Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Климатология лабы / maket-lobanov-k2.pptx
Скачиваний:
44
Добавлен:
15.03.2019
Размер:
20.87 Mб
Скачать

Рис. 14.2. Схема взаимосвязи основных блоков и уравнений в МОЦАО

Основная проблема при решении перечисленных уравнений все-таки не вычислительная, а информационная, так как модели все еще недостаточно обеспечены данными наблюдений, особенно по океанам.

Из приведенных на рис. 14.3 трасс исследовательских судов видно, что наблюдениями охвачена далеко не вся акватория Миро- вого океана, причем сами наблюдения ведется нерегулярно. В связи с этим наиболее перспективным является использование спутнико- вой информации и ее ассимиляция в МОЦАО, хотя эти данные и являются менее надежными, чем прямые контактные измерения.

Рис. 14.3. Трассы научно-исследовательских судов, осуществляющих наблюдений в океанах (сентябрь 1997 г.)

172

14.3. Международный проект по сравнению климатических моделей

Процесс создания климатических моделей в настоящее время происходит повсеместно, и поэтому необходимо было разработать общие правила унификации моделей для того, чтобы можно было сравнивать их между собой, также, как и результаты эксперимен- тов, получаемых на их основе. Для этой цели в 1990 г. был запущен международный проект AMIP (Atmospheric Model Intercomparison Project) в рамках которого проводится целенаправленное сравне- ние глобальных моделей общей циркуляции атмосферы (Global Atmospheric General Circulation Models – AGCMs), разработанных различными группами исследователей в различных странах мира, как между собой, так и с данными наблюдений [5, 8]. Это дает воз- можность исследовать систематические погрешности в воспроиз- ведении современного климата и оценить диапазон возможных его изменений, обусловленных различными воздействиями, например, антропогенными.

В2005–2006 гг. рабочая группа по совместным моделям меж- ду атмосферой и океаном (Working Group on Coupled Modelling – WGCM) в рамках AMIP начала собирать результаты климатиче- ского моделирования ведущих научных центров по всему миру. Собранные в виде архивов результаты моделирования прошлого, настоящего и будущего климата сформировали третью фазу проекта по сравнению взаимосвязанных моделей (Coupled Model Intercom- parison Project – CMIP3) [11]. В частности, WGCM организовала эту деятельность для того, чтобы специалисты за пределами крупных центров по климатическому моделированию могли использовать их результаты для подготовки четвертого оценочного доклада Межпра- вительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК или IPCC, 2007 г.) [2].

Восновном результаты моделирования предназначены для ра- бочей группы № 1 МГЭИК, деятельность которой направлена на изучение физических основ климатической системы (атмосферы, суши, океана и морских льдов) и выборе переменных, которые от- ражают компоненты этой системы и должны быть заархивирова- ны. Эта коллекция результатов моделирования получила название

«Мультимодельные наборы данных проекта CMIP3 Всемирной программы исследований климата» или «WCRP CMIP3 multi- model dataset» [11]. Она представляют собой всеобъемлющий архив боль- шого набора данных по климату двадцатого и

двадцать первого

веков и других экспериментов, что практически полностью изменя- ет способ анализа результатов климатического моделирования для исследователей. Пример оценки возможного изменения глобальной температуры Т при удвоении содержания CO2 по разным клима-

тическим моделям в рамках проекта CMIP3 приведен в табл. 14.1. Из данных таблицы следует, что результаты моделирования отли- чаются в 2 раза и варьируют от 2,1 °С по российской модели INM и американской PCM до 4,4 °С по английской модели HadGEM1 и французской IPSL – CM 4.

 

Чувствительность климата

Таблица 14.1

 

 

к удвоению содержания СО для моделей МГЭИК-4

Т(К)

