РГI Научные аспекты - Техническое резюме

D.1 Климатические процессы и обратные связи

Процессы, происходящие в климатической системе, определяют естественную изменчивость климатической системы и ее реагирование на пертурбации, такие, как повышение атмосферных концентраций парниковых газов. Многие базовые климатические процессы, имеющие важное значение, хорошо известны и моделируются исключительно хорошо. Процессы обратной связи усиливают (позитивная обратная связь) или ослабляют (негативная обратная связь) изменения в реагировании на первоначальную пертурбацию и, следовательно, имеют весьма важное значение для точного имитирования эволюции климата.

Водяной пар

Основным фактором обратной связи, объясняющим значительное потепление, прогнозируемое климатическими моделями в ответ на повышение концентрации CO₂, является повышение показателя водяного пара в атмосфере. Повышение температуры атмосферы увеличивает ее способность удерживать воду; в то же время, поскольку большая часть атмосферы является недостаточно насыщенной, это не означает автоматически, что должно произойти само по себе увеличение водяного пара. В рамках пограничного слоя (приблизительно самые низкие 1—2 км атмосферы) происходит увеличение водяного пара по мере роста температуры. В свободной тропосфере выше пограничного слоя, где парниковый эффект водяного пара является самым значительным, определить ситуацию в количественном плане более сложно. Фактор обратной связи водяного пара, согласно данным последних моделей, приблизительно удваивает потепление по сравнению с тем показателем, которым характеризовался бы устойчивый уровень водяного пара. Со времени ВДО достигнут большой прогресс в плане обработки данных о водяном паре в моделях, хотя выделение влаги из облаков по-прежнему остается весьма неопределенным и существуют разногласия между модельными распределениями водяного пара и теми, которые наблюдаются в реальности. Модели в состоянии имитировать влажные и очень сухие регионы, наблюдаемые в тропиках и субтропиках, а также процесс их эволюции от сезона к сезону и из года в год. Это вселяет уверенность, однако не дает возможности проверить обратные связи, несмотря на то что баланс конкретных фактов свидетельствует в пользу позитивной обратной связи водяного пара в условиях чистого неба, величина которой сопоставима с данными, полученными в результате имитаций.

Облака

Подобно тому, как это было после Первого доклада МГЭИК об оценках в 1990 г., вероятно, самая большая неопределенность в будущих перспективных оценках климата связана с облаками и их взаимодействиями с радиацией. Облака могут как поглощать, так и отражать солнечную радиацию (охлаждая, таким образом, поверхность), и поглощать, а также испускать излучение в диапазоне длинных волн (нагревая, таким образом, поверхность). Конкуренция между этими двумя воздействиями зависит от высоты, толщины и радиационных свойств облаков. Радиационные свойства и эволюция облаков зависят от распределения атмосферного водяного пара, водяных капель, частичек льда, атмосферных аэрозолей и толщины облаков. Физическая основа параметризации облаков значительно улучшена в моделях благодаря включению объемного представления микрофизических свойств облаков в уравнении водного баланса облака, хотя по-прежнему сохраняется значительная неопределенность. Облака являются значительным источником потенциальной ошибки при имитациях климата. Возможность того, что модели систематически недооценивают поглощение солнечной энергии в облаках, остается спорным вопросом. Знак чистой обратной связи облаков до сих пор остается предметом неопределенности, и разнообразные модели показывают большой разброс. Дополнительные неопределенности возникают из-за процессов выпадения осадков и трудности правильного имитирования суточного цикла, а также объемов и частоты осадков.

