Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 490, № 1, стр. 27-32

На основе численных расчетов с глобальной климатической моделью оценены глобальные и региональные изменения климата в голоцене. Согласно полученным результатам, современный среднегодовой уровень глобальной приповерхностной температуры в последние десятилетия превысил соответствующие значения в течение предыдущих 10 тыс. лет, в том числе в период так называемого “оптимума голоцена” (иначе – среднего голоцена, около 6 тыс. л.н.). При этом современные температурные режимы для отдельных регионов (в частности, для европейского региона) могут не достигать еще уровня максимального потепления в среднем голоцене. Глобальные и региональные климатические изменения и изменения характеристик углеродного цикла в последнее столетие по модельным расчетам (с учетом антропогенных воздействий) существенно отличаются от изменений в предыдущие столетия и тысячелетия, когда ключевую роль играли естественные воздействия на климатическую систему, в том числе из-за изменения параметров орбиты Земли вокруг Солнца и солнечной активности.

Для оценки глобальных и региональных изменений климата в течение последних 10 тыс. лет в голоцене проведены численные расчеты с глобальной климатической моделью Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (КМ ИФА РАН) [1–4]. Численные расчеты с КМ ИФА РАН проводились с учетом изменений параметров орбиты Земли в соответствии с [5], потока солнечного излучения, оптической толщины стратосферных (вулканических) аэрозолей (только для 501–2000 гг.), содержания парниковых газов (CO₂, CH₄, N₂O) в атмосфере, площади распространения пастбищ и пашень и плотности населения. При учете изменений содержания сульфатного аэрозоля в тропосфере предполагалось, что его уровень в середине XIX в. характеризует распределение сульфатов естественного происхождения для всего голоцена. Более подробно использованные данные описаны в табл. 1.

По расчетам с КМ ИФА РАН в целом адекватно воспроизводятся вариации приповерхностной температуры в XX в. При этом недооценивается межгодовая и междесятилетняя изменчивость (правая панель рис. 1), что характерно для современных климатических моделей промежуточной сложности, к которым относится КМ ИФА РАН [1–4]. Глобальная приповерхностная температура по расчетам с КМ ИФА РАН увеличивается в XX в. на 0.6 °C в разумном соответствии с оценкой около 0.7°C по данным HadCRUT4 (www.cru.uea.ac.uk/data). Различие оценок по модельным расчетам и по данным наблюдений можно связать с вкладом естественной изменчивости.

Рис. 1.

Изменения глобальной приповерхностной температуры (°С) по модельным расчетам в голоцене (слева) и отдельно для XX в. (справа) в сопоставлении с данными HadCRUT4.

На левой панели рис. 1 представлены результаты модельных расчетов изменений глобальной приповерхностной температуры в голоцене. Согласно результатам расчетов с КМ ИФА РАН, значения глобальной приповерхностной температуры в последние десятилетия и столетие в целом заметно выше, чем в предыдущие столетия и тысячелетия в голоцене. Следует отметить, что на глобальном уровне не проявляется заметное увеличение приповерхностной температуры в “оптимуме голоцена” – в среднем голоцене. Это согласуется с современными данными палеореконструкций [6, 7] и другими расчетами с климатическими моделями [7]. Результаты температурных расчетов с КМ ИФА РАН могут быть скорректированы, в частности, при учете сдвига вегетационных зон. Тем не менее, модель в целом корректно на количественном и качественном уровне воспроизводит полученную в [6] широтную зависимость изменения приповерхностной температуры над сушей Северного полушария в голоцене вплоть до начала малого ледникового периода (рис. 3).

Рис. 2.

Изменения приповерхностной температуры (°С) летом в европейском регионе (35°–70° с.ш.; 10°–40° в.д.) по модельным расчетам в сопоставлении с реконструкциями PAGES2k. Представлены температурные аномалии относительно средней приповерхностной температуры летом для периода 1500–2000 гг. Вертикальными пунктирными линиями выделен интервал 6–4.5 тыс. л.н., соответствующий среднему голоцену.

В отсутствие значимого увеличения температуры в оптимуме голоцена на глобальном уровне проявляются температурные максимумы в среднем и раннем голоцене на региональном уровне, в частности для европейских регионов летом (рис. 2). По расчетам с КМ ИФА РАН в целом воспроизводятся долгопериодные региональные изменения приповерхностной температуры в течение последних двух тысячелетий согласно реконструкциям PAGES2k (Past Global Changes, the 2k Network; http://pastglobalchanges.org/science/wg/2k-network/data).

