Воспроизведение изменений климата в 19-22 столетиях с помощью модели общей циркуляции атмосферы и океана (стр. 1 )

Воспроизведение изменений климата в 19-22 столетиях с помощью модели общей циркуляции атмосферы и океана.

,

опубликовано в Изв. Акад. Наук, Физика Атмосферы и Океана, 2006, №3

Введение.

Одной из важнейших задач современной климатологии является проблема предсказания изменений климата в ближайшие столетия. Мы будем определять климат в узком смысле, принятом в докладе Houghton et al. (2001), где климат определяется как статистическое описание с точки зрения средних значений и изменчивости соответствующих количественных показателей (климатических характеристик) за период времени, от нескольких месяцев до тысяч или миллионов лет. Согласно определению ВМО, классический период осреднения составляет 30 лет (применительно к современному состоянию это 1961–1990 гг). Эти количественные показатели в большинстве случаев представляют собой приземные характеристики, такие, как температура, осадки и ветер и т. д. В более широком смысле климат — это ансамбль состояний, проходящий климатической системой за достаточно большой промежуток времени (см., например, Дымников, Филатов 1984).

Согласно Houghton et al. (2001), наблюдаемые значимые изменения климата главным образом обусловлены антропогенным воздействием, связанным, в основном, с выбросом в атмосферу парниковых газов, аэрозолей и других загрязняющих веществ. Единственный инструмент, который обеспечивает количественные оценки будущих изменений климата – это численная модель климатической системы Земли. Понимание энергетического баланса этой системы на базовом уровне означает, что простые модели типа Будыко (1980) могут обеспечить грубую количественную оценку некоторых глобально усредненных характеристик климата. Однако более точные оценки обратных связей и региональных подробностей могут быть получены только благодаря сложным моделям климата.

Сложный характер процессов, происходящих в климатической системе, не допускает использования экстраполяции прошлых тенденций или статистических и прочих чисто эмпирических методов для получения перспективных оценок. Поэтому в настоящее время проводится международная программа по сравнению прогнозов изменений климата, полученных с помощью различных моделей климата по различным сценариям возможных будущих изменений содержания в атмосфере парниковых газов, аэрозолей и других загрязняющих веществ. Результаты выполнения этой программы будут материалом для четвертого отчета IPCC. В Институте вычислительной математики РАН (ИВМ РАН) в рамках этого сравнения были проведены расчеты по модели общей циркуляции атмосферы и океана. Целью данного проекта является обработка результатов этих расчетов и создание на их основе базы данных по моделированию климата и его изменений.

Описание модели общей циркуляции атмосферы и океана

Модель состоит из блока атмосферы и океана. Она описана в работах Дианский, Володин (2002), Володин Дианский (2003).

В качестве атмосферного блока используется модифицированный вариант модели, описанной в работе Алексеев и др. (1998), с разрешением 5 градусов по долготе, 4 градуса по широте и 21 уровнем по высоте от поверхности Земли до 10 гПа. По вертикали используется сигма-координата. В динамическом блоке конечно-разностные аппроксимации дифференциальной системы уравнений динамики атмосферы в приближении гидростатики выполнены согласно Arakawa, Lamb (1981) на сетке "С" по классификации Mesinger, Arakawa (1976). Прогностическими

переменными являются горизонтальные компоненты скорости ветра, температура, удельная влажность и приземное давление. В конечно-разностной схеме выполняется закон сохранения массы, а также, при отсутствии вязкости, полной энергии и, в приближении мелкой воды, энстрофии.

В блоке динамики используется полунеявная схема интегрирования по в времени (Robert et. al, 1972) c фильтром (Asselin 1972). Шаг по времени при расчете динамических процессов составляет 12 минут. Радиация вычисляется раз в 3 часа, остальная параметризация физических процессов осуществляется раз в час. Вблизи полюсов (начиная с 69 градуса Северного и Южного полушарий) применяется Фурье-фильтрация высокочастотных гармоник вдоль круга широты для всех прогностических переменных. Горизонтальная диффузия температуры и удельной влажности осуществляется вдоль поверхностей равного давления, а компонент горизонтальной скорости - вдоль поверхностей s = const.

В радиационном блоке (Галин 1998) в коротковолновой части спектра рассматривается 18 спектральных интервалов, а в длинноволновой части - 10 спектральных интервалов. Учитывается поглощение радиации водяным паром, облаками, кислородом, озоном, углекислым газом, метаном, закисью азота и аэрозолем. Балл облачности на данном уровне модели рассчитывается диагностически, для чего используются значения относительной влажности и вертикального градиента температуры. Распределения остальных радиационно активных составляющих являются заданными функциями.

Параметризация глубокой и мелкой конвекции построена согласно Betts (1986). В блоке конвекции и конденсации учитываются также следующие процессы: образование крупномасштабных осадков, таяние падающего снега, испарение падающих осадков, "сухое" конвективное приспособление и конвективное трение для случаев глубокой и мелкой конвекции.

