Текст книги "Метеорологические и геофизические исследования"

Общая площадь снежного покрова по модельным расчетам уменьшается в 2071–2100 гг. до 31–32 млн. км² для сценария SRES-A2, 33–34 млн. км² для сценария SRES-A1B и 36–37 млн. км² для сценария SRES-B1. Изменение снегозапаса при общем потеплении в XXI веке определяется двумя факторами: укорочением холодного периода года и изменением количества осадков. В относительно низких широтах доминирует первый эффект, что приводит к уменьшению запаса снега в этих регионах в численных экспериментах c КМ ИФА РАН. В более высоких широтах доминирует эффект увеличения осадков при сохранении достаточно длинного холодного периода года, что приводит к росту снегозапаса при потеплении.

В (Мурышев и др., 2009) предложена новая версия глобальной климатической модели ИФА РАН, включающая блок общей циркуляции океана в качестве океанического модуля (КМ ИФА РАН – ОЦО). Согласно численным расчетам с этой моделью можно ожидать в XXI веке глобальное потепление около 2.5 К при сценарии SRES-B1, около 3.5 К при сценарии SRES-A1B и около 4.1 К при сценарии SRES-A2 (Елисеев и др., 2011). При этом максимальное потепление отмечается в Арктике и над сушей субполярных широт Северного полушария. В этих регионах к концу XXI века потепление может достигать 6–10 К в зависимости от сценария антропогенного воздействия.

4. Модельные оценки изменений эмиссий метана в связи с изменениями климата и наземных экосистем

В связи с изменениями климата, изменениями вечной мерзлоты и наземных экосистем следует ожидать соответствующих изменений режимов углеродного цикла, включая изменения эмиссий метана в атмосферу. Для оценок эмиссий метана использовалась версия климатической модели промежуточной сложности ИФА РАН (КМ ИФА РАН), описанная в (Елисеев и др., 2008) с включённой схемой термофизики почвы (Кудрявцев и др., 1974) и модели эмиссий метана болотными экосистемами, основанной на (Christensen, Cox, 1995) (см., (Denisov et al., 2009)). Для простоты в модели все болотные экосистемы считаются насыщенными влагой. Доля болотных экосистем в каждой модельной ячейке задавалась, в частности, по данным http://cdiac.ornl.gov/epubs/ndp/ndp017/ndp017.html. Метановый цикл атмосферы описывается балансовым уравнением для его концентрации в атмосфере q_CH4,a в приближении хорошо перемешанного газа. Естественные эмиссии метана представлены в виде суммы эмиссий болотными экосистемами и остальных эмиссий естественного происхождения. Радиационные эффекты атмосферного метана в КМ ИФА РАН учитываются с использованием метода «эквивалентного CO₂».

С КМ ИФА РАН были проведены численные эксперименты для 1610–2100 гг. В этих экспериментах для XVII–XX веков были заданы эмиссии углекислого газа и метана и концентрации закиси азота по данным измерений и реконструкций. Для 2001–2100 гг. эмиссий СО₂ и СН₄ и концентрации N₂O задавались для сценариев SRES (A1B, A2, B1). Кроме того, учитывались изменения содержания сульфатных аэрозолей в тропосфере для 1860–2100 гг. по результатам расчётов с моделью химии и переноса примесей в атмосфере MOZART 2.0.

Полные эмиссии метана болотными экосистемами представлены на рис. 4.1. Для XVII–XX веков они составляют 133 МтСН₄/год, согласуясь с эмпирическими оценками. Эмиссии метана болотными экосистемами субполярных широт (севернее 50^о с.ш.) вплоть до конца XX века в КМ ИФА РАН составляют 23 МтСН₄/год. В XXI веке КМ ИФА РАН выявляет заметный рост эмиссий метана от болотных экосистем. К концу XXI века их значения достигают 170–200 МтСН₄/год в зависимости от сценария. Особенно сильно значения эмиссий метана болотными экосистемами возрастают в регионах западной Сибири и в Северной Америке (суммарно – до 57–70 МтСН₄/год в зависимости от сценария).