Модель2

1

UKMO – HadGEM1, Великобритания

4,4

2

IPSL – CM 4, Франция

4,4

3

MIROC 3.2 (hires), Япония

4,3

4

MIROS 3.2 (medres), Япония

4,0

5

CGCM 3.1 (T63) Канада

3,4

6

ECHAMS /MPI-OM, Германия

3,4

7

CFDL – CM 2.1, США

3,4

8

UKMO – HadCM 3, Великобритания

3,3

9

ECHO – G, Германия/Корея

3,2

10

MRI – CGCM 2.3.2, Япония

3,2

11

CSIPO – Mk 3.0, Австралия

3,1

12

GFDL – CM 2.0, США

2,9

13

CCM 3, США

2,7

14

GISS – EH, США

2,7

15

GISS – ER, США

2,7

16

INM – CM 3.0, Россия

2,1

17

PCM, США

2,1

В сентябре 2008 г. на встрече с участием 20 ведущих международ- ных коллективов по моделированию климата в рамках рабочей груп- пы по моделям взаимодействия между атмосферой и океаном (Work- ing Group on Coupled Modelling – WGCM) была достигнута догово- ренность о проведении следующего этапа работ с использованием

174

нового набора скоординированных экспериментов. Эти эксперимен- ты сформировали 5-ую фазу международного проекта по сравнению моделей (CMIP5) и должны были обеспечить [4, 10]:

–учет механизмов, отвечающих за непонятные обратные свя- зи, обусловленные углеродным циклом и облачностью;

–исследование климатической предсказуемости и способно- сти моделей прогнозировать климат на десятилетних временных масштабах;

–установить, почему при заданных одинаковых воздействиях модели дают разные результаты.

Ожидалось, что те вопросы, которые поставлены во время под- готовки 4-го доклада МГЭИК, будут решены в рамках CMIP5 и ис- пользованы при подготовке 5-го доклада осенью 2013 г. В проекте CMIP5 реализован набор модельных экспериментов для того, чтобы:

–оценить насколько реалистичны модели в воспроизведении климата недавнего прошлого;

–сформировать проекции будущих климатических изменений на ближайшую (до 2035 г.) и долгосрочную (до 2100 г.) перспективы;

–понять некоторые из факторов, ответственные за различия в получаемых проекциях климата, включая количественную оцен- ку ключевых обратных связей, связанных с облаками и углеродным циклом.

Проект CMIP5 был успешно завершен с получением следую- щих результатов:

–десятилетние ретроспективные и будущие прогнозы;

–долгосрочное моделирование;

–только атмосферное моделирование, проведенное для вычис- лительных требований моделей.

Стратегия CMIP5 [10] включает в себя два вида экспериментов по климатическому моделированию: долгосрочное (столетний мас- штаб) и на ближайшую перспективу (10–30 лет) обычно до 2035 г., называемое также экспериментами по десятилетнему прогнозиро- ванию [7, 10]. Долгосрочные эксперименты, как правило, начина- ются с доиндустриального квазиравновесного состояния, в то время как десятилетние прогнозные эксперименты формируются с учетом наблюдаемых условий океана и морского льда.

CMIP5 по сравнению со CMIP3, включает в себя более полные модели и более широкий набор экспериментов, адресованных боль- шему разнообразию научных проблем. Модели и

полей вывода для архивирования. В проекте CMIP5 дана лучшая документация по моделям и условиям эксперимента и сформиро- вана новая стратегия, которая делает результаты более доступными для исследователей. Так, если в проекте CMIP3 рассматривалось 12 экспериментов с моделями, то в CMIP5 таких экспериментов уже 35 и их перечень дан, например, в работе [10]. В табл. 14.2 приведены названия некоторых численных экспериментов, реали- зованных в проекте CMIP5, в том числе и сокращенные названия и основное назначение эксперимента.

Таблица 14.2

НазваниеКраткоеи назначениеописание экспериментачисленных экспериментовСокращеннпроекта CMIP5Основные

п/п

и период моделирования

1Доиндустриальный контрольный экспери- мент (Pre-industrial control experiment)

2Прошлое (примерно 1,5 века): 1850–2005 (Past ~1.5 centuries)

3Будущая проекция климата (2006–2300 гг.), основанная на сценарии RCP4.5

4Будущая проекция климата (2006–2300 гг.), основанная на сценарии RCP8.5

5Будущая проекция климата (2006–2300 гг.), основанная на сценарии RCP2.6

6Будущая проекция климата (2006–2100 гг.), основанная на сценарии RCP6.0

7AMIP-эксперимент с наблюденными темпе- ратурами поверхности океана (SST) и при- писанным уровенем за период 1979 г. – на- стоящее время)