Согласно рис. 2, значения приповерхностной температуры летом в европейском регионе (35°–70° с.ш.; 10°–40° в.д.) по модельным расчетам с их быстрым ростом в последнее столетие приблизились к концу XX в. к их максимальным значениям в период среднего голоцена (6.0–4.5 тыс. л.н.). На глобальном же уровне значения приповерхностной температуры в конце XX в. по модельным расчетам уже заметно превышали максимальные значениям в период 6.0–4.5 тыс. л.н. (рис. 1). Это связано со значительной пространственной неоднородностью климатических изменений с существенными различиями для разных сезонов.

На рис. 3 приведены широтно-долготные изменения среднегодовой приповерхностной температуры в среднем голоцене относительно последнего 30-летия XX в. по модельным расчетам. Согласно полученным модельным результатам, для большинства регионов Земли к концу XX в. значения приповерхностной температуры превысили соответствующие значения в среднем голоцене, за исключением арктических широт, достаточно протяженных областей в Северной Евразии, а также среднеширотных и субтропических регионов Северной Америки. В частности, к концу XX в. приповерхностная температура по модельным расчетам в субполярных и средних широтах Евразии была больше ее значения в среднем голоцене летом и меньше зимой. По модельным расчетам отмечены существенные различия для Евразии и Северной Америки. Следует отметить, что оцененные с использованием КМ ИФА РАН изменения климата среднего голоцена относительно конца XX в. зимой близки к оценкам, полученным в рамках проекта PMIP3 (Paleoclimate Modelling Intercomparison Project, phase 3 – см. рис. 5.11 из [8]). При этом летом отклик в анализируемой версии КМ ИФА РАН в среднем голоцене оказывается заметно меньше соответствующего в моделях ансамбля PMIP3.

Рис. 3.

Изменения среднегодовой приповерхностной температуры (°С) в среднем голоцене (6.0–4.5 тыс. л.н.) относительно 1970–1999 гг. (верхний рисунок) и за период от 9 тыс. л.н. до 1500 г. по расчетам с КМ ИФА РАН.

Полученные в [9–11] модельные результаты свидетельствуют о том, что выявленные в последние годы новые геофизические явления с образованием кратеров на Ямале можно объяснить повышением приповерхностной температуры в регионах Северной Евразии, в частности на Ямале (с диссоциацией реликтовых гидратов, “переживших” потепление в оптимуме голоцена). Согласно полученным оценкам при антропогенных сценариях в XXI в. можно ожидать существенное увеличение риска подобных эффектов в континентальной криолитозоне Северного полушария [10]. Следует отметить, что сделанные оценки зависят от того, насколько точно современные модели способны воспроизводить климатические условия оптимума голоцена.

Среднее количество осадков по расчетам с КМ ИФА РАН глобально – в пределах неопределенности оценок по современным данным – немного меньше среднего количества осадков (примерно на 5%), чем по данным GPCP-2.3 (Global Precipitation Climatology Project, version 2.3; https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.gpcp.html). Подобная неопределенность воспроизведения осадков характерна для современных моделей Земной системы [12].

Глобальная площадь природных пожаров по модельным расчетам в целом увеличивается во время голоцена в связи с увеличением частоты антропогенных возгораний (рис. 4). При этом во второй четверти XX в. площадь пожаров заметно уменьшается, а с середины XX в. – растет. Для последних десятилетий модельные оценки общей площади пожаров немного выше, чем по данным GFED-4 (Global Fire Emission Database, version 4; https://www.globalfiredata.org/data.html). Стоит отметить, что в настоящее время только в нескольких моделях земной системы есть интерактивные блоки, связанные с динамикой природных пожаров. При этом разброс в разных модельных оценках площади природных пожаров значительный [13].

Рис. 4.

Изменения глобальной площади выгорания из-за природных пожаров (A_f, млн км²) по модельным расчетам в голоцене (слева вверху) и отдельно для XX в. (справа вверху) в сопоставлении с диапазоном неопределенности по данным GFED4 для периода 2001–2010 гг. Представлены также (на нижней панели) относительные (в %) изменения площади выгорания в период 6–4.5 тыс. л.н. (относительно 1970–1999 гг.).

На рис. 4 представлены также изменения площади природных пожаров в период 6–4.5 тыс. л.н. относительно конца XX в. (1971–1999 гг.). Согласно рис. 4 (нижняя панель), увеличение площади природных пожаров в голоцене отмечается в большинстве регионов, за исключением юга Евразии, и в целом согласуется с оценкой интенсивности природных пожаров по данным отложений древесного угля [14], а также с результатами расчетов по модели земной системы CLIMBA [15].