Рис. 4.1. Полные эмиссии метана болотами (а) и только болотами суши севернее 50° с.ш. (б) в КМ ИФА РАН при сценариях SRES (B1, A1B и А2) и соответствующие наблюдательные оценки (прямоугольники) (Houwelling et al., 1999) (а) и (Christensen et al., 1996) (б)

Сделаны модельные оценки возможных региональных изменений в XXI веке эмиссии метана в атмосферу наземными экосистемами для европейского и азиатского регионов России с использованием блока метанового цикла, включённого также в КМ ИФА РАН. Необходимые для этих расчётов поля температуры и влагосодержания почвы были заданы по результатам численных экспериментов с региональной климатической моделью ГГО (высокого пространственного разрешения) при сценарии антропогенного воздействия SRES-A2 для XXI века (Денисов и др., 2010).

Получено, что для периода 1991–2000 гг. для регионов наибольшие потоки метана отмечены для болот Западной Сибири, Карелии и Восточной Европы (рис. 4.2). Средняя величина полной интенсивности эмиссии метана для этого периода составляет 8 МтСН4/год для европейской и 10 МтСН₄/год для азиатской регионов России.

Рис. 4.2. Среднегодовые потоки метана (г·м-2 год-1) для конца XX века по расчетам для регионов европейской (а) и азиатской (б) частей России

На рис. 4.3.1 представлены пространственные распределения изменений потоков метана к середине, а на рис. 4.3.2 – к концу XXI века относительно конца XX века. Наряду с областями с увеличением эмиссии метана отмечены и участки с ее уменьшением. Уменьшение потоков метана связано, в частности, с иссушением почвы. Рассчитанная средняя величина полной интенсивности эмиссии метана для периода 2041–2050 гг. составляет 11 МтСН4/год для европейского и 13 МтСН₄/год для азиатского региона. Для периода 2091–2100 гг. эти величины составляют соответственно 14 МтСН₄/год и 17 МтСН₄/год. Рост эмиссий метана связан в первую очередь с ростом температуры почвы.

Рис. 4.3.1. Изменения потоков метана (г·м-2 год-1) к середине XXI века относительно конца XX века

Рис. 4.3.2. Изменения потоков метана (г·м-2 год-1) к концу XXI века относительно конца XX века

5. Оценки возможных изменений стока крупнейших сибирских рек в Арктический бассейн в XXI веке

По данным наблюдений трех последних десятилетий речной сток в Северный Ледовитый океан для большинства крупных речных бассейнов, в частности для крупнейших сибирских рек, был больше, чем в среднем за много лет (Оценочный доклад … Т.1, 2008). Выявлено значительное увеличение годового стока Енисея в последние десятилетия. При этом отмечено существенное уменьшение стока для верхней части бассейна Оби. По расчетам с климатическими моделями при глобальном потеплении в ХХI веке с учетом возможных антропогенных воздействий следует ожидать значительных изменений гидрологического режима и, в частности существенного увеличения стока крупнейших сибирских рек (Оценочный доклад … Т.1, 2008; Оценочный доклад … Т.2, 2008).

Анализ гидрологического режима Северной Евразии свидетельствует о способности глобальных климатических моделей адекватно воспроизводить пространственные распределения осадков и режим речного стока на водосборах крупнейших рек. На рис. 5.1 а, в, д сравнивается годовой сток крупнейших сибирских рек (Оби, Енисея и Лены) на основе расчетов с ансамблем современных глобальных климатических моделей и по данным наблюдений для периода 1961–1990 гг. Представлены результаты расчетов с климатическим моделями общей циркуляции (КМОЦ), проведенных в рамках международного проекта сравнения климатических моделей CMIP3 (http://www.pcmdi.llnl.gov/ipcc/about_ipcc.php). Расчеты с этими моделями использовались при подготовке 4-го Оценочного доклада Межправительственной группы экспертов по изменению климата (Climate Change, 2007). Для сопоставления с модельными результатами использовались данные GRDC (http://www.gewex.org/grdc.html) на основе наблюдений за стоком Оби (1930–2003 гг.), Енисея (1936–2003 гг.) и Лены (1935–2003 гг.), а также данные для осадков CRU.

