некоторые эмпирические сведения о климате голоцена и о возможных причинах его формирования

Климат голоцена наиболее полно освещен палеоданными [Борзенкова, 1992; Васильчук, 1995; Величко, Климатов, 1990; Зубаков, 1972, 1986; Климатов, 1989, 1996; Хотинский, Савина, 1985; Bioecker, 1995; Crowley, 1991; Duplessy, Ruddiman, 1984 и др.]. К концу позднеледниковья - началу голоцена значительно сократились площади континентальных ледниковых щитов в Северном полушарии, температура поверхности океана приблизилась к современной [CLIMAP, 1976]. Имели место значительные изменения инсоляции на внешней границе атмосферы (ВГА) [Kutzbach and Guetter, 1986; Mitchell et al., 1988; Berge, 1994]. Изменения концентрации парниковых газов в атмосфере в голоцене были невелики [Котляков, Лориус, 1992]. Среди основных внешних климатообразующих факторов заметную роль в глобальных флуктуациях климата могло играть перераспределение инсоляции на ВГА между летним и зимним полугодиями при неизменности годовой суммы (эффект Миланковича), так как заметных долговременных аномалий других факторов в глобальном масштабе не отмечалось. Кроме того крупномасштабные колебания климата могли происходить за счет внутренней динамики климатической системы.

Наиболее значительными потеплениями голоцена были раннебореаль-ный оптимум В01 (9.0-8.7 тыс. лет назад) и позднеатлантический АТ5 (6.2 -5.3 тыс. лет назад). При несомненном глобальном характере потеплений их временные рамки несколько различаются в разных регионах, но в среднем близки к указанным. Периоды глобальных потеплений в высоких широтах проявлялись прежде всего в повышении температуры, в то время как в тро-

пиках и субтропиках выросло увлажнение, благодаря чему повысился уровень многих тропических озер (оз.Чад и др.) [Street-Perrot,, and Perrot. 1993; Harrison and Dodson. 1993], температура же местами была ниже современной. Ареалы распространения некоторых видов растительности также были отличны от существующих в настоящее время [Хотинский, Савина, 1985]. В диссертации ставится задача объяснения проявления региональных особенностей в изменении климата 6 и 9 тыс.л.н. на фоне общепланетарных процессов.

Глава 2. Воспроизведение климатических условий с помощью моделей

климата

Использование палеоданных при изучении климатических изменений в прошлом позволяет получить лишь диагностическую картину климата той или иной эпохи, не давая однозначного ответа на вопрос о генезисе установившегося климатического режима. Использование климатических моделей дает дополнительные сведения о причинах климатических изменений.

Известно, что региональное проявление глобальных климатических изменений по абсолютным значениям аномалий (отклонений от нормы) превосходит среднеглобальные значения, иногда имея при этом противоположный знак. Глобальные модели в силу недостаточного горизонтального разрешения не удовлетворяют задаче исследования особенностей регионального климата. Вариантом решения такой проблемы может быть комбинация глобальной модели с региональной (РМ), имеющей высокое горизонтальное разрешение.

В климатологии использование моделей с высоким разрешением, встроенных в глобальные, стало развиваться сравнительно недавно [Dickinson et.al., 1989; Marinucci, Giorgi, 1992; Bossert et al., 1993; Кислов,

Суркова, 1995; Воске! « а1., 1996; О^епБеп, 1997 и др.]. Использование МОЦА/РМ позволило во всех случаях существенно уточнить крупномасштабное распределение переменных, генерируемое МОЦА, а также в явном виде показать влияние неоднородностей "подсеточного" для глобальной МОЦА масштаба на региональные и глобальные изменения климата.

Увеличение разрешающей способности модели дает возможность явным образом описывать тонкую структуру термического режима подстилающей поверхности. Появляется возможность описать индивидуальные особенности гидрологического режима отдельного водоема и его бассейна. Такое исследование было выполнено в настоящей работе по Каспийскому морю, для которого были рассчитаны явным образом испарение и осадки над зеркалом моря и проанализирован возможный вклад их изменений в колебания уровня Каспия 6 и 9 тыс.л.назад.

