Оценка вероятных будущих изменений климата является одной из важнейших задач не только климатологии, но и всей современной науки. А за результатами подобных исследований следит огромное количество людей - всех тех, кого беспокоит благополучие своих детей и последующих поколений. Сегодня в рубрике «Мнения» об исследованиях климата при поддержке Российского научного фонда рассказывает доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института вычислительной математики им. Г. И. Марчука Евгений Михайлович Володин. Он вместе с коллегами по ИВМ РАН В. В. Брагиной, А. Ю. Черненковым и М. А. Тарасевич занимается моделированием последствий антропогенных воздействий на климат Земли.
The post Прогнозы изменения климата в XXI веке appeared first on Хайтек.
Если рассматривать ожидаемые изменения климата в XXI веке, то основной вероятной причиной изменений являются воздействия человека на климатическую систему. Эти воздействия можно условно разделить на несколько групп.
Первая — выбросы парниковых газов. Парниковыми называются газы, которые поглощают излучение в инфракрасном диапазоне сильнее, чем в видимом. Их концентрация растет вследствие деятельности человека, что усиливает парниковый эффект. Это в первую очередь углекислый газ и метан, а также закись азота, озон, хлорфторуглероды. Общепринятой мерой увеличения парникового эффекта считается радиационное воздействие вследствие роста концентрации каждого из газов. Так, радиационное воздействие от увеличения концентрации СО2 к 2019 году по сравнению с доиндустриальным уровнем составляет примерно 2.16 Вт/м2. Это означает, что в атмосфере появляется дополнительный источник тепла, который имеет такую мощность. Вклад СН4 составляет 0,54 Вт/м2, озона — 0,47 Вт/м2, закиси азота — 0,21 Вт/м2, остальных парниковых газов суммарно — около 0,4 Вт/м2. Оценки взяты из 6-го Оценочного доклада Международной группы экспертов по изменению климата (6-й ОД МГЭИК, Т.1). И в будущем, вероятно, рост парникового эффекта будет связан в первую очередь с ростом концентрации СО2 и СН4, О3, а также N2O. Поэтому для прогноза изменений климата необходимо оценить концентрации в атмосфере этих газов в будущем.
Вторая группа воздействий — это антропогенный рост концентрации аэрозолей, прежде всего сульфатов, которые образуются после сжигания серосодержащего топлива, например, каменного угля. Растет в атмосфере также концентрация черного углерода (сажи) и органических аэрозолей. Аэрозоли более интенсивно поглощают солнечное излучение, а с инфракрасным взаимодействуют меньше, поэтому они, как правило, охлаждают климатическую систему. Их радиационное воздействие оценивается примерно в –0,2 Вт/м2. Кроме того, аэрозоли являются ядрами конденсации при формировании облаков, при больших концентрациях аэрозолей облака могут иметь меньший размер капель, образование выпадающих вниз крупных капель будет идти медленнее, и поэтому такие облака будут отражать обратно в космос больше солнечного излучения. Радиационное воздействие такого — непрямого — эффекта аэрозолей оценивается в интервале от –0,5 до –1,5 Вт/м2. Такое воздействие частично компенсирует парниковый эффект.
Наконец, третий тип воздействия — это изменения на самой поверхности Земли в результате деятельности человека. Вместо лесов появляются поля, сады и города, осушаются болота или, наоборот, вместо пустыни появляются участки орошаемого земледелия. Суммарное воздействие от этого оценивается примерно в –0,2 Вт/м2, однако локально эффекты могут быть гораздо больше, причем как отрицательного, так и положительного характера.
Чтобы получить прогноз изменений климата, надо сначала разработать сценарий эмиссии человеком парниковых газов, аэрозолей, а также землепользования. Мировое научное сообщество работает в этом направлении на основе некоторых предположений о путях развития человечества. В результате появляются различные сценарии выбросов парниковых газов, аэрозолей и землепользования, подразумевающие различную интенсивность использования природных ресурсов и различную скорость перехода на неуглеводородные источники энергии. Такие сценарии обновляются каждые 7-8 лет. Последняя группа сценариев описана в работе Meinhausen et al., (2020) и имеет общее сокращенное название SSP (Shared Socio-economic Pathways). Эта группа подразумевает 5 возможных путей развития человечества:
Внутри каждого пути рассматриваются несколько различных сценариев, так что всего получается несколько десятков сценариев. Затем с помощью моделей, учитывающих реакции океана, наземных экосистем, вечной мерзлоты и других компонент климатической системы по заданным эмиссиям парниковых газов рассчитываются концентрации газов в атмосфере. Сейчас примерно половина антропогенных эмиссий СО2 остается в атмосфере, а оставшаяся половина поглощается океаном и наземными экосистемами. В будущем эта пропорция может меняться в зависимости от сценария.