Согласно рис. 5.1, современные модели могут не только достаточно хорошо воспроизводить годовой сток для водосборов крупнейших сибирских рек, но и способны также качественно воспроизводить особенности внутригодового распределения речного стока.

На рис. 5.2 приведен годовой ход стока Оби, Енисея и Лены по расчетам c ансамблем моделей в сопоставлении с данными наблюдений. При этом сезонный максимум стока в речных бассейнах по модельным расчетам наступает на 1 месяц (для Оби на 2 месяца) раньше, чем по данным наблюдений в устьях рек, что можно связать с большой протяженностью водосборов. При общем существенном разбросе оценок лучшие современные модели способны адекватно воспроизводить внутригодовые вариации речного стока для крупных водосборов.

Можно оценить изменения гидрологических характеристик для крупнейших сибирских рек в XXI веке на основе ансамбля современных моделей при разных сценариях внешних воздействий. На рис. 5.1 б, г, е представлены возможные изменения стока Оби, Енисея и Лены к концу XXI века для ансамбля КМОЦ при сценарии умеренного антропогенного воздействия SRES-A1B. Вертикальными линиями обозначены среднеквадратические отклонения (СКО) годового стока по данным наблюдений.

Все модельные расчеты указывают на общий рост годового стока сибирских рек в XXI веке. Согласно модельным оценкам рост годового стока Оби, Енисея и Лены может составить к концу столетия при сценарии SRES-A1B около 15, 20 и 25 %, соответственно. При этом для стока Енисея и Лены эти изменения превышают диапазон СКО наблюдаемого речного стока (рис. 5.1 г, е). Увеличение стока связано с общим ростом модельных осадков в средних и высоких широтах, в частности в центральной и восточной частях Сибири. Отмеченная тенденция усиливается с увеличением доли бассейна в высоких широтах,

Рис. 5.1. Среднегодовой сток (а, в, д, мм/год) и его изменения (б, г, е, %) к концу XXI века при сценарии SRES-A1B для водосборов Оби (а, б), Енисея (в, г) и Лены (д, е): 1 – расчет с ансамблем моделей; 2 – среднее по ансамблю моделей; 3 – данные наблюдений для 1961–1990 гг. Вертикальными линиями изображены среднеквадратические отклонения речного стока по данным наблюдений

Анализ возможных изменений в XXI веке стока для различных сезонов выявил существенные различия разных речных бассейнов (рис. 5.3). Согласно мульти-модельным оценкам основной вклад в рост годового стока сибирских рек в XXI веке связан с весенним сезоном. Особенно сильно проявляется рост весеннего стока Енисея и Лены. Для Оби отмечается также заметный рост зимнего стока.

Рис. 5.2. Годовой ход стока (мм/год) Оби (б), Енисея (в) и Лены (г) по расчетам c ансамблем моделей (1, нижняя шкала) и по данным наблюдений (2, верхняя шкала)

Рис. 5.3. Изменения сезонного стока (мм/год) Оби (а), Енисея (б) и Лены (в) к концу XXI века при сценарии SRES-A1B по мульти-модельным расчетам (1 – зима, 2 – весна, 3 – лето, 4 – осень)

Следует отметить, что общая тенденция роста зимнего стока уменьшается для анализируемых речных бассейнов с запада на восток. Это можно связать с более холодным климатом в бассейнах сибирских рек, в частности, в бассейне Лены. Согласно модельным расчетам, наиболее сильный температурный рост в XXI веке ожидается зимой, и эта тенденция в меньшей степени должна проявляться в увеличении речного стока за счет таяния снежного покрова при очень низких отрицательных температурах. Соотношение сезонных тенденций изменения речного стока должно изменяться также в зависимости от степени агрессивности антропогенного сценария и временного интервала, для которого делаются оценки.

