Проблемы изменения и прогнозирования климата

Валерий ПАРХОМЕНКО
Вычислительный центр им. А.А. Дородницына, РАН, МГТУ имени Н.Э. Баумана, к. ф.-м. н.
e-mail: parhom@ccas.ru

Valery PARHOMENKO
Dorodnicyn Computing Centre of RAS,
Bauman Moscow State Technical University, C. Ph.-M. Sc.
e-mail: parhom@ccas.ru

Аннотация. В статье обсуждаются проблемы изменения климата в течение последних десятилетий. В ней даны некоторые прогнозы изменения климата. Исследование основано на трехмерной гидродинамической модели глобального климата. В работе приведены расчеты прогнозирования климата до 2100 года с использованием сценариев роста СО2. Обсуждаются важные последствия глобального потепления для России.
Ключевые слова: моделирование глобального климата, потепление климата, прогнозирование.

Abstract. The article discusses the problems of climate change over the past decades. It gives some projections of climate change. The study is based on a three-dimensional hydrodynamic model of the global climate. The article presents calculations of climate prediction up to 2100 using СО2 growth scenarios. The important consequences of global warming for Russia are being discussed.
Keywords: global climate modelling, climate warming, forecasting.

Введение

Климат является одним из основных природных ресурсов, который определяет воздействие на экономику, сельское хозяйство, энергетику и так далее. Результаты климатических исследований свидетельствуют о том, что человеческая деятельность оказывает серьезное, если не катастрофическое, воздействие на климат. Современная ситуация беспрецедентна в истории Земли. Выбросы парниковых газов могут увеличить среднюю глобальную температуру воздуха в течение нескольких десятилетий, в то время как естественные причины повышения температуры на одну и ту же величину составят не менее нескольких тысячелетий. Беспрецедентными являются не абсолютные величины будущих изменений, а темпы их роста [1, 2].
Палеоклиматические данные подтверждают необычность происходящих климатических изменений, по крайней мере, для последних 1300 лет. Результаты анализа ледовых кернов показывают, что современная атмосферная концентрация основного парникового газа (двуокиси углерода) намного превышает соответствующие значения за предыдущие 650 тысяч лет. К 2015 году концентрация двуокиси углерода достигла 400 ppm (количество частиц на миллион) против 280 ppm в доиндустриальный период, причем ее рост за 1995–2015 годы составил 1,9 ppm в год. Современные глобальные концентрации других важных парниковых газов, метана и закиси азота, также существенно превысили доиндустриальные значения за многие десятки тысяч лет.