8Эксперимент по увеличению CO2 на 1 % в год (до увеличения в 4 раза)

9Быстрое увеличение CO2 в 4 раза и затем удерживание фиксированным

10Климатические температуры поверхности океана (SSTs), введенные из pi-контроля

11Также как и в предыдущем эксперименте, но при увеличении CO2 в 4 раза

название

цели

piControl

Оценка,

 

естественная

 

изменчивость

historical

Оценка

rcp45

Проекция

rcp85

Проекция

rcp20

Проекция

rcp69

Проекция

Amip

Оценка

1pctCO2

Оценка чув-

 

ствительности

 

климата, об-

 

ратные связи

abrupt4xCO2

Оценка чув-

 

ствительно-

 

сти, обратные

 

связи, бы-

 

стрые отклики

sstClim

Быстрые

 

отклики

sstClim4xCO2

Быстрые

 

отклики

176

Краткое описание эксперимента

п/п

и период моделирования

12Такой же, как сценарий 10, но с аэрозолями, заданными от 2000 г.

13Такой же, как сценарий 10, но с сульфатны- ми аэрозолями, заданными от 2000 г.

14Доиндустриальные условия, накладываемые как в piControl эксперименте, но с атмосфер-

ным CO2, определяемым внутри самой мо- дели

15Моделирование прошлого, но с управляемы- ми выбросами, а не концентрациями.

16Будущая проекция, как в rcp85, но при управ- ляемых выбросах, а не концентрациях

17Также как в amip, но с равномерным 4К уве- личением в слоях температуры (SST)

18Образцы SST аномалий, добавленные к amip условиям (как предусмотрено в CFMIP)

19Зонально однородные температуры поверх- ности океана (SST), накладываемые на по- верхность Земли, полностью покрытую оке- аном (как задано в CFMIP)

20Как в эксперименте aquaControl, но с увеличе- нием CO2 в 4 раза (4 х CO2)

Окончание табл. 14.2

Сокращенное

Основные

название

цели

sstClimAeroso

Быстрые

sstClimSulfate

отклики

Быстрые

esmContro

отклики

Оценка, угле-

 

родный цикл

esmHistorical

Оценка, угле-

 

родный цикл

esmrcp85

Проекция

amip4K

Обратные

 

связи с облач-

amipFuture

ностью

Обратные

 

связи с облач-

 

ностью

aquaControl

Облачность

aqua4xCO2

Облачность,

 

быстрые

 

отклики

В проекте CMIP5 вместо применяемых ранее сценариев SRES (В1, А1В, А2, соответствующих концентрации СО2 в 2100 г. в 540,

762 и 875 ppm) в CMIP3, представлены новые сценарии RCP (Repre- sentative Concentration Pathway), связанные со

стабилизацией обще- го антропогенного воздействия в 2100 г. 2,6, 4,5, 8,5 Вт/м2 и вместо концентрации СО 2 ppm этих сцена- такжериях данна общийразныхэффектуровнях:воздействия в Вт/м2.

И если в CMIP3 ансамблевые оценки определялись по 16 гло- бальным моделям общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО), то в CMIP5 для обобщений использованы данные более, чем 50 мо- делей, представленные более 20 научными коллективами разных исследовательских центров. По сравнению с моделями предыдущей фазы проекта CMIP3, модели CMIP5 характеризуются в среднем бо- лее высоким пространственным разрешением и рядом усовершен- ствований в описании климатических процессов.

177

Как и в проекте CMIP3 в новом проекте CMIP5 изменения климата рассматриваются для начала (2011–2030 гг.), для середины (2041–2060 гг.) и конца (2080–2099 гг.) XXI в., осредненные за 20 лет по отношению к базовому климатическому периоду 1980–1999 гг.

Основные сценарии проекта CMIP5 (RCP) близки по своему смыслу сценариям SRES проекта CMIP5. Например, средний сцена- рий RCP 4.5 включает долгосрочные, глобальные выбросы

парнико-

вых

газов,

эмиссию

короткоживущих

примесей,

землепользование

и изменение почвенного покрова в глобальном

масштабе. Сценарий RCP 4.5 обновлен из более ранних сценариев

GCAM (Global Change

Assessment Model),

чтобы объединить

информацию

о

выбросах и

растительном

покрове

для

минимизации затрат по

достижению та-

кого энергетического

воздействия. Для

ограничения выбросов

по

этому

сценарию

следует провести изменения в энергетической си-

стеме Земли,

включая сдвиги в энергетике, в технологиях сниже-

ния выбросов

и в развитии технологии по улавливанию и хранению

углерода.

