Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2023, T. 59, № 1, стр. 19-26

ВВЕДЕНИЕ

На основе версии модели климатической системы [1] создана новая версия. В [2] показано, что внося изменения только в параметризацию облачности, можно получать версии модели климата с разными значениями равновесной чувствительности к удвоению концентрации СО₂, в интервале от 1.8 до 4.1 градуса. Версия модели INMCM48 имеет чувствительность равную 1.8 градуса, что является самым низким значением среди моделей CMIP6. Поэтому возникает закономерный вопрос: как сказываются изменения в параметризациях, приводящие к увеличению равновесной чувствительности, на воспроизведении современного климата и изменений климата, наблюдавшихся в последние десятилетия.

В версии модели INMCM48 неплохо воспроизводится современный климат, однако, ей присущи некоторые систематические ошибки, которые имеют место для многих современных климатических моделей, а также ошибки, характерные лишь для этой модели. Например, большинство климатических моделей завышают температуру поверхности и приземного воздуха в умеренных широтах Южного полушария, и у восточных берегов тропического Тихого и Атлантического океанов, и занижают приземную температуру в Арктике (см., например, [3]). Характерной ошибкой многих современных моделей, как и модели INMCM48, является холодная полярная тропопауза и теплая тропическая тропопауза, что приводит к завышению скорости западного ветра в стратосфере умеренных широт. Основными вероятными причинами таких систематических ошибок являются ошибки воспроизведения количества облаков, а также оптических свойств облачности. Поэтому при развитии следующей версии были сделаны в первую очередь изменения в параметризации облачности. Кроме того, в версии модели INMCM48 проявлялись систематические ошибки, присущие только ей. Это, например, завышение давления на уровне моря, а также геопотенциала на любом уровне в тропосфере, над северной частью Тихого океана. Вероятная причина такой ошибки связана, скорее всего, с ошибками в источниках тепла, расположенными южнее, над тропическим Тихим океаном.

В данной работе показано, как изменения физических параметризаций, в том числе облачности, влияют на величину систематических ошибок воспроизведения современного климата, и на воспроизведение его наблюдавшихся в последние десятилетия изменений.

МОДЕЛЬ И ЧИСЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Модель климата INMCM60, как и предыдущая версия INMCM48 [1], состоят из трех основных блоков: динамики атмосферы, эволюции аэрозолей и динамики океана. Блок динамики атмосферы включает в себя также модель суши, включая поверхность, растительность и почву. Блок океана включает в себя также модель эволюции морского льда. Пространственное разрешение обеих версий составляет для атмосферного блока 2 × 1.5 градуса по долготе и широте и 21 уровень по вертикали до высоты 10 гПа. В блоке океана разрешение составляет 1 × 0.5 градуса и 40 уровней.

В модели по сравнению с версией INMCM48 внесены следующие изменения. Схема расчета облачности и крупномасштабной конденсации соответствует [4], но настройки этой параметризации отличаются от любой из версий, описанных в [3], однако, ближе всего – к версии 4. Основное отличие от нее состоит в том, что поток облачной влаги, генерирующий облачность атмосферного погранслоя, оценивается не только исходя из развития турбулентности в погранслое, но и из условия влажной неустойчивости, что приводит в случае реализации глубокой конвекции к уменьшению генерации облачности в погранслое и увеличению ее генерации в верхней тропосфере. Равновесная чувствительность такой версии к удвоению СО₂ в атмосфере составляет около 3.3 градуса. Были внесены также изменения в аэрозольный блок, связанные с изменением расчета естественных эмиссий сульфатного аэрозоля [5], изменением расчета влажного вымывания, а также расчета влияния концентрации аэрозолей на радиус облачных капель, т.е. первым непрямым эффектом [6]. Но численные значения констант были взяты немного отличающимися от тех, что использовались в [5]. Кроме того, в модель включен усовершенствованный блок расчета эволюции снега с учетом перезамерзания, и расчет альбедо заснеженной поверхности [7]. Изменения сделаны также и в расчете универсальных функций в атмосферном пограничном слое при устойчивой стратификации: в последней версии модели такие функции допускают турбулентность даже при больших градиентных числах Ричардсона [8].