Сохраняется большая неопределенность в отношении деталей таких изменений, особенно регионального масштаба. Кроме того, крайне неблагоприятные социально-­экономические последствия локального и даже глобального характера могут быть вызваны и естественными климатическими изменениями.
Для проведения фундаментальных исследований по этой проблеме необходимо использовать соответствующие математические модели. Модели общей циркуляции являются наиболее сложными климатическими моделями [3]. В полной версии для изучения парникового эффекта, они должны включать модели атмосферы и океана. Кроме того, необходимы модели для описания эволюции морского льда, а также различных процессов на земной поверхности, таких как образование и изменение снежного покрова, влажность почвы и эвапотранспирация.
Повышение мощности компьютеров является одним из важнейших требований для более надежных климатических прогнозов [4]. Увеличение числа климатических наблюдений в атмосфере и океане, организация непрерывного мониторинга факторов, вызывающих изменение климата, таких как концентрация парниковых газов, солнечная постоянная, степень прозрачности атмосферы, связанная с извержениями вулканов и другими природными и антропогенными эффектами, одинаково важны [2].
Еще один существенный момент – полномасштабные наблюдения за конвекцией влаги в атмосфере, которые определяют количество и типы облаков. Эти мелкомасштабные процессы в атмосфере, наряду с микрофизикой облаков, в настоящее время недостаточно изучены [2].
Адекватное описание взаимодействия между атмосферой и подстилающей поверхностью является еще одной проблемой при моделировании изменений климата. В частности, важно иметь описание фильтрационных процессов в почве, испарения с поверхности в присутствии различных типов растительности.
Океан представляет собой сложную динамическую систему, но с гораздо более бедными наблюдениями, чем атмосфера. Необходимы более полные данные о вариациях температуры, солености, течений, в зависимости от глубины океана. Температура поверхности океана определяется балансом между интенсивностью нагрева поверхности и множеством динамических процессов, в которых происходит перераспределение тепловой энергии. Основные из них – это мелкомасштабное турбулентное перемешивание в вертикальном и горизонтальном крупномасштабном переносе энергии морскими течениями. До сих пор нет моделей общей циркуляции океана с достаточным пространственным разрешением, чтобы иметь возможность описать энергетически важные вихревые течения. Параметризация подсеточных процессов с использованием полуэмпирической теории турбулентной диффузии существует даже в наиболее сложных моделях, что оказывает сильное влияние на результаты.
Структура наблюдаемых изменений климата оказывается более сложной, чем изменения, полученные в моделях. В некоторых районах в отдельные сезоны изменения противоположны результатам моделирования, что свидетельствует о важной роли других климатообразующих факторов или несовершенстве моделей.
Расчеты по моделям общей циркуляции атмосферы (ОЦА) дают в общем согласованные глобальные результаты, однако значительно отличаются на региональном уровне.

При прогнозировании с помощью моделей ОЦА температуры атмосферы Земли в зависимости от концентрации СО2 возникает ряд трудностей и неопределенностей. Они связаны с тем, что индуцированное человеком потепление будет протекать на фоне естественных эффектов потепления и похолодания климата, сравнимых по интенсивности с парниковым эффектом. Для вычисления этих антропогенных изменений необходимо уметь с большой точностью моделировать естественные изменения климата. При этом появляются две основные трудности – адекватное описание океанов и облачности.
Дело в том, что на величину парникового эффекта оказывают большое влияние течения в океане, которые переносят большие массы воды из одного региона в другой. Включение этого фактора в расчеты приводит к ослаблению парникового эффекта. Моделирование облачности сталкивается с большими трудностями, так как естественный охлаждающий эффект облаков в десятки раз больше, чем предсказываемое суммарное антропогенное потепление. Нагревающий эффект облачности (естественный парниковый эффект) также значительно больше, чем антропогенный. Это означает, что небольшие изменения типов и количества облаков могут либо ослабить парниковый эффект (в случае увеличения облачности), либо усилить (в случае уменьшения), в зависимости от отрицательности или положительности обратной связи. Но малые изменения облачности очень трудно правильно моделировать и, следовательно, предсказывать в какую сторону она будет меняться.
При рассмотрении парникового эффекта нужно иметь возможность предсказывать не только глобальные тенденции, но и региональные изменения климата, предположим, в европейской части России или в Сибири. Эти региональные изменения могут существенно отличаться от глобальных климатических трендов. Например, анализ наблюдений температуры за 20 лет в конце XX века показывает, что климат в целом потеплел, а в Англии и Западной Европе похолодало.

Анализ и прогноз изменения климата

С одной стороны, изменение климата – это комплексная долгосрочная проблема, которая, с другой стороны, требует срочного решения с учетом скорости и величины накопления парниковых газов в атмосфере и возможность увеличения температуры более чем на 2 °C.
Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК), как международная структура, созданная в 1988 году совместно с Всемирной метеорологической организацией и программой Организации Объединенных Наций по окружающей среде, регулярно публикует, начиная с 1990 года, подробные и объективные научно-­технические оценки и прогнозы. Эти наборы оценочных докладов, специальных выпусков, технических документов, методологических исследований и других разработок МГЭИК стали общепризнанными справочными материалами.
Последний доклад МГЭИК [2] содержит вывод, что активность человека является основной причиной потепления, отмечаемого с середины ХХ века. В докладе фиксируется, что повышение температуры климатической системы является непреложным явлением и сопровождается большим количеством наблюдаемых изменений значительной величины в масштабах времени от десятилетий до тысячелетий: повышение температуры атмосферы и океана, уменьшение массы снега и льда, повышение уровня океана и рост концентраций парниковых газов. В течение трех последних десятилетий наблюдались последовательно более высокие приземные температуры по сравнению с любым из предыдущих десятилетий после 1850 года.

