Менжулин Г.В. , Шамшурин В.И. , Савватеев С.П.

1. Анализ достоверности модельных сценариев региональных изменений климата, рекомендуемых комиссией IPCC для расчета последствий глобального потепления Менжулин Г.В., Шамшурин В.И., Савватеев С.П. Центр междисциплинарных исследований по проблемам окружающей среды РАН Санкт-Петербург , 191187, наб.Кутузова 14, тел.: ( 812)273-2113, факс: (812)272-4265 Электронная почта:inenco@mail.neva.ruИнтернет страница:www.inenco.org Доклад на международной конференции по изменениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды ENVIROMIS-2004  Россия, Томск 16-25 июля, 2004

2. The Analysis of Reliability of Model Climate Changes Scenarios IPCC Recommended for Impact Assessments The Analysis of Reliability of Model Climate Changes Scenarios IPCC Recommended for Impact Assessments Menzhulin G.V., Shamshurin V.I., and Savvateyev S.P. Research Center for Interdisciplinary Environmental Cooperation of RAS St.Petersburg , 191187, 14 Kutuzova Emb., tel.( 812)273-2113, fax (812)272-4265 E-mail:inenco@mail.neva.ru, website:www.inenco.org Presentation on ENVIRONMIS-2004 Conference Tomsk, Russia July 16-25, 2004 Tomsk, Russia July 16-25, 2004

3. Источники информации для расчета адекватности воспроизведения современного климата с помощью моделей, рекомендуемых IPCC 1. Эмпирические данные а) Мировой Центр данных “А”, Национальный Центр климатической информации США. Архив исторических климатических данных, массивы “ROW” и “ADJUSTED” ежемесячных значений температуры приземного воздуха и атмосферных осадков. Около 16 тысяч станций по температуре и 20 тысяч станций по осадкам по территории Земного шара. Для территории бывшего СССР данные до 1990 года представлены для 311 станций по температуре приземного воздуха и для 707 станций по атмосферным осадкам. б) Климатический справочник СССР. Дополнительная метеорологическая информация по территории бывшего СССР. Ежемесячные данные по температуре приземного воздуха и атмосферным осадкам за период 1951-1965гг. для более чем 5 тысяч станций и постов. 2. Модельные данные Результаты компьютерных экспериментов по семи моделям, рекомендуемым комиссией IPCC, представляемые Центром IPCC по распространению информации (IPCCDataDistribution Center). 3. Топографическая информация Данные спутникового зондирования возвышения поверхности континетов GTOP (Центр Данных EROSUSGS,SiouxFalls, SouthDakota).

4. Источники неопределенности оценок точности восстановления современного климата климатическими моделями,рекомендуемыми IPCC 1.Различия в постановке численных экспериментов по разным климатическим моделям. Метод устранения - использование результатов однотипно поставленных численных экспериментов. 2.Несоответствие географических координат и высот метеорологических станций и узловрегулярных сеток моделей. Методы устранения: - Выбор парных сочетаний “метеостанция - узел регулярнойсетки модели”, удаленных друг от друга на приемлемое расстояние. - Приведение значений метеоэлементов к одному уровню (уровню моря). - Интерполяция значений метеоэлементов из узлов регулярных сеток моделей к координатам местоположения метеорологических станций. 3. Различия в оценках точности модельного восстановления климатических характеристик для разных регионов больших территорий. Метод устранения – расчеты для отдельных климатических зон больших территорий .