Климатическая модель используется в роли инструмента согласования палеоданных между собой, позволяя произвести дополнительный количественный контроль палеореконструкций, а также давая возможность получить непрерывное поле климатических характеристик для исследуемого периода. Значения палеоклиматические величин получают по косвенным данным, привязанным к местам опорных разрезов. Они могут находиться вблизи бывшей резкой границы между природными объектами, где следует ожидать высоких горизонтальных градиентов в поле метеорологических характеристик (например, возле бывшей границы древнего ледникового щита), что не позволяет распространять результаты анализа палеоданных на обширные территории. В результатах же моделирования, выполняемого по конечно-разностной сетке, как в данной работе, каждое рассчитанное значение относится ко всей площади модельной ячейки. Более подробное горизонтальное разрешение в региональной модели, позволяя явно описать

географические объекты меньшего линейного размера, чем расстояние между узлами сетки глобальной МОЦА, позволяет с большим доверием относиться к результатам сравнения модельных и эмпирических палеоклимати-ческих данных.

Основой для проводившихся в работе численных экспериментов явилась версия глобальной климатической модели МГУ [Кислов, 1991]. В отличие от других версий был создан и включен в нее региональный блок для детализированного учета свойств подстилающей поверхности [Кислов, Суркова, 1995].

Модель МГУ представляет собой упрощенную модель общей циркуляции атмосферы с разрешением по пространству - 10x15° по широте и долготе. Расчет ветра основан на квазигеострофических соотношениях, модифицированных в тропической зоне. В модель включены параметризованные эффекты возмущений синоптического масштаба, эффекты конвекции и крупномасштабной конденсации, расчет облачности, перенос радиации, эффекты орографии, взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью. Вертикальная структура атмосферы описывается переменными на трех изобарических поверхностях 250, 600 и 900 гПа. Сверху модельная атмосфера ограничена изобарической поверхностью 0 гПа, снизу - подстилающей поверхностью. Шаг по времени - 1 сут. В модели задается концентрация С02 и Оз, распределение суши и моря, свойства поверхности (на сетке 5°х7.5°): альбедо, орография, шероховатость, теплоемкость и теплопроводность грунта. Нестационарные уравнения модели используются для получения стационарного решения методом установления, которое отождествляется с модельным климатом. Верификация глобальной модели продемонстрировала ее способность реально воспроизводить современный климатический режим атмосферы Земли [Кислов, 1991, 1993].

Для детализированного учета свойств подстилающей поверхности в глобальную модель был встроена РМ, имеющая более подробное пространственное разрешение по горизонтали, охватывающая деятельный слой почвы и слой атмосферы от подстилающей поверхности до 900 гПа и использующая те же параметризации, что применены и в глобальной модели. Эта версия (МГУ/РМ) использовалась при расчете результатов, представляемых и анализируемых в работе.

В том регионе, где применяется РМ, "большие" ячейки МОЦА раздроблены в горизонтальной плоскости на более мелкие, в каждой задаются альбедо (А), орография, увлажненность (коэффициент эвапотранспирации, G - отношение испарения к испаряемости), распределение суши и моря, снега и льда. Для любой ячейки мелкой сетки РМ вычисляются потоки явного и скрытого тепла, баланс солнечной и длинноволновой радиации, определяется количество осадков (за счет действия механизмов крупномасштабной конденсации и конвективного приспособления), рассчитывается температура и влажность на 900 гПа и у поверхности. В районах с неглубоким (до 2 м) залеганием мерзлых пород для летних условий рассматривался процесс распространения тепла лишь в пределах сезонно-талого слоя, где температуру на нижней его границе принимается равной 0°С. Одинаковыми для любой мелкой ячейки в пределах крупной считаются скорость и направление ветра, адвективные изменения температуры и влажности, а также все метеорологические переменные выше пограничного слоя. РМ и МОЦА работают в интерактивном режиме, т.е. обмен информацией между ними происходит на каждом модельном шаге по времени. Неизменными в процессе интегрирования остаются площадь морского льда и снежного покрова, А и G.

Степень дискретности при описании территории определялась, с одной

стороны, из соображений однородности метеорологических полей в пределах одной модельной ячейки [Каган, 1976; Исаев, 1988], с другой - наличием задаваемых данных (как современных, так и палео) о высоте рельефа, А, б, теплофизических констант почвы. МГУ/РМ была реализована для двух областей (рис. 1). В первом случае шаг по пространству составил 2.5x3°, во втором - 1x1° по широте и долготе.