Влияние человека на климатическую систему очевидно, а наблюдаемые антропогенные выбросы парниковых газов являются самыми большими за постиндустриальный период. Современные изменения климата в широком масштабе воздействовали на антропогенные и естественные системы. С начала индустриального периода антропогенные выбросы парниковых газов росли в основном под влиянием роста мировой экономики и населения; сейчас они как никогда масштабны. Это привело к тому, что концентрации углекислого газа, метана и закиси азота в атмосфере достигли наибольших величин по крайней мере в последние 800 тысяч лет. Их влияние в сочетании с воздействиями других антропогенных факторов наблюдается во всей климатической системе, и очень вероятно, что они являются главной причиной потепления, фиксируемого с середины XX века. Повышение температуры за последние 40 лет составило около 0,6 °C, уменьшение площади морского льда – около 20 % и повышение уровня моря – около 19 см.
В последние десятилетия изменения климата повлияли на естественные и антропогенные системы на суше и в морях. Воздействия являются следствием фиксируемого изменения климата вне зависимости от его причины и указывают на чувствительность этих систем к характеристикам климата.
За промежуток времени с 1950 года наблюдаются изменения в различных экстремальных погодных и климатических явлениях. Установлена зависимость некоторых из этих изменений от антропогенных воздействий, включая понижение экстремально низких и повышение экстремально высоких температур, рост числа экстремально высоких уровней моря и увеличение случаев с ливневыми осадками в некоторых регионах.
Постоянные выбросы парниковых газов приведут к дальнейшему потеплению и вызовут долговременные сдвиги во всех компонентах климатической системы, увеличивая возможность опасных, глобальных и необратимых воздействий на людей и экосистемы Земли. Для уменьшения масштабов изменения климата потребуется значительное и устойчивое сокращение эмиссии парниковых газов, что, совместно с мерами по адаптации, может ограничить риски, сопутствующие изменениям климата.
Суммарные выбросы углекислого газа в существенной мере определяют повышение средней глобальной приземной температуры к концу XXI века и в будущем. Вероятные прогнозы выбросов парниковых газов варьируются в широком диапазоне, в зависимости как от социально-­экономического уровня государств, так и от политики в сфере климата. При всех предлагаемых сценариях выбросов ожидается рост приземной температуры воздуха в течение ХХI века и связанных с этим эффектов. Весьма вероятно, что волны повышенной температуры будут повторяться более часто и станут более продолжительными, а максимальные осадки – более интенсивными и более частыми во многих областях. Продолжатся процессы потепления и закисления океана и увеличения его среднего глобального уровня. Изменение климата усилит существующие и создаст новые риски для естественных и антропогенных систем. Эти риски распределяются неравномерно, и, как правило, являются более существенными для менее защищенных людей и сообществ в странах, находящихся на всех уровнях развития.
Многие факторы изменения климата и связанных с ним последствий будут актуальными в течение нескольких веков даже в случае прекращения антропогенных выбросов парниковых газов. Риски возникновения резких и необратимых изменений возрастают при увеличении степени потепления.