С моделью проведен численный эксперимент по воспроизведению прединдустриального климата продолжительностью 180 лет не считая 200 лет, когда происходил выход на равновесный режим. Все воздействия на климатическую систему в этом численном эксперименте соответствовали 1850 г. Наряду с прединдустриальным был проведен численный эксперимент, в котором моделировалось изменение климата в 1850—2029 гг., для чего в 1850–2014 гг. изменения воздействий были заданы в соответствии с оценками по данным наблюдений [9], а в 2015—2029 гг. – в соответствии со сценарием ssp3-7.0 [10]. Для оценки воспроизведения современного климата используются данные эксперимента в реальным изменением воздействий за 1985—2014 гг. и сравниваются с данными реанализа ERA-5, [11] данными осадков GPCP 2.3 [12], и данными уходящего на верхней границе атмосферы (ВГА) излучения CERES-EBAF 4.1 [13]. В качестве меры отклонения модельных данных от наблюдений использовалось среднеквадратичное отклонение среднегодовых или среднемесячных модельных и наблюдаемых полей, для чего наблюдаемые поля были интерполированы на сетку модели. При вычислении ошибки давления на уровне моря и температуры на уровне 850 гПа были исключены точки сетки с высотой поверхности более 1500м. При рассмотрении изменений приземной температуры модельные данные сравниваются с данными наблюдений HADCRUT5 [14].

РЕЗУЛЬТАТЫ

Приведем некоторые результаты воспроизведения современного климата. Поскольку изменения в модели были внесены в основном в блок динамики атмосферы и поверхности суши, а в океанском блоке существенных изменений не было, в этой работе ограничимся рассмотрением воспроизведения динамики атмосферы. На рис. 1 представлена среднегодовая ошибка модели в воспроизведении температуры приземного воздуха, осадков и давления на уровне моря в 1985—2014 г по сравнению с данными соответственно ERA5 и GPCP 2.3. В новой версии модели по сравнению с предыдущей уменьшилось завышение температуры над Южным океаном вокруг Антарктиды, уменьшилось занижение температуры над Арктикой, Антарктидой, а также над Сахарой и Аравийской пустыней. Основная причина этих улучшений состоит в изменении схемы расчета облачности. В случае занижения температуры над пустынями существенную роль сыграло также изменение расчета теплопроводности сухой почвы. С другой стороны, в некоторых местах величина ошибки в приземной температуры несколько увеличилась, например увеличилось занижение температуры над Северной Атлантикой и Китаем. В целом, норма ошибки как среднегодовой, так и среднемесячной приземной температуры уменьшилась (см. табл. 1).

Рис. 1.

Ошибка воспроизведения среднегодовой температуры воздуха у поверхности, К (вверху), осадков, мм/сут (в середине) и давления на уровне моря, гПа (внизу) в модели. Слева представлены данные модели INMCM60, справа – модели INMCM48.

Ошибка воспроизведения осадков характеризуется главным образом завышением количества осадков над Индонезией и занижением над Центральной и Южной Америкой, и приэкваториальным востоком Тихого океана. Немного уменьшилась ошибка, связанная с двойной зоной конвергенции на востоке Тихого океана, а также с недостаточным количеством осадков на западе приэкваториального Тихого океана. В целом, норма ошибки воспроизведения среднегодовых и среднемесячных осадков также немного уменьшилась.

В давлении на уровне моря в новой версии модели основное улучшение состоит в том, что завышение давления в умеренных широтах Тихого океана, которое происходило как в зимний, так и в летний сезон, исчезло. В то же время, занижение давления на востоке Сибири, а также вокруг Антарктиды увеличилось. В целом, однако, норма ошибки давления на уровне моря тоже немного уменьшилась.