Глава 3. Тестирование региональной модели - оценка способности модели воспроизводить современные климатические условия для Каспийского региона

Современный климат, будучи обеспеченным данными наблюдений наиболее полно, может являться эталоном, сравнение с которым результатов моделирования позволяет произвести тестирование модели. В качестве эталошшх выступают среднеклиматические поля метеорологических элементов для января и июля, интерполированные в сетку региональной модели. Кроме того, решение задачи тестирования может быть осуществлено путем сравнения характеристик модельного палеоклимата с независимой (не использованной как начальные данные при моделировании) палеоин-формацией (см. гл. 4, 6).

Климат воспроизводится в условиях "вечного" июля (января), выходя на квазистационарный уровень примерно на 20 модельные сутки. Продол-

Рис. 1.Районы применения региональной модели

жительность интегрирования - 60 сут, из которых для анализа выбирались последние 30 сут. Пространственное разрешение РМ- 2.5x3° по широте и долготе (1-й район на рис.1).

Для оценки качества модели произведено поточечное сравнение модельных (РМ) и климатических данных в каждом узле сетки РМ (табл. 1).

Таблица 1

Статистические оценки для температуры воздуха и осадков, полученных по наблюдениям (Н), результатам моделирования глобальной модели МГУ (ГМ), интерполированным в узлы РМ, и результатам моделирования региональной модели, встроенной в глобальную (ГМ/РМ), для Каспийского региона.

(Корр. - поточечный коэффициент корреляции результатов моделирования с климатическими данными, среднее - по всей территории РМ, ст.ош. - стандартная ошибка, .Уху (К и мм/сут для температуры и осадков, соответственно), ст. пткл. - стандартное (среднеквадратическое) отклонение, <т (К и мм/сут для температуры и осадков, соответственно))

июль_январь

Данные Температура Осадки Температура Осадки

Корр. ГМ 0.51 0.52 0.80 0.45

ГМ/РМ 0.78 0.65 0.90 0.57

Сред- Н 295.9 1.0 264.1 0.5

нее ГМ 298.2 0.5 265.8 0.3

ГМ/РМ 296.9 0.2 263.8 0.3

Ст. ГМ 4.2 0.4 2.9 0.3

ош. ГМ/РМ 3.0 0.2 2.5 0.2

Ст. н 4.9 0.8 6.7 0.3

откл. ГМ 2.6 0.3 3.9 0.2

ГМ/РМ 5.1 0.4 6.1 0.3

Г 2 '2 2

I < 2 2 [п£ ду - (I хХЕ >)} \п£х -(£дг)

Примечание, з = , у - (£ у) - " " , сг=,|

| л(я - 2) »^г -{£») I п(п - 1)

дг-значение величины, рассчитанной в модели, у - эмпирическое значение исследуемой величины в соответствующих узлах сетки, л-число членов выборки /Вентцель, 1964; Короток и др., 1985/

Проведено дополнительно сравнение с модельными величинами, полученными по модели МГУ без использования РМ путем интерполяции модельных величин с сетки глобальной модели в узлы РМ (табл.1). Очевидно, что использование РМ позволило существенно уточнить модельную картину климата. Результаты можно назвать неплохими, учитывая, что "эталонные" данные известны с определенной погрешностью.

Глава 4. Климатические условия 6 и 9 тыс. лет назад в Каспийском регионе по результатам моделирования

С помощью МГУ/РМ была исследована стационарная реакция климата в Каспийском районе на изменения некоторых климатообразующих факторов б и 9 тысл.н. (табл.2). При выборе данных по инсоляции отсчет времени для 6 и 9 т.л.н. производился по «солнечному» календарю. С этими периодами ассоциировались палеореконструкции дня ~9.0-8.7(В01) и 6.2-5.3 (АТ5) тыс.л.назад, выполненные по косвенным источникам, где датировка производилась по «углеродной» (14С) шкале времени.

Для первого эксперимента по моделированию АТ5 из внешних климатообразующих факторов учтено лишь AQBrA- Откликом в модельном климате июле явилась ДТМ~2-3° по всей рассматриваемой территории (см. рис. 1). Согласно палеоклиматическим реконструкциям [Климанов, Величко, 1990, 1996] рост температуры июля в условиях АТ5 имел место в северной и северо-западной частях этого района, но в Средней Азии и на Туранской низменности АТ=-1- -2°. Несогласованность модельных и эмпирических данных позволяет искать дополнительные гипотезы, способные объяснить генезис климатических событий, имевших место согласно этим данным.