Потоки тепла, влаги и импульса на поверхности рассчитываются по аэродинамическим формулам. Турбулентность в пограничном слое атмосферы параметризуется через вертикальную диффузию, коэффициент которой зависит от числа Ричардсона. Потоки тепла и влаги с поверхности суши, а также процессы тепловлагообмена в почве учитываются согласно Володин, Лыкосов (1998).

В модели учитываются также орографическое (Palmer et. al, 1986) и неорографическое (Hines, 1997) гравитационно-волновое сопротивление.

В качестве океанического блока используется одна из версий модели общей циркуляции океана, разработанной в ИВМ РАН (Алексеев, Залесный (1993), Багно (1996), Багно и др. (1996), Залесный (1998), Багно, Залесный (1999)). Подробное описание этой версии модели и ее способности при воспроизведении климата Мирового океана отдельно можно найти в работе Дианский и др. (2002). Здесь приведем лишь основные характеристики модели, которые важны с точки зрения использования модели океана как составного компонента совместной модели. Модель основывается на примитивных уравнениях океана в приближениях Буссинеска, гидростатики и "твердой крышки", записанных в сферической сигма-системе координат. Используемая версия модели Мирового океана имеет пространственное разрешение 2.5х2 градуса по долготе и широте и 33 неравномерных уровня по глубине. В ней в качестве вертикальной переменной используется безразмерная переменная sÎ[0,1], задаваемая с помощью соотношения s = z/H, где H - полная глубина океана, а z - обычная вертикальная координата по глубине. Использовано уравнение состояния, учитывающее сжатие воды с глубиной, специально предназначенное для моделей циркуляции океана (Bryden et. al 1999).

При численной реализации модели применяется метод расщепления (Марчук, 1980) по физическим процессам и пространственным координатам. Этот метод позволяет эффективно реализовывать неявные методы интегрирования по времени. В данной версии модели используются разнесенные пространственные аппроксимации на сетке "В" по классификации Mesinger, Arakawa (1976).

Условие твердой крышки позволяет ввести функцию тока для плоской (баротропной) циркуляции. При этом метод расщепления позволяет вводить функцию тока только на промежуточном этапе расщепления (геострофического приспособления), на котором уравнение для функции тока является линейным (Алексеев, Залесный 1993).

С целью более адекватного описания процессов динамики океана оператор боковой диффузии второго порядка для тепла и соли представлен в форме, эквивалентной горизонтальной диффузии в обычной z-системе координат (Дианский и др., 2002). При этом коэффициенты горизонтальной диффузии для температуры и солености океана брались одинаковыми. В меридиональном направлении коэффициент диффузии задается как функция широты и глубины. Максимальная величина, которую он достигает на поверхности океана и экваторе одновременно равна

1500 м2/c. С глубиной его значение экспоненциально уменьшается с параметром 300 м до 0.4 от величины на поверхности. Он также уменьшается до половины от значения на экваторе в средних и высоких широтах. Коэффициент диффузии в зональном направлении уменьшается к высоким широтам по отношению к коэффициенту диффузии в меридиональном направлении пропорционально косинусу широты.

В данной версии модели вязкость с производными 2-го порядка по пространству играет вспомогательную роль. Ее коэффициент задан малым фоновым значением, не превышающим 2 м2/с. Основную нагрузку по подавлению численного шума в поле горизонтальной скорости несет вязкость 4-го порядка с постоянным значением коэффициента в меридиональном направлении равным 5х1014 м4/с, и уменьшающимся пропорционально четвертой степени косинуса широты в зональном направлении. При приближении к Северному полюсу в модели возникает численный шум, для подавления которого прогностические переменные модели сглаживались вдоль кругов параллелей выше 79 градуса с помощью 3-х точечного фильтра Нансена.

Модельная область охватывает весь Мировой океан, простираясь по широте от берегов Антарктиды до 89 градуса с. ш. Точка Северного полюса выкалывается. При используемом сеточном разрешении это выражается в том, что в окрестности Северного полюса располагается искусственный круглый остров с радиусом в 111 км. Модельная область включает в себя также следующие "острова": Австралию, Антарктиду, Исландию, Кубу, Мадагаскар, Новую Зеландию, Шпицберген и Японию. На твердых границах Евразии, Африки, Северной и Южной Америки, объединенных в один континент, задается нулевое значение функции тока. На контурах вышеназванных островов значения функции тока рассчитываются по методике, изложенной в Марчук и др. (1987). Для бароклинных составляющих скорости на твердых границах ставится условие прилипания, а для температуры и солености ставятся условия отсутствия потоков.

Используемое пространственное разрешение не позволяет в полном объеме рассчитывать обмены через Берингов и Гибралтарский проливы. Поэтому в модели обмены теплом и солью через эти проливы осуществляются только за счет горизонтальной диффузии, что, однако, позволяет несколько улучшить распределение температуры и солености в этих акваториях.