Также следует отметить, что летом в бассейнах Оби и Енисея проявляется общая тенденция уменьшения стока, с максимальным уменьшением летнего стока Енисея. Для бассейна Лены характерен незначительный рост летнего стока. Отмеченные изменения летнего стока связаны с соответствующими изменениями осадков и испарения для различных бассейнов. В отличие от температурных изменений зимой с общим усилением потепления в высоких широтах, увеличение температуры летом к концу XXI века при сценарии SRES-A1B максимально в центре Евразии. В Северной Евразии это проявляется в более сильном летнем потеплении на долготах, где расположены бассейны Енисея и Оби, с соответствующим более сильным испарением и уменьшением стока.

Что касается изменения осадков, то в целом они по модельным расчетам растут в XXI веке для всех анализировавшихся сибирских речных бассейнов во все сезоны. Наиболее сильный рост (в %) характерен для зимнего сезона, наименьший рост – для летнего. При этом относительное увеличение осадков в целом возрастает с запада на восток – от бассейна Оби к бассейну Лены.

Интенсивность осадков на водосборах Оби, Енисея и Лены к концу XXI века при сценарии SRES-A1B растет во все сезоны, с максимальным усилением в зимний сезон. Зимой наибольшее увеличение отмечено и для вероятности осадков на всех анализировавшихся водосборах крупнейших сибирских рек. Летние тенденции принципиально отличаются от зимних для вероятности осадков – они характеризуются общим уменьшением для всех анализируемых речных бассейнов. В целом, согласно модельным расчетам, зимой осадков становится больше, они более интенсивны и чаще выпадают (с наибольшим относительным увеличением для бассейна Лены). Летом общее количество осадков увеличивается не столь сильно, как в другие сезоны. При этом они становятся более интенсивными и редкими.

Существенные различия тенденций изменения осадков и стока в разные сезоны для разных бассейнов свидетельствуют о связи этих тенденций с региональными температурными и циркуляционными режимами и их изменениями.

6. Тенденции изменения распространения морских льдов в арктических широтах и оценки возможных последствий

Спутниковые данные свидетельствуют о значительном сокращении площади морского льда в Арктике в течение последних трех десятков лет с наиболее существенным уменьшением в летний сезон. С конца 1970-х гг. площадь морского льда в Северном полушарии в сентябре по спутниковым данным уменьшилась в среднем на 1,4 млн. кв. км по сравнению с началом 21-го века. Наименьшая площадь морских льдов в Северном Ледовитом океане за всю историю спутниковых наблюдений была отмечена в сентябре 2007 г. – около 4,3 млн. кв. км., тогда как в конце 1970-х годов она была около 7,5 млн. кв. км (http://nsidc.org/). Сентябрь 2008 г., сентябрь 2009 г. и сентябрь 2010 г. были, соответственно, вторым, четвертым и третьим по аномальности ледовитости после сентября 2007 г. Происходящие изменения способствуют увеличению доступности судоходной навигации в окраинных морях Северного Ледовитого океана и повышению перспектив использования основных арктических транспортных систем. Северный морской путь (СМП) позволяет сделать существенно более экономичным переход из северной Европы в северо-восточную Азию и к северо-западному побережью Северной Америки по сравнению с южными маршрутами через Суэцкий или Панамский каналы. Уменьшение ледовитости Арктического бассейна также благоприятно для освоения морских нефтяных и газовых месторождений на арктическом шельфе. Другой потенциально перспективный путь – Северо-западный проход – морской путь через Северный Ледовитый океан вдоль Северной Америки через Канадский Арктический архипелаг. Сокращение в сентябре 2007 года области распространения арктического морского льда до минимального уровня сделало Северо-западный проход полностью судоходным впервые за всю историю наблюдений.