6 и 9 тыс.л. н. ареалы распространения многих видов растительности отличались от современных [Мамедов, 1982; Борзенкова, Зубаков, 1984; Величко, Климанов, 1990; Варугценко, Тарасов, 1992; Климанов, 1996; Kadomura, 1986]. Известные количественные соотношения, связывающие значения А и G с типом ландшафта, позволили количественно учесть происходившие в эти эпохи изменения растительности. Предполагалось, что изменение характеристик подстилающей поверхности, если оно значительно, способно трансформировать глобальный климатический сигнал (в настоящем случае в виде AQnnO под влиянием местных условий. Результаты

второго эксперимента продемонстрировали правильность поставленной

Таблица 2

Основные климатообразующие факторы, изменение которых было учтено при моделировании климата 6 и 9 тыс.л.н.

Параметр б тыс.л.н. 9 тыс.л.н.

Инсоляция на ВГА летом Д0вга>0, зимой ДОвга<0 [Berger, 1995; Kutzbach, Guetter 1986]

Температура поверхности океана соврем, распределение [CLIMAP, 1976,1981]

Содержание СОг в атмосфере 270 млн"1 /Котляков, Лориус, 1992/

Прозрачность атмосферы современная

Состояние оледенения Северного полушария на арктическом побережье льды отсутствуют (кроме Гренландии) остатки Лаврентийского ледникового щита в Сев. Америке

Состояние оледенения Южного полушария современное

Альбедо поверхности соврем, с модификацией в тропиках и Арктике

Коэффициент эвапотранспирации соврем, с модификацией в тропиках и Арктике

Распределение суши-моря, орография современное

гипотезы (рис. 2) - точки в основном лежат близко к биссектрисе. Как для АТ5, так и для В01 АТ„>0, но не повсеместно. В аридных районах Средней

Азии, где ландшафты характеризовались тогда большим, чем в настоящее время увлажнением, модельные ДТм<0° (рис.3). Увеличение затрат тепла па испарение (ALE«25-40 Вт/м2) превысило здесь эффект возросшего радиационного баланса (AR«20-30 Вт/м2). В целом же, как показали расчеты, ДТМ 9 тыс.л.н. больше, чем 6 тыс.л.н.,так как ДСЬга в голоцене были максимальны именно 9 тыс.л.н.

Улучшение увлажнения территории произошло в АТ5 и В01 за счет роста осадков (Р), которые по модельным расчетам выросли в июле особенно заметно в районе нижней Волги (на 0.4-0.8 мм/сут). Испарение в эти эпохи наиболее всего выросло в районе Туранской низменности.

йТм

21

1

-3 -2

«Г

.,123 лТ.К

-2

аоцлОн *• 5-ю, а • 30-40 Количество точек (узлов сеют РМ), в которых аномалии таковы, как показано на рисунке

Рис. 2. Сопоставление результатов моделирования (осьу) с результатами палеореконструкций (ось *) для аномалий температуры воздуха (К), июль 6 тыс.л.н.. Д - данные А.В.Климанова, 1982,1996, о - данные И.И.Борзенковой, В.А.Зубакова, 1984, 1992

б)

<6 50 55 60 65 70

......~ ......... I

Рис. 3. Отклонение от современных значений температуры приземного воздуха (К) для июля 6 тыс.л.н. (а) и 9 тыс.л.н.(б), результаты моделирования.

Температуры января по расчетам для 9 тыс.лет назад заметно ниже, чем

6 ТЫС.Л.Н.. В среднем по всей территории модельные аномалии январских

температур для 6 тыс.л.н. составили ДГм~-2°, для января 9 тыс.л.н. ЛГмлкЗ°.

По результатам других климатических моделей [РМ1Р, 1995] для января 6

тыс.л.н. в районе Средней Азии также ДГ<0. Эти результаты отличаются от имеющихся палеоданных, согласно которым зимние аномалии в этом районе, как и летние, положительны. Но в рамках модельных расчетов определяющий фактор формирования отрицательных аномалий температуры зимой 6 и 9 тыс.л.н. - это AQbi aO, рассчитанные в соответствии с изменением орбитальных параметров Земли в то время (см. табл.2). Данные об изменениях других климатообразующих факторов (концентрации С02, температуры поверхности океана и др.) 6 и 9 тыс.л.н. не дают пока веских оснований утверждать, что они могли, в противовес уменьшению поступления инсоляции, способствовать росту зимней температуры воздуха в средних широтах.