Стратосфера

Наблюдается все большее понимание важного значения стратосферы в климатической системе благодаря изменениям в ее структуре и признании жизненно важной роли как радиационных, так и динамических процессов. Вертикальный профиль изменения температуры в атмосфере, включая стратосферу, является важным показателем исследований по выявлению и объяснению явлений. Большинство наблюдаемых уменьшений температуры в нижней части стратосферы были вызваны скорее сокращением озона, частью которого является антарктическая «озоновая дыра», а не повышением концентрации CO₂. Образующиеся в тропосфере волны могут доходить до стратосферы, где происходит их поглощение. В результате этого стратосферные изменения меняются в зависимости от места и способа поглощения этих волн, и эти воздействия могут распространяться, следуя в нижнем направлении в тропосферу. Изменения солнечного излучения, главным образом ультрафиолетового (УФ), приводят к изменению озона фотохимического происхождения и соответственно изменяют показатели стратосферного нагревания, которые могут изменить тропосферную циркуляцию. Ограничения в разрешающей способности и относительно плохое представление некоторых стратосферных процессов усугубляют неопределенность результатов моделей.

Океан

В моделировании океанических процессов, в частности переноса тепла, произошли значительные усовершенствования. Эти усовершенствования в сочетании с повышением разрешательной способности имели важное значение для уменьшения необходимости корректировки потока в моделях и проведения реалистичных имитаций естественных крупномасштабных моделей циркуляции и улучшения имитации Эль-Ниньо (см. текстовой блок ТР-4). Океанские течения переносят тепло из тропиков в более высокие широты. Океан обменивается с атмосферой теплом, водой (через испарение и осадки) и CO₂. Ввиду своей колоссальной массы и высокой тепловой емкости океан замедляет изменение климата и влияет на временные масштабы изменчивости в системе океан-атмосфера. Достигнут значительный прогресс в познании океанических процессов, имеющих отношение к изменению климата. Повышение разрешательной способности, а также более совершенное представление (параметризация) важных процессов в масштабе меньше сетки (например мезомасштабные вихревые потоки), повысили реализм имитаций. Основные неопределенности до сих пор существуют в отношении представления мелкомасштабных процессов, таких, как разливы (поток, проходящий через узкие каналы, например между Гренландией и Исландией), западные пограничные течения (например крупномасштабные узкие течения вдоль береговых линий), конвекция и смешивание. Пограничные потоки в имитации климата слабее и шире по сравнению с существующими в природе, хотя последствия этого для климата остаются неясными.

Текстовой блок ТР-4. Явление Эль-Ниньо/южное колебание (ЭНСО)

Самое крупное естественное колебание климата в межгодовом временном масштабе — это явление Эль-Ниньо/южное колебание (ЭНСО). Термин «Эль-Ниньо» первоначально применялся к ежегодному слабому теплому океанскому течению, которое проходит в южном направлении вдоль побережья Перу, приблизительно в период рождества, и которое лишь впоследствии стали связывать с необычно масштабными потеплениями. В то же время, потепление в прибрежной зоне часто связано с гораздо более обширным аномальным потеплением океана в направлении международной демаркационной линии суточного времени, и именно это явление, охватывающее весь бассейн Тихого океана, создает связь с аномальными моделями глобального климата. Атмосферный компонент, связанный с «Эль-Ниньо», именуется «южное колебание». Ученые часто называют это явление ЭНСО (явление Эль-Ниньо/южное колебание), при котором происходит взаимодействие между атмосферой и океаном.

ЭНСО — это естественное явление, и существуют весомые доказательства, полученные благодаря кернам кораллов и ледникового льда Анд, того, что оно продолжается в течение тысячелетий. Состояние океана и атмосферные условия в тропической части Тихого океана редко характеризуются усредненными показателями и колеблются скорее с нерегулярными интервалами между событиями Эль-Ниньо и противоположной фазой Ла-Нинья, приводя к охлаждению целого бассейна тропической части Тихого океана, при этом это явление чаще всего происходит в периоды с разрывом порядка 3—6 лет. Наиболее интенсивная фаза каждого события обычно продолжается около года.

