Моделирование регионального климата

УДК 551.5

А.А. Фоменко

ИВМиМГ СО РАН, Новосибирск МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕГИОНАЛЬНОГО КЛИМАТА

A.A. Fomenko

Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics (Computing Center),Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences6, ave. Ac. Lavrentjeva, Novosibirsk, 630090, Russia

MODELING OF THE REGIONAL CLIMATE

The instrument of mathematical modeling is the major tool in the determination of tasks of mathematical physics, to which the problem of study of a climate and its changes concerns also. The changes of a climate caused by the natural and anthropogenesis factors grow out of complex nonlinear interactions of physical, chemical and biological processes in an atmosphere, ocean and ground. As the research of climatic system represents search of an explanation of behavior of a climate for the period from one year to centuries, the basic attention is given to study of mechanisms of interaction between the specified subsystems of climatic system. The present work is devoted to the description of the concept of creation of model of climatic system for research of a global climate and climate of Siberia on the basis of results received recently in a department of mathematical modeling in the field of physics of an atmosphere, ocean and problems of an environment of Institute of computational mathematics and mathematical geophysics of SB RAS.

Задача оценки влияния изменений климата на развитие биосферы и человеческого сообщества в целом, является первостепенной задачей современной науки. Важность решения этой проблемы определяется необходимостью выбора стратегии в дальнейшем развитии общества для предотвращения глобальных и региональных климатических и экологических катастроф.

Из существенных региональных проявлений глобальных изменений климата в Сибири можно выделить следующие:

- Трансформация гидрологического цикла в регионе, включающая изменение стока великих Сибирских рек и режима Больших Васюганских болот;

- Изменение зон вечной мерзлоты и как следствие - увеличение потоков метана в атмосферу;

- Повышение уровня океана и связанные с ним возможные катастрофические последствия для региона;

- Изменение ледовитости Арктических морей и изменение в связи с этим цикла пресной воды на Земном шаре.

Исследования, проводимые в Институте вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, направлены на изучение климатических изменений глобального и регионального масштабов, которые могут

произойти в Сибири. В институте имеется большой опыт в решении сложных задач геофизической гидродинамики, к которым относятся проблемы изучения изменения климата Земли. Разработаны численные модели циркуляции атмосферы и океана, адекватно описывающие сложную нелинейную динамику атмосферных и океанических процессов, и методы усвоения данных наблюдений и верификации моделей.

Основные цели исследований можно сформулировать в виде двух задач:

- Определение и оценка региональных проявлений глобальных

изменений климата в Сибирском регионе;

- Выделение и оценка возможного влияния региональных

особенностей на климат в глобальном масштабе.

Проводимые исследования базируются на математических моделях, включающих в себя совместную модель циркуляции атмосферы, океана и суши, модели пограничных слоев, модели переноса и трансформации примесей в атмосфере и океане, а также класс моделей, дающих оценки влияния климатических изменений на различные компоненты экологической обстановки Сибирского региона.

В настоящее время в мировой практике используется достаточно широкий класс совместных климатических моделей. Наиболее известные из них такие, как модель Национального центра атмосферных

исследований США [1], модель Макс-Планк института метеорологии

Гамбургского университета [2], а также модели Института вычислительной математики РАН [3] и Главной геофизической обсерватории [4].

Глобальные модели общей циркуляции используются для моделирования климата, исследований влияния внешних факторов на климатические вариации на различных временных масштабах, для изучения обратного влияния на атмосферу подстилающей поверхности, покрытой льдами, растительностью и т. п. [7]. Тем не менее, они имеют ряд ограничений своей применимости, связанные с недостаточностью разрешения региональных особенностей. Одним из подходов, который позволяет обойти эти трудности, является моделирование регионального климата. Пространственное разрешение в региональных моделях климата увеличивается так, чтобы можно было явно описать мезомасштабные явления, которые обусловлены, в том числе и мезомасштабными особенностями подстилающей поверхности региона. На боковых границах в качестве краевых условий используются либо результаты глобального анализа наблюдений, либо данные численного моделирования общей циркуляции атмосферы. Идея регионального моделирования получила развитие в работе [5] и нашла применение при исследовании регионального климата Сибири.