Адаптация и смягчение воздействий на климатическую систему представляют собой взаимодополняющие стратегии сокращения и управления рисками изменения климата. Существенное уменьшение выбросов в течение последующих нескольких десятилетий может сократить климатические риски в XXI веке и в дальнейшем, улучшить перспективы эффективной адаптации, сократить затраты и упростить проблемы, связанные со смягчением воздействий на климатическую систему в долгосрочной перспективе. Это позволит также внести вклад в разработку таких путей устойчивого развития, которые слабо подвержены влиянию изменения климата.
Эффективное принятие решений в целях ограничения изменения климата и его воздействий может основываться на широком диапазоне аналитических подходов к оценке ожидаемых рисков и выгод, учитывающих важность управления, этических аспектов, равенства, ценностных суждений, экономических оценок и различий в восприятии и реагировании на риск и неопределенность.
Без принятия дополнительных мер по смягчению воздействий на климатическую систему, потепление к концу XXI века приведет к большому или очень большому риску возникновения опасных, широко распространенных и необратимых воздействий в глобальном масштабе. Смягчение воздействий на климатическую систему сопряжено с некоторыми сопутствующими выгодами, а также с рисками вследствие отрицательных побочных эффектов.
Имеются многочисленные пути смягчения воздействий на климатическую систему, которые могли бы ограничить потепление величиной 2 °C или менее по сравнению с доиндустриальными значениями. Эти способы потребуют существенного сокращения выбросов в течение последующих нескольких десятилетий и достижения близких к нулю выбросов двуокиси углерода и других долгоживущих парниковых газов к концу века. Осуществление таких сокращений создает значительные технологические, экономические, социальные и институциональные проблемы, которые увеличиваются при откладывании дополнительных мер по смягчению воздействий. Ограничение потепления более низкими или более высокими значениями сопряжено с аналогичными проблемами, но в других временных масштабах.
Эффективность действий по адаптации и смягчению воздействий на климатическую систему зависит от политики и мер, принимаемых на различных уровнях – международном, региональном, национальном и субнациональном. Политическая активность на всех уровнях, поддерживающая прогресс технологий, их распространение и передачу, а также финансирование мер по реакции на изменения в климатической системе, может дополнить и усилить результативность политики, которая непосредственно помогает адаптации и уменьшению воздействий на климатическую систему.
В трудах МГЭИК термин «проекции» употребляется в основном как синоним термина «прогноз», однако имеет более осторожный смысл как один из возможных вариантов развития. Проекции на следующие несколько десятилетий показывают географическую картину изменений климата, аналогичную прогнозу на конец XXI века, но с более низкими значениями. Естественная внутренняя изменчивость будет по-прежнему являться главным фактором, оказывающим влияние на климат, особенно в краткосрочной перспективе и в региональном масштабе. К середине XXI века значения проецируемых изменений будут в большой степени зависеть от выбора сценария эмиссии парниковых газов.
Для пятого доклада МГЭИК [1, 2] научные эксперты выбрали набор из четырех новых сценариев, именуемых репрезентативными траекториями концентраций (РТК). Они задают приблизительные суммарные величины радиационного форсинга (воздействия) в 2100 году по сравнению с 1750 годом: 2.6 Вт/м2 для сценария РТК2.6; 4.5 Вт/м2 для сценария РТК4.5; 6.0 Вт/м2 для сценария РТК6.0 и 8.5 Вт/м2 для сценария РТК8.5.