Отметим также, что приборами хорошо измеряется лишь количество сжигаемого человечеством углерода и содержание углерода в атмосфере, несколько хуже — содержание в океане и совсем плохо — в наземных экосистемах. Поэтому основным путем определения количества углерода в наземных экосистемах и пропорций распределения СО2 между компонентами климатической системы является моделирование. Процесс пересчета эмиссий в концентрации также описан в работе Meinhausen et al. (2020). В краткое название каждого из сценариев входит два числа: путь развития человечества и величина антропогенного радиационного воздействия согласно этому сценарию в Вт/м2. Например, в сценарии SSP2-4.5 рассматривается путь развития человечества 2, и радиационное воздействие в 2100 году равное 4,5 Вт/м2. Чем больше величина радиационного воздействия, тем больше концентрации парниковых газов и тем большего повышения температуры можно ожидать.
Для примера рассмотрим изменение концентрации СО2 в 2015–2100 г. при четырех наиболее употребительных сценариях: SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP3-7.0, SSP5-8.5 (рис. 1). Доиндустриальная концентрация СО2 составляет около 280 ppm, современная — около 420 ppm. В будущем при различных предположениях о путях развития человечества концентрация СО2 может изменяться в широких пределах и составляет примерно 450 ppm при сценарии SSP1-2.6, 600 ppm для SSP2-4.5, 870 ppm для SSP3-7.0 и 1130 ppm для SSP5-8.5.
Чтобы получить прогноз изменений климата, необходимо провести численный эксперимент с климатической моделью, в которой концентрации или эмиссии парниковых газов, аэрозолей и изменение землепользования заданы согласно разработанным сценариям. Климатические модели создаются таким образом, чтобы максимально полно учитывать все основные процессы, влияющие на климат. В их число входят:
Модели климата устроены примерно так же, как и самые современные модели прогноза погоды. В некоторых метеоцентрах для прогноза погоды и прогноза изменений климата используется одна и та же модель. Такие модели постоянно совершенствуются: уточняются параметризации физических процессов, влияющих на климат, совершенствуются численные методы решения уравнений. Для счета моделей климата, как и моделей прогноза погоды, требуются самые современные компьютеры с тысячами вычислительных ядер. И даже на таких компьютерах счет на столетие может занимать от нескольких дней до нескольких десятков дней реального времени. Причем, как правило, для учета неопределенности производится расчет не одного прогноза, а ансамбля прогнозов, и результат воспроизведения современного климата определяется средним по ансамблю и статистическими характеристиками ансамбля.
Модель климатической системы развивается и в России, в Институте вычислительной математики им. Г. И. Марчука РАН. Она использовалась для прогнозов изменения климата. Модель климатической системы ИВМ РАН в последние годы используется также совместно с Гидрометцентром РФ для прогноза погоды на сезон и на период 1–5 лет, а также для воспроизведения климатов прошлого.
Примеры воспроизведения современного климата и прогнозы изменений климата для различных сценариев, выполненные при помощи указанной модели, можно найти среди результатов других климатических моделей, в 4-м ОД МГЭИК (2007), 5-м ОД МГЭИК (2013) и 6-м ОД МГЭИК (2020). В частности, в 6-м ОД МГЭИК (Том 1, гл. 4, рис. 4.2) показано, что при сценарии SSP1-2.6 к концу XXI века ожидается изменение температуры примерно на 2 градуса по сравнению с доиндустриальным уровнем, при сценарии SSP2-4.5 — на 3 градуса, при сценарии SSP3-7.0 — на 4,5 градуса, при сценарии SSP5-8.5 — на 5,5 градусов.
Это средние значения по всем существующим сейчас климатическим моделям. Данные разных моделей могут довольно заметно различаться. Например, для сценария SSP3-7.0 данные моделей лежат в интервале от 3,5 до 6,0 градусов. Причин того, почему прогнозы разных моделей различаются, много. Одна из наиболее существенных — различные способы моделирования облачности. Уточнение климатических моделей и получаемых с их помощью прогнозов изменения климата — одна из важнейших современных задач. Результаты прогнозов глобально осредненной температуры по модели климата ИВМ РАН находятся примерно в середине этого интервала или чуть выше середины (рис. 2).
Конечно, климатические модели предсказывают не только изменение глобальной температуры, но и изменения всех элементов климатической системы. Изучая модельные прогнозы, можно узнать, например, как изменится продолжительность вегетационного периода в каком-либо месте, станет ли больше засух и наводнений, насколько быстро будет таять арктический и антарктический лед, ослабеет ли Гольфстрим, и если да, то насколько, как быстро будет таять вечная мерзлота и многое-многое другое.
Для примера приведем изменение приземной температуры воздуха в 2081–2100 г. по сравнению с 2001–2020 г. при сценарии SSP3-7.0 для декабря-февраля (рис. 3) и июня-августа (рис. 4) и по данным модели климата ИВМ РАН.
Можно видеть, например, что на территории России в умеренных широтах ожидаемое потепление зимой составляет 5–7 градусов, а на севере Сибири — до 10 градусов. В Арктике зимнее потепление еще больше и достигает 13–15 градусов. Летом на территории России самое большое потепление ожидается на юге.
Обложка — downloaded from Freepik.
The post Прогнозы изменения климата в XXI веке appeared first on Хайтек.