Модель климатической системы

Изменения климата, естественные или вызванные антропогенными причинами, являются результатом сложных нелинейных взаимодействий физических, химических и биологических процессов в атмосфере, океане и

поверхности суши. Так как исследование климатической системы представляет собой поиск объяснения поведения климата на период от года до столетий, основное внимание в настоящее время следует уделить изучению механизмов взаимодействия между физическими, химическими и биологическими подсистемами.

Модель атмосферы. В настоящее время в этом направлении предпринята попытка создания глобальной совместной модели на базе моделей атмосферы Института вычислительной математики (ИВМ) РАН, Института вычислительной математики и математической геофизики (ИВМиМГ) СО РАН и модели биосферы поверхности Земли ИВМиМГ СО РАН. При этом большое внимание уделяется параметризации физических процессов подсеточных масштабов. Описание модели общей циркуляции атмосферы ИВМ РАН и результаты моделирования глобального климата 1979-1995 гг. по международной сравнительной программе АМ1Р-П, в которой участвовала модель, представлены в работе [3]. Для моделирования глобального климата использованы реальные данные о температуре поверхности океана и распределении морских льдов за тот же период времени. Учитывается суточный и сезонный ход Солнца. Концентрация парниковых газов в атмосфере фиксируется.

Модели биосферы поверхности Земли являются одними из основных компонентов климатической системы. Модели поверхности Земли снабжают приземными потоками скрытого и явного тепла, коротковолновой и инфракрасной радиации модель общей циркуляции атмосферы. Потоки СО 2 у поверхности Земли, которые имеют ярко выраженный суточный и сезонный циклы, являются составной частью глобального цикла С02 и, следовательно, частью климатической системы.

Модели океана занимают одно из ключевых мест в создании базовой модели климата. Океан является важным фактором, влияющим на изменение климата Земли на временных масштабах больше года. Так, межгодовая изменчивость, проявляющаяся в возникновении явления Эль-Ниньо, существенным образом зависит от волновых процессов тропического океана. Периоды взаимодействий порядка столетий связаны с изменениями в термодинамической структуре Мирового океана. Региональная направленность исследований выдвигает в качестве акваторий, требующих особого внимания, северную часть Тихого океана и Арктический океан. Эти направления реализованы в виде моделей циркуляции Тихого, Арктического океанов, Северной Атлантики и Мирового океана в целом [8, 9, 10, 11].

Океан также является одним из основных регуляторов парниковых газов, так как наличие гидрофизических и биохимических процессов делает его как источником, так и стоком. Таким образом, океан и его гидрохимические системы играют значительную роль в климатических изменениях. Вследствие этого необходима разработка моделей углеродного цикла в океане, моделей распространения сопутствующих биогенных элементов, а также моделей переноса и трансформации метана.

На основе всего вышесказанного развитие моделей океана проводится в двух направлениях:

- Моделирование циркуляции Мирового океана и его частей;

- Моделирование гидрохимических процессов в океане.

Модели морского льда. Морской лед является важной частью климатической системы. Льды полярных океанов привлекают внимание климатологов по двум причинам. Во-первых, глобальный цикл пресной воды управляется процессами формирования донных вод на севере и юге Атлантики. Вынос льда в низкие широты играет основную роль в этом цикле. Во-вторых, сценарные эксперименты по изучению отклика климатической системы на увеличение СО2 показывают существенное потепление в полярных районах. Связанные с этим изменение процессов льдообразования и изменение гидрологического цикла требуют детального изучения. Модели льда представляются как двумерный континуум, характеризующийся такими переменными как толщина льда и снега, сплоченность льда и скорость его дрейфа [12]. Важной характеристикой также является учет внутренних напряжений в массе льда.

Методы усвоения данных наблюдений и верификация моделей. Моделирование климатических характеристик связано с необходимостью использования больших массивов данных наблюдений. Математическое моделирование в климатических задачах связано с созданием взаимодействующих комплексов модель - данные, объединенных в единое целое специальными алгоритмами, основанными на динамико-стохастических и вариационных подходах.