5. Модель Европейского Центра общества Макса Планка (Гамбург, Германия) Название модели:ECHAM4 Годы разработки:с 1992 года Тип модели:спектральная -T42 (Т21, Т106) Разрешение по горизонтали:2.8о по широте, 2.8опо долготе Разрешение по вертикали:19 уровней в атмосфере Чувствительность:2.6 оC Проведенные модельные эксперименты Этап согласования. Расчет динамики характеристик климатической системы в модельные 1000 лет, в предположении о неизменности климатообразующих факторов. Первый модельный эксперимент. В период с 1860 - 1990 годы рост концентрации парниковых газов в атмосфере задавался согласно имеющимся историческим данным. После 1990 года (до 2099 года) годовой прирост эквивалентной концентрации парниковых газов принимался равным 1%. Второй модельный эксперимент.Динамика эквивалентной концентрации парниковых газов принималась такой же, как и в первом эксперименте. Дополнительный учет эффекта сульфатного стратосферного аэрозоля (посредством эквивалентного увеличения альбедо системы “Земля-атмосфера” при ясном небе). Для периода 1860-1990гг.использовались исторические данные о динамике развития мировой индустрии, в расчетах для периода 1990- 2049гг. Использовался эмиссионный сценарий IPCCIS92A.

6. Модель Британского метеорологического Центра им.Гадлея Название модели:HadCM2 Годы разработки:с 1993 года Тип модели:боксовая Разрешение по горизонтали: 2.5 о по широте, 3.75о по долготе Разрешение по вертикали:11 уровней в атмосфере Чувствительность:2.5 оC Проведенные компьютерные эксперименты. Четыре численных эксперимента с начальными условиями для эволюционных уравнений,группирующимися в диапазоне естественной изменчивости для 1860г. 1. Повышение эквивалентной концентрации парниковых газов ватмосфере в период 1860-1989гг. Согласно историческим данным и ежегодный ее прирост, равный1% в период 1990-2099гг. 2.Повышенние эквивалентной концентрации парниковых газов ватмосфере в период 1860-1989гг.Согласно историческим данным и ежегодный ее прирост, равный0.5% в период 1990-2099гг. 3.Повышенние эквивалентной концентрации парниковых газов ватмосфере плюс рост содержания сульфатного стратосферного аэрозоля согласно историческимданным в период 1860-1989гг. и ежегодный прирост эквивалентной концентрации парниковых газов на 1% и увеличениесодержания сульфатного аэрозоля согласно сценарию (IPCC IS92a SO4) впериод 1990-2099гг. 4. Повышенние эквивалентной концентрации парниковых газов в атмосфере плюс рост содержания сульфатного стратосферного аэрозоля согласно историческим данным в период 1860-1989гг. и ежегодный прирост эквивалентной концентрации парниковых газов на 0.5% и увеличение содержания сульфатного аэрозоля согласно сценарию (IPCCIS92dSO4) в период 1990-2099гг.

7. Модель лаборатории геофизической гидродинамики Принстонского университета, США Название модели:GFDL-R15 Годы разработки:с 1991 года Тип модели:Спектральная - R15 Разрешение по горизонтали: 4.5о по широте, 7.5опо долготе Разрешение по вертикали:12 уровней в атмосфере Чувствительность:3.7 оC Проведенные компьютерные эксперименты Два численных эксперимента с учетом: - Повышения эквивалентной концентрации парниковых газов в атмосфере в период1860- 1989гг. согласно историческим данным и ежегодного ее прироста, равного 1% в период 1990-2099гг. -Повышения эквивалентной концентрации парниковых газов в атмосфере плюс роста содержания сульфатного стратосферного аэрозоля согласно историческим данным в период 1860-1989гг., а также ежегодного прироста эквивалентной концентрации парниковых газов на 1% и увеличения содержания сульфатного аэрозоля согласно сценарию (IPCC IS92a SO4) в период 1990-2099гг.