Распределение аномалий остальных климатических характеристик (радиационного баланса, осадков, испарения, турбулентного потока тепла и др.) для 6 и 9 тыс.л.н. похоже между собой как по пространственной структуре полей, так и по знаку и величине значений. Максимумы отклонений 9 тыс.л.н. больше по модулю, так как зимой одним из важных климатообразующих факторов была аномалия инсоляции AQbra<0.

Результаты расчетов Е и Р были использованы для оценки расходной компоненты водного баланса Каспийского моря - видимого испарения (Е-Р) над зеркалом моря. Осадки в этом засушливом районе незначительны, особенно в летний сезон. Но на фоне высоких температур велико испарение (около 94% расхода в современном водном балансе Каспия приходится на испарение [Варущенко и др., 1987; Панин, 1987]).

На основе уравнения годового водного бюджета бессточного водоема [Богословский, 1979] была произведена оценка чувствительности уровня Каспия 6 и 9 тыс.л.н. к изменениям видимого испарения (е=Е-Р), рассчитанного по РМ, в явном виде разрешающей физически процессы над Кас-

пийским морем за счет небольшого шага по пространству. Из уравнения годового водного бюджета, в предположении стационарности, следует, что

А/ =:^Д7/е0+ГЛ£7е0-/Де/е0 (1)

где / - площадь водной поверхности, однозначно связанная с уровнем моря Н=Н(/) посредством гипсометрической кривой, Р - площадь водосбора, Г - сток, ео - современные условия, А - отклонение соответствующей величины от современного значения. На основе (1) оценивается изменение уровня моря АЦ за счет влияния изменения видимого испарения Ае.

В таблице 3 представлены отклонения уровня моря от современного (принятого за -28 м абс.), полученные по данным моделирования.

Таблица 3

Средние для акватории Каспийского моря аномалии климатических переменных и изменение уровня моря ЛНе за счет видимого испарения 6 и 9 тыс лет назад (л-лего, з-зима северного полушария)

~ * ' ДР, ДЕ, (Де/е) ДН/,

мм/сут мм/суг м

л 3 Л 3 Л 3 О О 0,3 0,3 0,109 0,148 -2,5

_______ 0 0 0.4 0.4 0.086 0.157 -3.0

* Оценка для среднегодовых значений

Из таблицы 3 видно, что рассчитанные аномалии (Е-Р) над зеркалом моря могли способствовать понижению его уровня на 3 и 2.5 м 9 и 6 тыс. л.н., соответственно, хотя, он, судя по геолого-геоморфологическим исследованиям поднимался и достигал отметок -25м и -21м. Оценки Ае находятся в противоречии с результатами, полученными А.А.Величко и др. (1992), где рост уровня Каспия 6 тыс.л.н. объясняется Ае<0 над зеркалом моря, при том, что сток Волги предполагается меньше современного. Тем не менее, рост видимого испарения по результатам моделирования физически объясняется за счет роста температуры при неизменности осадков над зеркалом моря. Проведенные расчеты по-

Тыс. др, ДЛ, АТ,

лет Вт/м, 40М Вт/м2 К

назад

л 3 л 3 л 3

6 26 -12 19 -14 I 0

9 36 -14 22 -16 2 0

зволяют предположить, что рост уровня 6 и 9 тыс.л.н. должен был происходить за счет изменений приходной части водного баланса моря, возможно, стока.

Глава 5. Тестирование региональной модели - оценка способности модели воспроизводить современные климатические условия для севера Русской равнины и Западной Сибири

Как и в главе 3, способность РМ воспроизводить современные климатические условия для 2-го района (см. рис. 1), разрешение - 1x1° по широте и долготе. Результаты тестирования РМ по аналогии с таблицей 1 показаны в таблице 4.

Как и для Каспийского района, включение РМ позволило повысить качество воспроизведения климатических полей и снизить погрешность, с которой модель воспроизводит величину климатической характеристики в ячейке сетки (в таблице - ст. спи. - стандартная ошибка). Среди недостатков можно отметить занижение количества осадков.