Эти четыре РТК имеют один сценарий сокращения выбросов, который предполагает весьма низкий уровень воздействия (РТК2.6); два сценария стабилизации (РТК4.5 и РТК6.0) и один сценарий с достаточно высокими уровнями выбросов парниковых газов (РТК8.5). Таким образом, РТК могут представлять результаты целого ряда направлений политических мер в области климата в XXI веке. Согласно РТК6.0 и РТК8.5, радиационное воздействие продолжает расти вплоть до 2100 года; в РТК2.6 оно достигает максимума и затем снижается; и в РТК4.5 оно стабилизируется к 2100 году. Каждый сценарий РТК дает комплекты данных с высоким пространственным разрешением по изменениям в землепользовании и выбросам загрязняющих воздух веществ по секторам экономики, а также определяет годовые концентрации парниковых газов и антропогенные выбросы до 2100 года.
Сценарии РТК предложены на основе комбинации совместных оценочных моделей, простых климатических моделей, моделей химических процессов в атмосфере и глобального углеродного цикла. Хотя РТК представляют широкий диапазон значений совокупных воздействий, они не охватывают весь спектр выбросов, описанных в литературе, особенно по аэрозолям.
Климатическая модель вычислительного центра РАН включает в себя модель общей циркуляции атмосферы (ОЦА) с параметризацией ряда подсеточных процессов, глобальную модель океана и модель эволюции морского льда [5, 6]. Блоки климатической модели подробно описаны в [5–7], здесь мы приводим только ее основные характеристики.
Модель ОЦА – это комплекс программ, который описывает многие физические процессы [3]. Имеются два основных блока программы: блок динамики модели ОЦА, в котором вычисляются течения в атмосфере, описываемые примитивными уравнениями, и блок физики, в котором определяются солнечные и тепловые радиационные потоки, рассматриваются адиабатические, влажные и конвекционные процессы. Результаты, полученные в этом блоке, используются в блоке динамики для вычисления течений и термодинамических характеристик атмосферы.
Система уравнений модели океана рассматривается в геострофическом приближении с фрикционным членом в уравнениях горизонтального импульса [5, 6]. Значения температуры и солености удовлетворяют уравнениям адвекции-­диффузии, что позволяет описать термохалинную циркуляцию океана. Также учитывается процедура конвективного приспособления.
Динамические уравнения модели эволюции морского льда решаются для сплоченности и средней толщины льда. Рост и таяние льда в модели зависят только от разности между тепловым потоком от атмосферы к морскому льду и потоком тепла изо льда в океан. Диагностическое уравнение решается для температуры поверхности льда.
Блоки модели связаны между собой обменом импульсом, теплом и водой. Обмен импульсом состоит в использовании скорости верхнего слоя океана для адвекции морского льда. Всеми остальными обменами импульсом пренебрегается.
Тепловые потоки между смежными блоками могут быть изменены фазовыми переходами на границах (испарение, таяние и т. д.). Континентальный водный сток добавляется к океаническим ячейкам на каждом временном шаге.
Поток пресной воды в атмосферу определяется с учетом испарения с поверхности земли и сублимации морского льда. Предполагается, что осадки попадают прямо в океан, не учитывая наличие льда, а испаренная или сублимированная вода удаляется из океана или льда, соответственно. В формулировке модели океана в приближении «жесткой крышки», используемой здесь, океан представляет собой неисчерпаемый источник пресной воды для морского льда и атмосферы. Глубина океана представлена в логарифмическом масштабе в виде восьми уровней до 5000 м.
По этой совместной глобальной модели проведены расчеты прогнозирования климата до 2100 года с использованием сценариев роста СО2 РТК8.5 и РТК4.5 (рис. 1), предложенных МГЭИК. Некоторые результаты сведены в табл. 1.