Ярко выраженная структура температур морской поверхности в Тихом океане создает условия для событий ЭНСО. Главными характеристиками являются «теплые бассейны» в тропическом районе западной части Тихого океана, где находятся самые теплые океанские воды в мире, гораздо более холодные воды в восточной части Тихого океана и холодные воды в виде языка вдоль экватора, которые больше всего проявляются в октябре и менее всего в марте месяце. Атмосферные восточные пассаты в тропиках аккумулируют теплые воды в западной части, создавая угол наклона уровня моря вдоль линии экватора 0,60 м с востока на запад. Ветры приводят в движение поверхностные океанские течения, которые определяют места потоков и отклонений поверхностных вод. Таким образом, более прохладные, богатые питанием воды поднимаются из глубин вдоль экватора и западного побережья Американского континента, способствуя развитию фитопланктона, зоопланктона и соответственно рыбы. Поскольку конвекция и грозы чаще происходят над более теплыми водами, структура температур поверхности моря определяется распределением осадков в тропиках, а это, в свою очередь, определяет структуры атмосферного нагревания в результате освобождения скрытого тепла. Нагревание вызывает широкомасштабные циркуляции муссонного типа в тропиках и соответственно определяет характер ветров. Это прочное совмещение факторов атмосферы и океана в тропиках вызывает явление Эль-Ниньо.

Во время Эль-Ниньо теплые воды из западной тропической части Тихого океана движутся в восточном направлении по мере ослабления пассатов, сдвигая схему тропических ливней и еще больше ослабляя пассаты, и усиливая, таким образом, изменения температур моря. Уровень моря снижается на западе, но поднимается на востоке на 0,25 м по мере того, как теплые воды движутся вдоль экватора в восточном направлении. В то же время, изменения в атмосферной циркуляции не ограничиваются тропиками, а распространяются в глобальных масштабах и влияют на струйные течения и траектории штормов в средних широтах. Приблизительно обратные схемы имеют место во время противоположной фазы Ла-Нинья данного явления.

Связанные с ЭНСО изменения вызывают значительные колебания погоды и климата во всем мире, которые продолжаются из года в год. Последние нередко оказывают очень сильное воздействие на население земли и общество вследствие связанных с ними засух, наводнений, волн тепла и прочих изменений, которые серьезным образом нарушают деятельность в области сельского хозяйства, рыбных промыслов, состояния окружающей среды, здоровья, спроса на энергию, качество воздуха, а также изменяют риски пожара. ЭНСО играет также весьма важную роль в модулировании обменов CO₂ с атмосферой. Во время Эль-Ниньо нарушается нормальный подъем холодных глубинных вод, богатых питательными веществами и CO₂, в тропической части Тихого океана.

Криосфера

Продолжается усовершенствование представления процессов морского льда, при этом несколько моделей климата инкорпорируют сейчас физически обоснованные режимы динамики льда. Представление процессов материкового льда в моделях глобального климата остается рудиментарным. Криосфера состоит из тех регионов Земли, которые в определенный сезон или круглый год покрыты снегом и льдом. Морской лед имеет важное значение, поскольку он отражает больше поступающей солнечной радиации, нежели морская поверхность (т.е. он обладает высоким альбедо), и он изолирует море от потери тепла в зимний период. В этой связи уменьшение объема морского льда вызывает позитивное обратное воздействие на потепление климата в высоких широтах. Кроме того, поскольку морской лед содержит меньше соли, чем морская вода, при образовании морского льда происходит увеличение содержания соли (соленость) и плотности поверхностного слоя. Это способствует обмену воды с более глубинными слоями океана, влияя на циркуляцию океана. В результате образования айсбергов и таяния шельфовых ледников пресная вода с суши возвращается в океан, в связи с чем изменения в темпах этих процессов могут повлиять на циркуляцию океана вследствие изменения солености поверхности моря. Снег имеет более высокое альбедо по сравнению с поверхностью суши; следовательно, уменьшение снежного покрова ведет к аналогичному позитивному обратному воздействию альбедо, хотя и более слабому по сравнению с морским льдом. В некоторые климатические модели вводятся в масштабе меньше сетки все более сложные схемы снега и изменчивости в протяженности и толщине ледяного покрова, которые могут существенным образом повлиять на альбедо и обмены в системе атмосфера-океан.