Таблица 1 показывает, что и нормы ошибок остальных рассматриваемых полей тоже уменьшились. Изменение расчета количества и свойств облачности привело к улучшению воспроизведения радиационно-облачного форсинга, норма ошибок и для длинноволновой, и для коротковолновой части уменьшилась в новой версии по сравнению с предыдущей на 10–20%. Среднее по планете значение коротковолнового радиационно-облачного форсинга составляет для новой версии модели –47.7 Вт/м², для старой версии модели –40.5 Вт/м², а значение по данным CERES-EBAF составляет около –47 Вт/м². Среднее значение длинноволнового радиационно-облачного форсинга на ВГА в новой версии модели составляет 29.5 Вт/м², в старой версии оно было равно 23.2 Вт/м², а по данным CERES-EBAF это значение составляет около 28 Вт/м². Таким образом, и среднее значение длинноволнового и коротковолнового радиационно-облачного форсинга в новой версии модели значительно ближе к наблюдениям, чем в старой версии.

Согласно табл. 1, существенно уменьшилась также норма систематической ошибки для температуры на 850 гПа и высоты 500 гПа. Уменьшение произошло в основном за счет приближения средних значений этих полей к наблюдаемым, в то время как в версии INMCM48 средние значения обоих полей были занижены.

На рис. 2 представлена среднегодовая ошибка температуры воздуха и зональной скорости ветра, осредненная вдоль долготы, на уровнях. В новой версии модели значительно уменьшились систематические ошибки, связанные с занижением температуры вблизи полярной тропопаузы, с занижением температуры в тропической тропосфере, с завышением температуры в нижней тропосфере в южных умеренных широтах. Это привело и к уменьшению систематических ошибок в скорости зонального ветра.

Рис. 2.

Среднегодовая ошибка воспроизведения осредненной по долготе температуры, К (вверху) и зональной скорости ветра, м/с (внизу) в модели. Слева представлены данные модели INMCM60, справа – модели INMCM48.

Рассмотрим воспроизведение изменений климата в 1850–2021 гг. На рис.3 представлено 5-летнее среднее температуры поверхности по данным HADCRUT5, модели INMCM48 и модели INMCM60. Для каждого из трех наборов данных вычтено среднее за 1850–1899 г. Модельные данные продлены немного в будущее, так что последнее по времени значение соответствует среднему за 2025–2029 гг. Можно видеть, что и в старой и в новой версии модели величина потепления к 2010 году составляет около 1 градуса, что приблизительно соответствует наблюдениям. Такие особенности наблюдаемого изменения климата, как более теплые 40-е и 50-е годы ХХ века и замедление потепления, или даже небольшое похолодание, в 60-х и 70-х годах также получаются в обеих версиях модели. Однако, потепление после 2010—2014 гг. получается в новой версии модели заметно больше, чем в старой, и в 2025—2029 гг. отличия достигают 0.5 градуса. Наиболее существенно отличия двух версий модели проявляются в скорости повышения температуры с 1990–1994 по 2025–2029 гг. Для модели INMCM48 повышение температуры составляет около 0.8 градуса, а для модели INMCM60 – около 1.5 градуса. По-видимому, отличие во многом обусловлено различной чувствительностью моделей, но заметный вклад может давать и естественная изменчивость, поэтому более обоснованный вывод можно будет сделать лишь проведя ансамблевые численные эксперименты.

Рис. 3.

5-летнее среднее отклонение глобально осредненной температуры приземного воздуха от среднего за 1851–1900 гг. по данным HADCRUT5 (черный), модели INMCM48 (синий) и INMCM60 (красный).