В (Мохов, Хон, 2009; Хон, Мохов, 2010; Khon et al., 2010) для исследования продолжительности ледового сезона для современного периода были проанализированы ежедневные спутниковые данные (Cavalieri et al., 1999) о концентрации морского льда в 1979–2007 гг. и результаты численных экспериментов CMIP3 (http://cmip3) с ансамблем глобальных климатических моделей. Использовались результаты численных экспериментов с увеличением концентрации парниковых газов и аэрозоля в атмосфере согласно умеренному антропогенному сценарию SRES-A1B. Для оценок перспектив возможного использования арктических трасс в XXI в. вычислялась средняя продолжительность навигационного сезона и ее изменчивость вдоль трасс СМП и СЗП. Продолжительность ледового (навигационного) сезона рассчитывалась как сумма дней в году со сплоченностью морского льда более (менее) 15 % (а также 30 % и 50 %).

Проведен анализ способности климатических моделей воспроизводить средний режим ледовых условий в Арктическом бассейне в целом и на трассах СМП и СЗП, а также их изменения в течение последних десятилетий. Из двух десятков моделей были отобраны 5 моделей (CCSM3, ECHO-G, GFDL2.0, HadGEM1 и IPSL–CM4), которые успешно воспроизводят ледовый режим на трассе СМП. Для трассы СЗП наиболее реалистично продолжительность ледового сезона воспроизводится в моделях ECHO-G, GFDL2.0 и HadCM3. Полученная по расчетам с отобранными моделями средняя продолжительность ледового сезона для современного периода хорошо согласуется с данными наблюдений.

Климатические модели способны достаточно реалистично воспроизводить не только средние ледовые условия, но и их изменения. В (Мохов, Хон, 2009; Хон, Мохов, 2010; Khon et al., 2010) приведены изменения продолжительности ледового сезона для последнего десятилетия 1998–2007 гг. по сравнению с 1979–1988 гг. по спутниковым данным и по результатам мульти-модельных расчетов. Следует отметить, что при общем согласии изменений продолжительности ледового сезона по расчетам с ансамблем моделей и по данным наблюдений отмечена некоторая недооценка в моделях изменений ледового сезона в восточной части Арктики.

В (Мохов, Хон, 2009; Хон, Мохов, 2010; Khon et al., 2010) оценены изменения продолжительности навигационного сезона на трассах СМП и СЗП в конце XX в. и в XXI в. по расчетам с ансамблем отобранных моделей при антропогенном сценарии SRES-A1B в сопоставлении со спутниковыми данными. Модельные расчеты навигационного сезона для современного климата достаточно хорошо соответствуют данным наблюдений для трасс СМП и СЗП. В среднем для ансамбля отобранных моделей навигационный сезон к концу XXI века может стать продолжительнее на 3–6 месяцев на трассе СМП и на 2–4 месяца на трассе СЗП. Стоит отметить, что модельные расчеты не выявили значимых изменений навигационного сезона на трассе СЗП в первой трети XXI века.

В (Мохов, Хон, 2009; Хон, Мохов, 2010; Khon et al., 2010) получено соотношение между сезонными изменениями фрахтовой ставки для транзита по СМП с соответствующими изменениями площади морского льда в российском арктическом секторе во второй половине ХХ века. На основе предложенного соотношения можно оценить изменения фрахтовой ставки в XXI веке с использованием результатов модельных расчетов. Согласно модельным оценкам можно ожидать, что к концу XXI века перевозки по СМП могут быть заметно дешевле транзита через Суэцкий канал, при этом СМП может стать экономически более привлекательным даже в зимние месяцы.