Кроме того, стоимость по снижению совместного воздей-

ствия

связана с эмиссией в землепользовании и, в результате, с рас- ширением лесных угодий по сравнению с их современным объе- мом. Моделирование будущих выбросов и землепользования было отмасштабировано из региональных моделей в сетку, чтобы облег- чить переход к климатическим моделям. Хотя существует много альтернативных путей для достижения предельного радиационного

воздействия в 4,5 Вт/м2, применение RCP 4.5 представляет собой общую платформу для климатических моделей по исследованию

реакции климатической системы на стабилизацию радиационного воздействия от антропогенных компонент.

По самому благоприятному сценарию RCP2.6 концентра- ция СО2 будет такой, что даст добавку радиационного отклика в 2,6

Вт/м2 к 2100 г. по отношению к доиндустриальным условиям. По другим двум неблагоприятным сценариям RCP 6.0 (или rcp60)

RCP8.5 (или rcp85) добавка радиационного отклика к 2100 г. будет составлять 6,0 Вт/м2 и 8,5 Вт/м2. Каждый из этих 4-х основных сце- нариев имеет и 2 варианта временной экстраполяции: основной – до 2100 г. и его расширение до 2300 г.

Некоторые сценарии полностью оставлены из проекта CMIP3. Например, AMIP-эксперимент, который также применяется для диагностических исследований при реалистических значениях ат-

до увеличения концентрации в 4 раза, начинающийся с концен- трации 286 ppm, которая соответствует 1850 г. СО2 остается неиз-

менным после достижения концентрации в 4 раза превышающую начальную. Этот эксперимент в основном используется для ис- следования переходных состояний климатического отклика к воз- действию парниковых газов. Сценарий быстрого увеличения CO2 в

4 раза и затем удерживание его фиксированным.

Число моделей, которые использовались в CMIP5 было бо- лее 50, что также в 2 раза больше, чем их применялось при выпол- нении проекта CMIP3. В список основных моделей, по которым выполнялись численные эксперименты в настоящее время входят следующие:

1.Модель института вычислительной математики РАН, Рос- сия (Institute for Numerical Mathematics, Russia, INM CM4.0 Model).

2.Модель пекинского климатического центра, Китай (Beijing Climate Centre, China, BCC Model).

3.Модель канадского центра моделирования и анализа клима- та c разрешением T47 (Canadian Centre for Climate Modelling and Analysis, CCCMA Model, T47 resolution).

4.Модель канадского центра моделирования и анализа клима- та c разрешением T63 (Canadian Centre for Climate Modelling and Analysis, CGCM3.1 Model, T63 resolution).

5.Модель Бьеркнессовского центра климатических иссле- дований, Норвегия (Bjerknes Centre for Climate Research, Norway, BCM2.0 Model).

6.Японская модель MIROC3.2 с высоким разрешением (CCSR/ NIES/FRCGC, Japan, MIROC3.2, high resolution).

7.Японская модель MIROC3.2 со средним разрешением (CCSR/ NIES/FRCGC, Japan, MIROC3.2, medium resolution).

8.Модель центра атмосферных исследований Австралии вер- сии Mk3.0 (CSIRO Atmospheric Research, Australia, Mk3.0 Model).

9.Модель центра атмосферных исследований Австралии вер- сии Mk3.5 (CSIRO Atmospheric Research, Australia, Mk3.5 Model).

10.Модель HadCM3 Хэдли центра прогноза климата, Вели- кобритания (Hadley Centre for Climate Prediction, Met Office, UK, HadCM3 Model).

11.Модель национального института геофизики и вулканоло- гии Италии (INGV, National Centre of Geophysics and Volcanology, Italy, ECHAM 4.6 Model).

12.Французская модель CM4 V1 (IPSL/LMD/LSCE, France, CM4 V1).

13.Модель института атмосферной физики, Китай (LASG, In- stitute of Atmospheric Physics, China, FGOALS1.0_g Model).