На прогнозы потепления климата могут повлиять особенности климатической системы, которые не учитываются при моделировании. К ним относится, например, быстрое таяние и разрушение ледяных континентальных щитов Гренландии, которые могут вызвать значительные поверхностные выбросы пресной воды в Северной Атлантике. Более легкая пресная вода препятствует возникновению конвекции и существенно ослабляет меридиональную термохалинную циркуляцию. Соответствующие модельные эксперименты показывают, что максимум меридионального потока уменьшается примерно в 2 раза через 25 лет. Эффект ослабления потока сохраняется вплоть до 200 лет несмотря на прекращение выбросов пресной воды. Блокировка термохалинной циркуляции ведет к понижению температуры воздуха максимально на 3,4 °C в соответствующей области, распространяется на Европу, часть Азии, а также влияет на глобальный климат.

Климат России характеризуется чрезвычайно большим разнообразием из-за огромной протяженности ее территории. На фоне глобального потепления региональные изменения климата России будут далеко не одинаковыми, а их влияние на отдельные виды хозяйственной деятельности может быть как благоприятным, так и пагубным.
Смягчение климатических условий может отодвинуть к северу границу зоны комфортного проживания, сократить расходы электроэнергии в отопительный сезон. С другой стороны, потепление чревато вытеснением одних биологических видов другими, ростом повторяемости засух в одних регионах и наводнений в других, и т. п. При этом, довольно велика неопределенность влияния будущего изменения климата на сельское хозяйство России, ее водные ресурсы, растительный и животный мир, демографическую ситуацию.
Результаты модельных расчетов показывают, что в XXI веке территория России (особенно арктические и субарктические регионы) будет находиться в области заметно большего потепления по сравнению с глобальным. Среднее за год повышение температуры к концу XXI века может составить +4,8 °C по сравнению с началом XX века. Наиболее значительное потепление ожидается зимой, особенно в Сибири и в Арктике. К 2100 году среднегодовые осадки в среднем по территории России возрастут на 8,2 %. Но на юго-западе России осадки даже уменьшаются. В тех регионах, где особенно развито сельское хозяйство (Северный Кавказ, Поволжье и др.), может произойти заметное уменьшение влажности деятельного слоя почвы и сокращение стока.
Еще одна опасность будущего изменения климата связана с таянием вечной мерзлоты. Площадь многолетнемерзлых грунтов составляет около 60 % территории России. При потеплении климата будет происходить их деградация и увеличение глубины сезонного протаивания. Деградация многолетнемерзлых грунтов может привести к деформации или даже разрушению транспортных путей, трубопроводов, строений и т. п.
Особенно важные последствия глобального потепления для России связаны с вероятным уменьшением ледяного покрова Северного Ледовитого океана. Они столь же многочисленны, сколь и важны как для экосистем, так и для экономики, социальной сферы и даже безопасности России.
Увеличение продолжительности летней навигации приводит к развитию морского судоходства. Северный морской путь открывает небывалые перспективы для морских перевозок грузов и туризма. При этом возросшая скорость дрейфа ледяных полей и высокая степень изменчивости ледовой обстановки может затруднять многие виды морских операций.
Новые возможности для экономики, равно как и проблемы, связанные с экологией, возникают в связи с облегчением доступа по морю к природным ресурсам Арктики, включая нефтегазовые месторождения на шельфе Северного Ледовитого океана. В то же время многие объекты хозяйственной деятельности, расположенные в прибрежной зоне, столкнутся с усилением воздействия штормов в сочетании с уменьшением ледяного покрова арктических морей. Ожидаемое таяние морского льда, по-видимому, окажется губительным для некоторых видов животных, например, для белого медведя.

Заключение

Влияние человека на климатическую систему очень значительно, а наблюдаемые антропогенные выбросы парниковых газов являются самыми большими за постиндустриальный период. Естественная внутренняя изменчивость также является важным фактором, оказывающим влияние на климат, особенно в краткосрочной перспективе и в региональном масштабе. На прогнозы потепления климата могут повлиять особенности климатической системы, которые не учитываются при моделировании.
Потепление климата в России происходит в 2,5 раза быстрее, чем в среднем на планете. Климат страны характеризуется чрезвычайно большим разнообразием вследствие огромной протяженности ее территории. На фоне глобального потепления региональные изменения климата России будут далеко не одинаковыми, а их влияние на отдельные виды хозяйственной деятельности может быть как благоприятным, так и пагубным.
Потепление климата может расширить границы зоны комфортного проживания, сократить расходы на электроэнергию. Однако оно может привести к росту неопределенности в ситуации с сельским хозяйством, водными ресурсами, демографией и биологическим миром.