Таблица 4

Статистические оценки для температуры воздуха, осадков, полученных по наблюдениям (Н), результатам моделирования глобальной модели МГУ (ГМ) и результатам моделирования региональной модели, встроенной в глобальную (ГМ/РМ), для района интегрирования РМ по северу России *_

июль_январь

Данные Температура Осадки Температура Осадки

Корр. ГМ 0.79 -0.29 0.40 0.29

ГМ/РМ 0.85 0.52 0.67 0.54

Сред- Н 287.6 2.1 252.1 0.7

нее ГМ 290.1 1.2 249.4 0.5

ГМ/РМ 287.0 0.9 244.2 0.4

Ст. ГМ 1.6 0.6 5.0 0.3

ош. ГМ/РМ 1.3 0.3 1.6 0.2

Ст. н 4.0 0.8 5.6 0.2

откл. ГМ 3.4 0.2 4.8 0.1

ГМ/РМ 3.7 0.6 7.7 0.6

* Комментарий к обозначениям дан в табл.1

Анализ пространственной структуры воспроизведенных региональной

моделью климатических полей радиационного баланса, испарения, потока явного тепла показал, что они вполне согласуются с данными наблюдений.

Глава 6. Анализ пространственной структуры основных климатических полей, полученных при моделировании климатических условий севера Русской равнины и Западной Сибири для сценариев 6 тыс.л.н. и 2хСОг

Было проведено два основных эксперимента на чувствительность к факторам, предположительно игравшим определяющую роль в формировании климата 6 тыс.л.н. - аномалиям инсоляции на ВГА и локальным изменениям структуры ландшафтов. Отдельно была оценена реакция климата к удвоению концентрации парниковых газов в атмосфере (при прочих условиях, не отличающихся от современных).

Около 6 тыс.л.н. происходила интенсивная иммиграция древесной растительности в зону современной тундры [Борзенкова, 1992; Васильчук, 1992; Белорусова и др., 1987; Хотинский, Савина, 1985]. В соответствии с имеющимися сведениями для моделирования климатических условий 6 тыс.л.н. была учтена трансформация ландшафтов. Мощность сезонно-талого слоя была принята равной современной (см. также табл.2).

Летние положительные аномалии приземной температуры воздуха, воспроизведенные моделью (рис.4а), согласуются с палеотемпературными реконструкциями как по знаку, так и по порядку величин (рис.5а). Дополнительно проведенные вычислительные эксперименты показали, что отклик на изменения характеристик подстилающей поверхности (АА и Ав) невелик и зачастую не превышает уровня значимости. Это позволяет предположить, что рост инсоляции в летнее полугодие 6 тыс.л.н. являлся главным фактором изменения термического режима нижней атмосферы в этом районе

''Я^ШШШШШШШ, шЩтт.

50 55 60 65 70 75 б) -5 -3 -1

Рнс. 4. Отклонение от современных значений температуры приземного ишдуха (К) для б тис.л.!!., июль (а) и январь (б), результаты моделирования.

йТм

йТм

3

2

. 1 Ф % 0 0

-1 . j 1 2 3 £

3 2 1Й

¡3-е

-3 -2 -1

ш-

т

ЛТД

6 о 1-20. & 021-50.4 • j1-1m,

Количество точек (узлов сел® PJJ), в которых аномалии таковы, как показано яа рисунке

А

б)

.,1 Л 3 ЙТ'К

-2 Л4

-3 й й -4 а

й 1-20. й 21-Зй. t 51-1М. МММ УАВ-Ймпкм,19961

Ü - ^зуита-шюотопво-хнелороокюго «атпюбрш»«

гогготда-хяонш то ¡мзренл Гвдвнсяого i: oia я Яиш ЛОХВатгачут, 19S2,199Si - кего ют рздыож

Рис. 5. Сопоставление результатов моделирования (ось у) с результатами палеореконструкций (ось х) для аномалий приземной температуры воздуха (К), июль 6 тыелн. (а - обозначения, как па рис. 2) и января (б), (в отличие от ссмиаридных и аридных районов Средней Азии, где значительный рост увлажнения подстилающей поверхности в тот период способствовал перераспределению компонент теплового баланса, росту испарения

и понижению температуры при летнем А<2вгл>())-

Для зимних условий результаты моделирования менее согласованы с имеющимися в нашем распоряжении данными палеореконструкций, которые в свою очередь заметно различаются между собой даже по знаку аномалий. Но если учесть, что погрешность реконструкций не менее ±1°, то модельные результаты и для января можно считать удовлетворительными.