Изменения в блоке эволюции сульфатного аэрозоля и его взаимодействия с радиационным блоком привели и к изменению в величине антропогенного радиационного воздействия. Для модели INMCM48 прямое радиационное воздействие сульфатного аэрозоля составляло в 2014 г. по сравнению с 1850 г около –0.5 Вт/м², а в модели INMCM60 – около –0.3 Вт/м². Непрямой эффект сульфатного аэрозоля, связанный с влиянием на количество облачных частиц и радиус капель, практически равен 0 в модели INMCM48 и составляет около –0.7 Вт/м² в модели INMCM60. По данным 6-го ОД МГЭИК (Оценочный Доклад Международной Группы Экспертов по Изменению Климата) прямое воздействие антропогенного сульфатного аэрозоля составляет около –0.23 Вт/м², непрямое – около –0.70 Вт/м², их сумма –0.94 Вт/м², диапазон неопределенности от –0.25 до –1.63 Вт/м² [15]. Радиационное воздействие черного углерода составляет в моделях INMCM48 и INMCM60 около –0.03 Вт/м². Различий по этому показателю для двух моделей практически нет потому что в расчете эволюции черного углерода и его радиационных свойств изменений не было. Оценка 6-го ОД МГЭИК составляет +0.11 Вт/м², а диапазон неопределенности от –0.20 до 0.42 Вт/м².

На рис. 4 представлена разность температуры воздуха у поверхности по данным наблюдений HADCRUT5, новой и старой версии модели, в 2000—2021 г. и в 1979—1999 гг. Именно в течение этого временного интервала потепление согласно рис. 3 происходило наиболее интенсивно. По данным наблюдений, наиболее существенное потепление, превышающее по величине 2 градуса, происходило в Арктике, в умеренных широтах Северного Полушария над сушей – около 1 градуса, а над Южным океаном потепления практически не было. Над Тихим океаном видна структура, соответствующая переходу из положительной фазы Тихоокеанского декадного колебания (ТДК) в отрицательную. Новая версия модели ближе к наблюдениям воспроизводит рост температуры в высоких и умеренных широтах Северного Полушария, в то время как старая версия занижает рост температуры там. В то же время, над тропическими океанами, где наблюдаемое потепление невелико, данные старой версии модели лучше согласуются с наблюдениями, а в новой версии потепление завышено. Ни одна из двух версий модели не смогла воспроизвести изменения температуры в Тихом океане, связанные с переходом из положительной в отрицательную фазу ТДК, а также близкие к нулю изменения температуры в южных умеренных широтах. Значительные отличия изменения температуры в атлантическом секторе Арктики, где в модели INMCM48 происходит некоторое понижение температуры, а в модели INMCM60 – существенное повышение, скорее всего, связаны с проявлением естественных колебаний климата в этом регионе, поэтому и здесь достоверный вывод об отклике этих версий модели на наблюдаемые воздействия можно будет сделать лишь проведя ансамблевые численные эксперименты.

Рис. 4.

Разность приземной температуры воздуха (К) в 2000–2021 гг. и 1979–1999 гг. по данным HADCRUT5 (вверху), модели INMCM60 (в середине) и модели INMCM48 (внизу).

ВЫВОДЫ

Версия модели климата INMCM60 лучше, чем предыдущая версия, воспроизводит современный климат. Наиболее существенно уменьшились систематические ошибки, связанные с завышением приповерхностной температуры в южных умеренных широтах, занижением приземной температуры в Арктике, занижением температуры полярной тропопаузы и тропосферы в тропиках. Улучшилось также воспроизведение радиационно-облачного воздействия. Несмотря на различную равновесную чувствительность к удвоению концентрации СО₂, обе версии модели показывают примерно одинаковую величину глобального потепления к 2010–2015 гг., близкую к наблюдаемой, однако, прогноз глобальной температуры на 2025–2029 гг. различается для двух версий модели уже примерно на 0.5 градуса. Более точные выводы о различии воспроизведения современных изменений климата двумя версиями модели можно было бы сделать, проведя ансамблевые расчеты, но это, по-видимому, будет сделано позднее, из-за большого количества необходимого для этого времени и компьютерных ресурсов.

Работы по созданию новой версии модели и проведению с ней численных экспериментов выполнены при поддержке РНФ, грант 20-17-00190. Сравнение результатов моделирования с помощью двух версий модели с наблюдениями выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (соглашение №075-15-2021-577 с ИФА им. А.М. Обухова РАН).