Земная поверхность

Результаты исследований с использованием моделей, содержащих самые последние представления земной поверхности, показывают, что прямые воздействия более высоких концентраций CO₂ на физиологию растений могут привести к относительному уменьшению эвапотранспирации над тропическими континентами, сопровождаемому региональным потеплением и осушением, по сравнению с теми показателями, которые предсказывались для обычных последствий потепления в результате парникового эффекта. Изменения поверхности земли вызывают важные обратные связи, поскольку изменение климата антропогенного происхождения (например: повышение температуры, изменения осадков, изменения чистого радиационного обогрева и прямые последствия CO₂) окажут влияние на состояние земной поверхности (например: увлажненность почвы, альбедо, неровность поверхности и растительность). Обмены энергией, количеством движения, водой, теплом и углеродом, которые происходят между земной поверхностью и атмосферой, могут быть определены в моделях в качестве функций типа и плотности местной растительности, а также глубины и физических свойств почвы, при этом все они основаны на базах данных о земной поверхности, которые совершенствовали с использованием спутниковых наблюдений. Последние достижения в области познания фотосинтеза растительности и использования водных ресурсов использовались в целях объединения циклов наземной энергии, воды и углерода в рамках нового поколения параметризаций земной поверхности, которые испытывались в сопоставлении с полевыми наблюдениями и осуществлялись в нескольких МОЦ с явным повышением качества имитации потоков в системе Земля-атмосфера. В то же время еще предстоит решить значительные проблемы в таких областях, как процессы увлажнения почвы, прогнозирование стока, изменения в землепользовании и разнородности в масштабе меньше сетки.

Изменения в покрытии земной поверхности могут воздействовать на глобальный климат несколькими путями. Крупномасштабное обезлесивание во влажных тропиках (например: Южная Америка, Африка и Юго-Восточная Азия) было определено в качестве самого важного текущего процесса, связанного с земной поверхностью, поскольку он приводит к уменьшению испаряемости и повышению приземной температуры. Эти воздействия качественно воспроизводятся большинством моделей. В то же время, до сих пор существуют существенные неопределенности в отношении количественного последствия крупномасштабного обезлесивания на гидрологический цикл, особенно над Амазонией.

Цикл углерода

Последние усовершенствования наземных и океанических моделей цикла углерода, основанных на процессе, и их оценка в сравнении с данными наблюдений повысили степень достоверности при их использовании для целей исследований будущих сценариев. Циклы CO₂ осуществляются, естественно, между атмосферой, океанами и сушей. В то же время, гораздо больше времени занимает прекращение действия в атмосфере пертурбации CO₂, привнесенной в результате деятельности человека. Это объясняется теми процессами, которые ограничивают ту скорость, с которой могут увеличиваться океанические и наземные накопления углерода. Антропогенный CO₂ поглощается океаном ввиду его высокой растворимости (вызываемой природой химии углерода), однако скорость поглощения ограничена предельной скоростью вертикального перемешивания. Антропогенный CO₂ поглощается наземными экосистемами через несколько возможных механизмов, например: землеустройство, обогащение атмосферы двуокисью углерода (ускорение роста растений в результате повышения атмосферной концентрации CO₂) и повышение количества азота антропогенного происхождения. Подобное поглощение ограничено относительно незначительной долей углерода растительного происхождения, которая может храниться длительное время (древесина и гумус). По мере увеличения концентрации CO₂ ожидается уменьшение доли выброшенного CO₂, которая может быть поглощена океанами и сушей. Основанные на процессе модели океанических и земных циклов углерода (включая представления физических, химических и биологических процессов) были разработаны и оценивались на фоне измерений, проведенных применительно к естественному циклу углерода. Подобные модели создавались также с целью имитации вызванной деятельностью человека пертурбации цикла углерода и смогли выдать временные ряды поглощения углерода океаном и сушей, которые в целом совпадают с наблюдаемыми глобальными тенденциями. До сих пор между моделями имеются существенные различия, особенно в их методах подхода к физической циркуляции океана и реагировании на климат в региональном масштабе процессов наземных экосистем. Тем не менее, существующие модели последовательно указывают на то, что в тех случаях, когда рассматриваются последствия изменения климата, поглощение CO₂ океанами и сушей становится меньше.

Другие доклады в этой подборке