8. МодельКанадского центра климатического прогноза и анализа Название модели:CGCM1 Годы разработки:с 1992 года Тип модели:Спектральная – Т32 Разрешение по горизонтали: 3.75о по широте, 3.75опо долготе Разрешение по вертикали:10 уровней в атмосфере Чувствительность:3.5оC Проведенные компьютерные эксперименты Четыре численных эксперимента: Первые три из которых отличались только начальными условиями для эволюционных уравнений модели. Начальные условия группировались в пределах естественной изменчивости характеристик климатического режима для 1850г. В этих трех экспериментах учитвалось повышение эквивалентной концентрация парниковых газов в атмосфере плюс рост содержания сульфатного стратосферного аэрозоля согласно историческим данным в период 1860-1989гг., а также ежегодный прирост эквивалентной концентрации парниковых газов на 1% и увеличение содержания сульфатного аэрозоля согласно сценарию (IPCC IS92a SO4) в период 1990-2099гг. В четвертом эксперименте моделировалось воздействия на климатическую систему только увеличения эквивалентной концентрации парниковых газов (исторические данные - для периода 1960-1989гг. и годового прироста в 1% для эквивалентной концентрации в период 1990-2099гг).

9. Модель Австралийского научно-исследовательского института Сообщества Наций Название модели:CSIRO-Mk2 Годы разработки:с 1995 года Тип модели:Спектральная - R21 Разрешение по горизонтали: 5.6о по широте, 3.2опо долготе Разрешение по вертикали:9 уровней в атмосфере Чувствительность:4.3оC Проведенные компьютерные эксперименты В первом модельном эксперименте (интегрирование с 1880г) учитывался только рост эквивалентной концентрации парниковых газов, в период с 1880-1990гг. описываемый с использованием исторической информации, после 1990г. - представляемый согласно сценарию IPCC IS92A, что составляет приблизительно 1% в год. - Во втором модельном эксперименте через увеличение альбедо системы “Земля-атмосфера” учитывался эффект роста содержания сульфатного аэрозоля в стратосфере (до 1989г. - согласно историческим данным, после 1990г. - по сценарию IPCC IS92d SO4).

10. Модель Национального Центра атмосферных исследований США Название модели:NCAR-DOE Годы разработки:с 1995 года Тип модели:Спектральная - R15 Разрешение по горизонтали: 4.5о по широте, 7.5опо долготе Разрешение по вертикали:9 уровней в атмосфере Чувствительность: 4.6 оC Проведенные компьютерные эксперименты Два расчета, каждый из которых начинался с условий 1900г. В первом эксперименте моделировалось влияние на климатическую систему только роста эквивалентной концентрации парниковых газов (в период 1900-1989гг. - согласно историческим данным, в период 1990-2035гг. - в предположении 1% ежегодного прироста эквивалентной концентрации парниковых газов). Во втором эксперименте, кроме действия парниковых газов, учитывался и радиационный эффект сульфатного стратосферного аэрозоля, который представлялся посредством апприорно задаваемого географического распределения, имевшего также и временную изменчивость.

11. Модель Национального института Японии по изучению окружающей среды Название модели:CCRS/NIES Годы разработки:с 1996 года Тип модели:Спектральная – Т21 Разрешение по горизонтали:5.6о по широте, 5.6опо долготе Разрешение по вертикали:20 уровней в атмосфере Чувствительность:3.5оC Проведенные компьютерные эксперименты Три модельных эксперимента для периода 1890-2090гг.: Контрольный эксперимент, при котором концентрация парниковых газов в атмосфере поддерживалась постоянной, равной 345 ppm, а содержание сульфатного стратосферного аэрозоля была близка к нулю. В первом эксперименте концентрация парниковых газов в период 1890-1989гг. увеличивалась согласно историческим данным, в период 1990-2090гг.приростала на 1% в год. Концентрация сульфатного аэрозоля оставалась близкой к нулю. Во втором эксперименте увеличение содержания антропогенного аэрозоля происходило вместе с увеличением концентрации парниковых газов в предположении его неравномерного географического распределения согласно (Langer и Rodhe, 1991) с интерполяцией между 1986, 1990 и 2050гг.