7. Модельные оценки возможных режимов Антарктического ледникового щита при глобальных изменениях климата

Ледниковый щит Антарктиды содержит около 90 % массы всего льда на планете. Существует значительная неопределенность в оценках изменений полного баланса массы этого щита (см., напр., (Котляков и др., 2008; Chen et al., 2006; Mellor, 1959; Ramillien, 2006; Rignot, Thomas, 2002; Rignot et al, 2008; Velicogna, Wahr, 2006)). Одним из последствий глобального потепления является изменение уровня Мирового океана, связанное с изменением массы материкового льда в Антарктике и Гренландии (Climate Change, 2007). Существует целый спектр моделей, описывающих баланс массы ледовых щитов и его компоненты (см., например, (Вербицкий, 1979; Мохов и др., 1983; Kallen et al., 1979; Huybrechts, Wolde, 1999; Greve, 1997; Verbitsky, Saltzman, 1997; Bueler et al., 2007; Greve, 2008)). Наряду с детальными моделями, описывающими динамику ледниковых щитов, представляется целесообразным использование более простых моделей. В (Malyshkin, Mokhov, 2009; Мохов, Малышкин, 2010) предложена сравнительно простая модель ледникового щита, позволяющая провести анализ возможных вариантов его эволюции в связи с глобальными изменениями климата, в частности для Антарктического ледникового щита.

В рамках предложенной модели учитываются основные составляющие полного баланса массы ледникового щита, в том числе осадки, сток льда и воды с материка в океан. Описывается связь основных компонентов с температурным режимом. В упрощенной версии модели испарение, конденсация, сублимация, десублимация, сдувание снега предполагаются пренебрежимо малыми, а осадки, сток льда и таяние связываются с глобальной приповерхностной температурой T_g (°C). Таяние ледникового щита происходит при положительной температуре T_m между границей материк-океан и нулевой изотермой у поверхности. При этом оно может характеризоваться линейной связью с приповерхностной температурой аналогично (Vizcaino et al., 2008).

Изменение средней толщины ледникового щита H в упрощенной версии модели определяется осадками h_p, таянием h_m и стоком льда в океан h_f. Осадки h_p связаны с температурным режимом, в частности с температурой T_g. В простейшем случае для осадков используется линейная параметризация в зависимости от аномалий T_g с параметром, характеризующим среднюю по площади современную скорость изменения толщины ледникового щита вследствие осадков h_p0 = 82 ÷ 271 мм/год (см., напр., (Петров, 1975; Котляков и др., 2008; Verbitsky, 1997), и параметром чувствительности осадков к изменению температуры b = 10 ÷ 110 мм/(год °С) (см., напр., (Вербицкий, 1979)).

Таяние h_m параметризовалось в зависимости от T_m и соотношения площади с положительной температурой S и полной площади ледникового щита S₀. При этом учитывалась связь этих переменных с глобальным температурным режимом. В том числе использовались в качестве параметров: β – скорость таяния при температуре 1°C над поверхностью (1095÷4380 мм/(год°C)) (Vizcaino et al., 2008); Ώ₀ – современная доля площади с положительной температурой (2.10^-3); T* – глобальная температура, при которой таяние на ледниковом щите не происходит (12 °C); v – параметр, характеризующий связь T_m и (T_g – T*); r – параметр чувствительности таяния к изменению температуры ((0.2÷5.0).10^-3 °C^-1) (Вербицкий, 1979; Huybrechts, Wolde, 1999; Mikolajewicz et al., 2007), T₀ – температура в начальный момент t₀ (современное значение, 15 °С).

В случае медленно меняющегося стока льда в океан h_f = H₀ /_i, где _i = 550027740 лет (Котляков и др., 2008; Paterson, 1994; Verbitsky, 1992) – характерный масштаб времени для течения льда, H₀=1925 м – средняя толщина ледникового щита в настоящее время t₀.