Отметим, что по результатам полученным при моделирования климата 6 тыс.л.н. в рамках международной программы PMIP (1995) из 11 глобальных моделей климата по трем моделям ДТ=0°С в данном районе, по двум -АТ=1°С, и по шести - ДГ=-1~2°С. Приведенные противоречия показывают реальную возможность воспроизведения температуры в данном регионе и свидетельствуют о том, что пока невозможно формирование однозначной климатической картины зимнего периода этой эпохи.

Другой вычислительный эксперимент был направлен на исследование чувствительности климата северных районов России к росту концентрации парниковых газов в атмосфере при прочих условиях, не отличающихся от современных. Оценивая астрономические факторы, можно отметить, что тренд температуры на Земле сейчас направлен в сторону ее понижения после теплого максимума АТ5 [Berger, 1994]. Учитывая лишь изменения в инсоляции понижение температуры составляет -0.017100 лет. Это весьма малая величина на фоне потепления текущего столетия, вызываемого в том числе и парниковыми газами. Расчеты на глобальных моделях климата показывают, что возможное глобальное потепление в 21 веке составит 1.5 -4.5°С. Региональные же проявления глобального эффекта могут отличаться от средних оценок.

На рис.6 показаны модельные результаты ДТ июля и января для сценария 2хС02. Более всего рост концентрации парниковых газов отражается на термическом режиме рассматриваемого района. Аномалии осадков получи-

лись незначительными.

б) -1 1 3 5 7 9

Рис. 6 Отклонение от современных значений температуры приземного воздуха (К) для сценария 2хС02, июль (а) и январь (б), результаты моделирования.

АТЫ велики лишь в узкой зоне освободившейся ото льда полосы воды в Баренцевом море при моделировании режима января. Испарение над более теплой поверхностью резко усилилось (АЕ достигает местами -Нмм/сут). При этом также резко уменьшились, став отрицательными (АН до -60 Вт/м2), штоки явного тепла (вследствие температурной инверсии над водной поверхностью). Уменьшился радиационный баланс (АЯ в узкой зоне изменения границы морского льда достигает -50 - -60 Вт/м2).

Дополнительно был произведен эксперимент (2хС02), где глубина се-зонно-талого слоя была увеличена в соответствии с существующими оценками для удвоения С02 [Ершов, 1997]. Это не дало существенных измене-

ний результатов - модельный климат нижней атмосферы в рассматриваемом районе оказался мало чувствительным к увеличению мощности слоя протаивания на 10-15%.

Результаты по стационарной реакции термического режима северных районов в ответ на рост С02 были использованы для оценки нестационарной реакции - расчета того, как может проявиться в изменениях температуры рост концентрации С02 последовательно год за годом в этих районах. За точку отсчета был взят 1980 год, учитывалось, что приращение температуры пропорционально приращению логарифма концентрации: ЛГР = aATs, где а = (1п( С2/Ci)/ln2)n.

Здесь ДTs - отклонение от современного состояния при удвоении С02 в условиях стационарной реакции, ДГР- нестационарная реакция (функция времени), Ct и С2 - содержание С02 в атмосфере в текущий и в начальный момент времени, ц - коэффициент инерционности (ц~0.7 [Будыко и др., 1986; Stouffer, 1995]).

На основе информации о стационарной реакции термического режима на удвоение концентрации углекислого газа в атмосфере (рис. 6), были оценены последовательные (год за годом) изменения температуры до 2025 г. в рассматриваемом районе.

Заключение

Основные результаты получены на основе новой, созданной в процессе выполнения данной работы, версии глобальной климатической модели МГУ, включающей в себя, в отличие от предыдущих версий, региональную модель (РМ), описывающую физические процессы в пограничном слое атмосферы и деятельном слое почвы. РМ позволяет получать более детализированную картину пространственного распределения климатических харак-

теристик, существенно уточняя результаты глобальной модели. Модель МГУ/РМ оттестирована на основе современных климатических данных и результатов палеореконструкций.

По результатам компьютерных экспериментов, выполненных с региональной моделью, получены следующие выводы:

• Численные эксперименты показали, что в аридной зоне Средней Азии климатические изменения 6 тыс.л.н. явились следствием не только глобальных изменений астрономических факторов, но и изменений структуры ландшафтов. Эта дополнительная причина позволила объяснить наличие в этом районе отрицательных аномалий приземной температуры воздуха (-1 --2°С) в летний период на фоне общепланетарного потепления в оптимуме голоцена.