12. К процедуре приведения значений метеоэлементов к стандартному уровню Метеостанция Ti,j,k│z=0=Ti,j,k│z=h– γi,jhk

13. Приведение значений температуры приземного воздуха, измеренной на уровне метеостанции к стандартному уровню Карта-схема климатических областей и районов бывшего СССР согласно классификации Алисова по циркуляционным факторам

14. Средние многолетние значения вертикальных градиентов температурывоздуха для 24 климатических регионов бывшего СССР, рассчитанные с использованияем регрессионных моделей

15. Составление ансамбля пар модельное - эмпирическое значение метеоэлементов 1. Если расстояние между станцией и ближайшим узлом регулярной сети модели не превышает 30 км, то в качестве модельных значений метеоэлементов на станции (T*, P*) выбирается его значение в этом ближайшем узле. 2. Если расстояние между станцией и ближайшим узлом регулярной сети модели превышает 30 км, то в качестве модельных значений метеоэлементов на станции (T*, P*) выбирается его интерполированное по 4 (16) ближайшим узлам регулярной сети. Процедура интерполяции KTi= KT0exp (-ρi/RT); KiP=K0,Pexp (-ρi/RP); ai(T,P) = Ki(T,P) / Σ Ki(T,P) T* =ΣaiT Ti ; P* =Σ aiP Pi ; Ki(T,P) - коэффициенты корреляции K0(T,P) - эмпирические константы RT, RP- радиусы корреляции (1500 км, 600 км) ai(T,P) - веса

16. Карта-схема взаимного расположения метеостанций и узлов регулярной сети модели ECHAM4 на территории бывшего СССР

17. К оценке зависимости разности значений метеоэлементов в узлах модельной сетки и на ближайших метеостанциях (HadCM2 - январь,температура, град.С ; ECHAM4 - январь, осадки, мм. в день)

18. Воспроизведение термического режима

19. Примеры расчета показателей точности воспроизведения термического режима

20. Сезонные изменения параметра сравнения а для семи рекомендумых моделей

21. Сезонные изменения параметра сравненияbдля семи рекомендумых моделей

22. Сезонные изменения параметра сравненияσ для семи рекомендумых моделей

23. Воспроизведение термического режима моделями ECHAM4 и HadCM2.Упрощенная схема - левые столбцы, полная схема - правые столбцы.

24. Воспроизведение режима осадков

25. Примеры расчета показателей точностивоспроизведения режима осадков

26. Сезонные изменения параметра сравненияапо осадкам для семи рекомендумых моделей

27. Сезонные изменения параметра сравненияbпо осадкам для семи рекомендумых моделей

28. Сезонные изменения параметра сравненияσпо осадкам для семи рекомендумых моделей

29. Воспроизведение режима осадков моделью ECHAM4.Упрощенная схема - левые столбцы, полная схема - правые столбцы.

30. Таблицы рейтинга моделей Воспроизведение термического режима Воспроизведение режима осадков (первый метод) Воспроизведение режима осадков (второй метод)

31. Выводы - Все рекомендованные модели общей циркуляции атмосферы и океана достаточно схематично воспроизводят картину современного климата. Рекомендуемые модели, и в первую очередь наиболее проработанные, способны удовлетворительно описать закономерности территориального распределения и временной динамики температуры приземного воздуха. Принимая во внимание оценки достоверности воспроизведения термического режима приземного воздуха, модельные сценарии изменений его температуры в ближайшие десятилетия, по их адекватности можно расположить в следующем порядке:1.ECHAM4, 2.HadCM2, 3.GFDL, 4.CGCM, 5.CSIRO-Mk2, 6.NCAR-DOE, 7.CCRS/NIES. Воспроизведение пространственного распределения и сезонной динамики атмосферных осадков всеми рекомендуемыми моделями нельзя считать удовлетворительным. Точность модельных воспроизведений режима осадков много меньше, чем точность воспроизведения температуры. Согластно оценкам адекватности воспроизведения режима осадков из всех моделей можно выделить и рекомендовать к использованию в расчетах последствий ожидаемых изменений климата,в первую очередь, сценарии, полученные с использованием моделейECHAM4 и HadCM2.