Если известна зависимость T(t), можно найти связь толщины ледникового щита с температурой или со временем. При линейном временном тренде температуры R_T,

T(t) = T₀+ R_T (t – t₀), толщина описывается полиномом третьей степени

H(t)=H₀+k₁(t – t₀)+k₂(t – t₀)²—k₃(t – t₀)³,

или

.

Здесь k₁, k₂ и k₃ зависят от отмеченных выше модельных параметров.

Функция H(T) (или H(t)) имеет минимум и максимум при выполнении одного из следующих условий

,

.

Минимум и максимум в температурной зависимости толщины ледового щита достигаются при увеличении температуры относительно современной на

.

Выражение для T_m через параметры r и b имеет вид:

.

Здесь минус соответствует минимуму, плюс – максимуму H(T). Согласно полученному условию положение экстремумов H(T) не зависит от скорости изменения температуры R_T.

На рис. 7.1 приведен качественный вид возможных режимов H в зависимости от T. Значения T₁, T₂, T₃ на рис. 7.1 соответствуют минимуму, точке перегиба и максимуму H(T). При этом можно выделить шесть режимов (I–VI) изменения толщины ледникового щита.

Рис. 7.1. Режимы ледникового щита в зависимости от температуры (времени)

Вид областей, соответствующих разным режимам, зависит от того, увеличивается или уменьшается ледниковый щит в начальный момент t₀ (при современной температуре T₀).

В режиме I параметр чувствительности осадков b достаточно велик. В температурном интервале (T₀; T₁) толщина ледникового щита убывает с ростом температуры, между T₁ и T₃ – увеличивается, а при температурах выше T₃ – сокращается. Режим IV характеризуется достаточно малыми b. При этом минимум и максимум температурной зависимости толщины ледникового щита лежат в области более низких температур по сравнению с современной (T₀ T₃), а усиливающееся с ростом температуры таяние приводит к дальнейшему уменьшению толщины ледникового щита. Режим V реализуется при промежуточных значениях параметра чувствительности осадков (и при k₂ > 0). В этом случае чувствительность осадков достаточно велика для того, чтобы при росте температуры осадки возрастали быстрее таяния, однако значения b в рассматриваемом интервале недостаточно велики, чтобы ледниковый щит вышел на режим роста (T₀ < T₂). В режиме VI параметр чувствительности осадков сравнительно невелик и рост осадков происходит медленнее увеличения таяния со временем (с изменением температуры) (T₀ > T₂). В случаях V, VI толщина уменьшается при любом значении температуры.

Чем больше чувствительность таяния к изменению температуры и чем быстрее уменьшается ледниковый щит в момент t₀, тем большая температурная чувствительность осадков требуется для того, чтобы ледовый щит вышел на стадию роста. Если толщина щита при t = t₀ не меняется (k₁ = 0), то в зависимости от параметров температурной чувствительности r и b состояние щита соответствует минимуму (переход между режимами I–II) или максимуму (переход между III–IV) функции H(T).

При положительной современной скорости изменения средней толщины возможны режимы II и III динамики ледового щита. В режиме II параметр чувствительности осадков b достаточно велик и при потеплении осадки растут быстрее таяния, что приводит к увеличению скорости роста толщины ледового щита (T₁ T₀<T₂). Режим III реализуется при достаточно малых b, и при увеличении температуры осадки растут медленнее таяния, вследствие этого скорость увеличения толщины ледникового щита падает (T₂ T₀<T₃). В режимах II, III толщина ледникового щита возрастает до температуры T₃, а при дальнейшем потеплении уменьшается.

Случай II воспроизведен, в частности, в (Вербицкий, 1979; Мохов и др., 1983; Mikolajewicz et al., 2007).

На рис. 7.2 приведены примеры температурной зависимости средней толщины ледового покрова Антарктиды и соответствующих изменений уровня Мирового океана при разных значениях модельных параметров (r, b и k₁) и их средних значениях для предложенной модели. При этом максимумы достигаются при глобальном потеплении на 5.8, 8.5, 3.8, 1.6 °С.