Организация модели климатической системы (МКС). МКС представляет собой систему, состоящую из отдельных компонентов, которые взаимодействуют между собой с помощью специального программного блока

- интегратора совместной модели. Интегратор организует гибкое управление обменом данными между подмоделями атмосферы, биосферы, льда и океана. Такая программа позволяет выполнять климатические эксперименты, параллельно считая отдельные компоненты системы на разных процессорах.

Заключение

Сибирский регион, характеризующийся большими пространственными масштабами, является климатической зоной с континентальным и резко континентальным климатом в ее центральной части. Следствием этого своеобразия может являться то, что изменения климата на Земле в глобальном масштабе будут определенным образом проявляться в данном регионе, вызывая изменения характерных региональных составляющих климатического цикла. С другой стороны активное использование ресурсов Сибири, Дальнего Востока и Арктического региона, включая Сибирский шельф, с сопутствующими процессами вырубки лесов, осушения болот на больших площадях, загрязнения воздуха и прибрежных вод Тихого и Ледовитого океанов могут проявляться в глобальных изменениях климатической системы.

Основные причины глобальных изменений климата определяются годовым балансом количества тепла, полученного планетой, его распределением в пространстве и сезонным распределением этого баланса.

Все факторы, воздействующие на климат взаимосвязаны, и их сложное нелинейное взаимодействие может быть оценено только на основе комплексного моделирования с использованием совместных климатических моделей.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Boville B.A. and P.R.Gent // J.Climate. 1998. V.11. P. 1115-1130.

2. Roeckner E. Simulation of the present-day climate with the ECHAM model: Impact of model physics and resolution / E. Roeckner, K. Arpe, L. Bengtsson, et. al./ Hamburg, 1992. (Report / Max-Planck-Institut fur Meteorologie, № 93).

3. Алексеев В.А. Моделирование современного климата с помощью атмосферной модели ИВМ РАН. Описание модели А5421 версии 1997 года и результатов эксперимента по программе AMIP II / В.А. Алексеев, Е.М. Володин, В.Я. Галин, В.П. Дымников, В.Н. Лыкосов / М.: ИВМ РАН, 1998. 121 с.

4. Шнееров Б.Е., Мелешко В.П., Соколов А.П.и др. / Труды ГГО, 1997. №. 544. С. 3-123.

5. Fomenko A.A. A finite-difference model of the atmospheric dynamics with the conservation laws / A.A. Fomenko, V.N.Krupchatnikov / Bulletin of the Novosibirsk Computing Center, Numerical Modeling in Atmosphere, Ocean and Environment Studies, № 1, 1993 - P. 17-31.

6. Krupchatnikoff V. / Russian J. Num. Anal. and Math. Modelling. 1998. V.13., № 6. P. 479-492.

7. Krupchatnikoff V.N. Numerical simulation of climate problems / V.N. Krupchatnikoff, V.I. Kuzin / UNESCO, EOLSS Publishers Co Ltd, part 6.4.5.3., pp25, 2005.

8. Кузин В.И. Отклик океана на атмосферные воздействия в период Эль-Ниньо. / В.И. Кузин,

В.М. Моисеев / Метеорология и гидрология, М.: Изд. Центр «Метеорология и гидрология», 2002, № 7, С. 47-56.

9. В.И. Кузин Моделирование гидрофизических характеристик системы Северный Ледовитый океан - Северная Атлантика. В кн. «Фундаментальные исследования океанов и морей» / В.И. Кузин, Е.Н. Голубева, Г.А. Платов / ред. Н.П. Лаверов, М.: «Наука», Книга 1, 2006, С. 166-190.

10. Kuzin V.I. Numerical simulationof impirityand fresh water propagation in the Arctic-North Atlantic system. / V.I. Kuzin, E.N. Golubeva, G.A. Platov / Russian J.of Num. Analysis and Math. Modelling, 2002, Vol. 21, № 1, P 321-343.

11. Саркисян А.С. Математические модели циркуляции океанов и морей / А.С. Саркисян,

В.Б. Залесный, Н.Д. Дианский, Р.А. Ибраев, В.И. Кузин и др. / Коллективная монография «Современные проблемы вычислительной математики и математического моделирования» / под ред. В.П. Дымникова / 2005. - Т. 2. С. 174-227.

© А.А. Фоменко, 2008