14.Модель института Макса Планка, Германия (Max Planck In- stitute for Meteorology, Germany, ECHAM5 / MPI OM).

15.Модель центра метеорологических национальных исследо- ваний, Франция (Meteo-France, Centre National de Recherches Mete- orologiques, CM3 Model).

16.Модель метеорологического института Боннского универ- ситета, Германия (Meteorological Institute of the University of Bonn, ECHO-G Model).

17.Модель института метеорологических исследований, Япо- ния (Meteorological Research Institute, Japan, CGCM2.3.2a).

18.Модель C4x3 НАСА (NASA Goddard Institute for Space Stud- ies, C4x3)

19.Модель Американского Космического Агентства E20/ HYCOM, США (NASA Goddard Institute for Space Studies, Model E20/HYCOM).

20.Модель Американского Космического Агентства E20/Rus- sell, США (NASA Goddard Institute for Space Studies, Model E20/ Russell).

21.Модель национального центра атмосферных исследова- ний CCSM3.0, США (National Center for Atmospheric Research, CCSM3.0).

22.Модель национального центра атмосферных исследований PCM1, США (National Center for Atmospheric Research, PCM1).

23.Модель CM2.0 геофизической лаборатории динамики жид- кости Национального управления океанических и атмосферных ис- следований, США (NOAA Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, CM2.0 Model).

24.Модель CM2.1 геофизической лаборатории динамики жид- кости Национального управления океанических и атмосферных ис- следований, США (NOAA Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, CM2.1 Model).

Моделирование осуществляется для следующих основных пе- ременных: наибольшее число непрерывных засушливых дней; ам- плитуда годового хода температуры воздуха; общее число морозных дней в году; продолжительность вегетационного периода; относи- тельная влажность; содержание замерзшей воды в почве; поверх- ностный сток; общее влагосодержание почвы; влажность почвы в поверхностном слое 10 см; осадки; давление на высоте поверхно- сти; давление на уровне моря; число дней с осадками, имеющими

интенсивность более 10 мм в день; максимальные в году пентадные осадки; длинноволновая уходящая радиация; коротковолновая ра- диация; толщина морского льда; высота снега; температура сред- немесячная и среднегодовая; максимальная в году суточная темпе- ратура воздуха; минимальная в году суточная температура воздуха; температура поверхности океана; геопотенциальная высота; изме- нение уровня мирового океана и ряда других.

Основные характеристики моделей климата, участвовавших в двух проектах CMIP3 и CMIP5, приведены на рис. 14.4, из кото- рого следует, что в проекте CMIP5 практически все модели стали иметь две версии как МОЦАО и как МСЗ – модели системы Земля, которые также включают биологические и химические факторы.

Результаты численных экспериментов по моделям, участвую- щих в этом международном проекте в настоящее время размещены в Интернете в свободном доступе, в частности по проекту CMIP5 [9].

14.4. Климатическая модель института вычислительной математики РАН

Российская климатическая модель, разработанная в институте вычислительной математики (ИВМ) РАН [1, 3] явилась единствен- ной российской моделью, которая участвовала в экспериментах проектов CMIP3 и CMIP5 [6]. На начальном этапе разрешение мо- дели составляло 5×4 ° (соответственно по долготе λ и по широте φ), модель имела 21 уровень по вертикали в атмосфере до высоты 30 км и 39 уровней до высоты 90 км. Модельная область охватывает весь Мировой океан от Антарктиды до 89 °N, включая «острова». В модели рассчитывается сток больших рек, влияющих на распре- деление солености в акваториях и осуществляется расчет эволюции морского льда для описания сезонной изменчивости в Арктике и Южном океане.

В последующих версиях модели разрешение увеличилось и составляло 2×1,5 ° и 1,25×1 °, что позволило более точно воспро- изводить мелкомасштабные явления. В модели океана первоначаль- ное разрешение было уменьшено с 2,5×2 ° до 1×0,5 ° по долготе и широте и количество вертикальных слоев равно 33. Кроме того, в последние версии модели ИВМ включен интерактивный расчет углеродного цикла, цикла метана, химия атмосферы.

Изменились и численные эксперименты: так, если в CMIP3 будущие изменения климата рассматривались только как отклик

Соседние файлы в папке Климатология лабы