Рис. 7.2. Примеры температурной зависимости средней толщины ледникового покрова Антарктиды (левая вертикальная ось) и соответствующих изменений уровня Мирового океана (правая вертикальная ось) при разных значениях модельных параметров (кривые 1–3) и средним значениям параметров предложенной модели (кривая 4). Максимумы достигаются, соответственно, при потеплении на 5.8, 8.5, 3.8, 1.6 °С

В случае меняющегося в предложенной модели стока льда в океан при изменениях климата, в частности, при линейной зависимости стока льда от глобальной приповерхностной температуры, аналитическое решение H(T) качественно не меняется.

Предложенная простая модель ледникового щита, учитывающая основные компоненты полного баланса массы, в том числе осадки, сток льда в океан и таяние, позволяет с учетом связи осадков и таяния с температурой получить нелинейную аналитическую зависимость средней толщины ледового щита от температурного режима. На базе упрощенного подхода выделяются различные режимы динамики ледникового щита в зависимости от чувствительности осадков и таяния к изменению температуры и от начальных условий (при различных начальных скоростях изменения толщины ледового щита).

Предложенный подход с использованием полученных аналитических условий дает возможность сравнения различных моделей, в частности, оценок критического уровня глобального потепления ΔТ_cr для смены режима роста Антарктического ледового щита за счет снегонакопления его деградацией за счет более сильного роста таяния. При общем достаточно большом диапазоне неопределенности оценок ΔТ_cr существенно, что, согласно полученным результатам, этот критический уровень может быть превышен уже при глобальном потеплении всего вдвое превышающем общее потепление за последнее столетие.

Заключение

Проведен анализ климатических режимов и их изменений в полярных и субполярных регионах на основе модельных расчетов разной степени детальности в сопоставлении с данными наблюдений, реанализа и реконструкций. Анализируется роль ледовых условий в Арктическом бассейне и аномалий в Северной Атлантике в формировании климатических аномалий в Северной Евразии. В том числе представлены оценки вклада естественных и антропогенных факторов в формирование температурных изменений в высокоширотных регионах с наибольшей скоростью потепления в последние десятилетия.

Получены оценки изменений естественной эмиссии метана в атмосферу в регионах Северной Евразии в связи с глобальными изменениями с таянием вечной мерзлоты и изменением режимов болотных экосистем на основе численных расчетов с климатическими моделями. Используются модельный блок метанового цикла и расчеты с ансамблем климатических моделей общей циркуляции. Оценки сопоставляются с расчетами на основе региональной модели климата и модели промежуточной сложности. Отмеченные тенденции увеличения эмиссии метана болотными экосистемами Северной Евразии при общем потеплении связаны с увеличением длительности теплого периода в почве и зависимостью производства метана от температуры.

Ключевым вопросом широко обсуждаемой проблемы глобального потепления является вопрос предельно допустимых изменений. Необходима выработка объективных критериев оценки глобальных и региональных климатических изменений и допустимых рисков. В настоящее время достаточно произвольно принято условие непревышения увеличения глобальной приповерхностной температуры ΔТ на 2К. На основе относительно простой модели предложена аналитическая оценка критического уровня глобального потепления ΔТ_cr, при превышении которого режим роста Антарктического ледового щита за счет снегонакопления сменяется его деградацией за счет более сильного роста таяния. Предложенная модель характеризует изменения полного баланса массы ледового щита в зависимости от глобальных изменений климата. Описываются основные процессы изменения массы ледового щита, в том числе осадки, таяние и сток льда в океан, с учетом их связи с температурным режимом. При общем достаточно большом диапазоне неопределенности оценок ΔТ_cr существенно, что согласно полученным результатам этот критический уровень может быть превышен уже при глобальном потеплении всего вдвое превышающем общее потепление за последнее столетие.