• Показано, что изменения расходной части водного баланса, а именно, разности испарения и осадков над зеркалом Каспийского моря 6 и 9 тыс-л.н. могли способствовать снижению его уровня в это время на 2.5 и 3 м, соответственно. Следовательно, реконструированные высокие уровни могли быть обеспечены лишь ростом в это время речного стока в море.

• По результатам моделирования в северных районах России получено, что изменения климатического режима 6 тыс.л.н. в большой степени есть проявление эффекта Миланковича. Изменения же структуры ландшафтов проявилось в вариациях термического режима слабо.

• Подтверждено по результатам моделирования на региональном масштабе, что для северных территорий России удвоение концентрации парниковых газов в атмосфере может проявиться прежде всего в изменениях термического режима. Количество осадков меняется слабо. Наибольший рост температуры приземного воздуха на севере России для сценария 2хС02

приходится на зимний период (на 2-3°С), в то время как летние аномалии меньше по величине (1-2°С).

• Численные эксперименты выявили низкую чувствительность климата нижней атмосферы к изменению мощности сезонно-талого слоя на 10-15% (какие предполагаются при удвоении С02). Поэтому проблема расчета реакции многолетнемерзлых пород на климатические изменения может с достаточной точностью решаться без учета обратного воздействия изменений глубины их залегания на климат.

• Тестирование модели МГУ/РМ показало, что включение региональной модели в глобальную позволило повысить точность получаемых результатов по сравнению с глобальной моделью МГУ.

Разработанная региональная модель, встроенная в глобальную модель общей циркуляции атмосферы, может быть использована для аналогичных исследований в различных географических районах и для других климатических сценариев.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1.0 модели регионального климата // Метеорология и гидрология, 1995, N 5, с. 23-31 (в соавторстве с А.В.Кисловым).

2.Колебания видимого испарения с акватории Каспийского моря и изменения его уровня в голоцене и позднем плейстоцене // Вестник Моск. Ун-та. Сер.5. География. 1996, N 2, с. 75-83 (в соавторстве с А.В.Кисловым).

3.Использование модели регионального климата для оценки вариаций видимого испарения с поверхности Каспийского моря в голоцене // Изв. АН, Физика атмосферы и океана, 1997, т. 33, N 1, с.1-9 (в соавторстве с А.В.Кисловым).

4.ТЪе simulation of the Caspian Sea level during last 20000 years // Paleohydr. and modelling of environmental changes. Toledo, Spain, 7-9 Sept. 1996 (в соавторстве с А.В.Кисловым).

5.Using of the GCM/LAM for the simulation of the climate response to C02 doubling in the northern regions of Russia with high resolution // Research Activities in Atmospheric and Oceanic Modelling (Ed. By A.Staniforth). Report No.25, January 1997, WMO/TD-No.792 (в соавторстве с А.В.Кисловым).

e.GCM's simulation of the Caspian Sea level changes during last 21000 years// European Annals Geophysicae, Part II. Hydrology, Atmosphere & Nonlinear Geophysics. Vienna, 1997, p. 501.(в соавторстве с А.В.Кисловым). 7.Simulation of the climate response to C02 doubling in the northern regions of Russia with high spatial resolution with the GCM/LAM// Proceeding of the Third International Study Conference on GEWEX in Asia and GAME. Korea. 26lh-28th March, 1997, p. 353 (в соавторстве с А.В.Кисловым). S. Study of the Caspian sea level changes 6 ka BP using the GCM/LAM. European Research Course on Atmospheres (ERCA), Abstracts, France, Grenoble, 1996.

9. One more outlook on Last Glacial maximum climate simulated with alternative boundary conditions // European Annals Geophysicae, Part II. Hydrology, Atmosphere & Nonlinear Geophysics. Vienna, 1997, p. 501. (в соавторстве с Ю.К.Васильчуком, А.В.Кисловым,).

Издательство АО "Диалог-МГУ". ЛР N 063999 от 04.04.95 Подписано к печати 20.03.98 г. Усл.печ.л. 1,5. Уч.изд.л. 1,0.Тираж 100 экз. Заказ 307. Тел. 939-3890, 939-3891, 928-1042. Тел./факс 939-3891. 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