Том 31, номер 10, статья № 8

Аннотация:

Рассмотрена задача оптимального управления процессом преднамеренного воздействия на климатическую систему Земли с целью стабилизации глобальной приповерхностной температуры. Преднамеренное воздействие на климатическую систему осуществляется посредством управляемого радиационного возмущения, создаваемого искусственным аэрозолем, инжектируемым в стратосферу. Объект управления описывается двухкомпонентной энергобалансовой моделью, подверженной радиационному воздействию, которое обусловлено увеличением концентрации парниковых газов в атмосфере. Антропогенное воздействие на климатическую систему задается в соответствии со сценариями семейства RCP, а также со сценарием, соответствующим увеличению содержания парниковых газов на 1% в год. Управляющей переменной служит альбедо искусственно создаваемого аэрозольного слоя. Оптимальное управление и соответствующая ему фазовая траектория системы получены аналитически с использованием принципа максимума Понтрягина. Рассмотренный подход может служить основой для разработки сценариев воздействия на климатическую систему с использованием различных методов геоинженерии.

Ключевые слова:

оптимальное управление, геофизическая кибернетика, климатический инжиниринг, модификация погоды, глобальное потепление

Список литературы:

1. IPCC, 2013: Climate Change 2013: The physical science basis. Contribution of working group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, New York: Cambridge University Press, 2013. 1535 p.
2. Statement on the State of the Global Climate in 2017. Report N 1212. Geneva, Switzeland: WMO, 2018. 40 p.
3. Paris Agreement. URL: https://www.unfccc.int/sites/default/files/ paris_agreement_english_.pdf (last access: 1.06.2018).
4. Rodelj J., den Elzen M., Höhne N., Fransen T., Fekete H., Winkler H., Schaeffer R., Sha F., Riahi K., Meinshausen M. Paris Agreement climate proposals need a boost to keep warming well below 2 °C // Nature. 2016. V. 534. P. 631–639.
5. Brown P., Caldeira K. Greater future global warming inferred from Earth’s recent energy budget // Nature. 2017. V. 552. P. 45–50.
6. Raftery A.E., Zimmer A., Frierson D.M.W., Startz R., Liu P. Less than 2 °C warming by 2100 unlikely // Nat. Clim. Change. 2017. V. 7. P. 637–641.
7. Jacob D., Kotova L., Teichmann C., Sobolowski S.P., Vautard R., Donnelly C., Koutroulis A.G., Grillakis M.G., Tsanis I.K., Damm A., Sakalli A., van Vliet M.T.H. Climate impacts in Europe under +1.5 °C global warming // Earth's Future. 2018. V. 6. P. 264–285.
8. Tanaka K., O'Neill B.C. The Paris Agreement zero-emissions goal is not always consistent with the 1.5 °C and 2  °C temperature targets // Nat. Clim. Change. 2018. V. 8. P. 319–324.
9. Henley B., King A. Trajectories toward the 1.5 °C Paris target: Modulation by the Interdecadal Pacific Oscillation // Geophys. Res. Lett. 2017. V. 44. P. 4256–4262.
10. MacMartin D.G., Ricke K.L., Keith D.W. Solar geoengineering as part of an overall strategy for meeting the 1.5 °C Paris target // Phil. Trans. Roy. Soc. A. 2018. V. 376. ID 20160454.
11. Climate Intervention Requires Enhanced Research, Consideration of Societal and Environmental Impacts, and Policy Development [Electronic resource]. URL: https:// sciencepolicy.agu.org/files/2018/01/Climate-Intervention-Position-Statement-Final-2018-1.pdf (last access: 1.06.2018).
12. AGU White Paper 2017: Climate Intervention Requires Enhanced Research, Consideration of Societal Impacts, and Policy Development [Electronic resource]. URL: https://www.sciencepolicy.agu.org/files/2017/11/AGU-White-Paper-on-Geoengineeging.pdf (last access: 1.06.2018).
13. Будыко М.И. Метод воздействия на климат // Метеорол. и гидрол. 1974. № 2. С. 91–97.
14. Израэль Ю.А. Эффективный путь сохранения климата на современном уровне – основная цель решения климатической проблемы // Метеорол. и гидрол. 2005. № 10. С. 5–9.
15. Crutzen P.J. Albedo enhancement by stratospheric sulfur injections: A contribution to resolve a policy dilemma? // Clim. Change. 2006. V. 77. P. 211–220.
16. Гинзбург А.С., Губанова Д.П., Минашкин В.М. Влияние естественных и антропогенных аэрозолей на глобальный и региональный климат // Рос. хим. журн. 2008. Т. LII, № 5. С. 112–119.
17. Keith D.W. Geoengineering the climate: History and prospect // Annu. Rev. Energy Environ. 2000. V. 25. P. 245–284.
18. Израэль Ю.А., Рябошапко А.Г., Петров Н.Н. Сравнительный анализ геоинженерных способов стабилизации климата // Метеорол. и гидрол. 2009. № 6. С. 5–24.
19. Robock A., Marquardt A., Kravitz B., Stenchikov G. Benefits, risks, and costs of stratospheric geoengineering // Geophys. Res. Lett. 2009. V. 36. P. L19703.
20. Shepherd J.G. Geoengineering the climate: An overview and update // Phil. Trans. R. Soc. A. 2009. V. 370. P. 4166–4175.
21. Чернокульский А.В., Елисеев А.В., Мохов И.И. Аналитическая оценка эффективности предотвращения потепления климата контролируемыми аэрозольными эмиссиями в стратосферу // Метеорол. и гидрол. № 5. С. 16–26.
22. Израэль Ю.А., Рябошапко А.Г. Геоинженерия климата: возможности реализации // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. 2011. Т. 24. М.: ИГКЭ Росгидромета и РАН. С. 11–24.
23. Bellamy R., Chilvers J., Vaughan N.E., Lenton T.M. A review of climate geoengineering appraisals // WIREs Clim. Change. 2012. V. 3. P. 597–615.
24. Irvine P.J., Kravitz B., Lawrence M.G., Muri H. An overview of the Earth system science of solar geoengineering // WIREs Clim. Change. 2016. V. 7. P. 815–833.
25. Caldeira K., Bala G. Reflecting on 50 years of geoen-gineering research // Earth’s Future. 2017. V. 5(1). P. 1–17.
26. Kravitz B., Robock A., Boucher O., Schmidt H., Taylor K.E., Stenchikov G., Schulz M. The Geoengineering Model Intercomparison Project (GeoMIP) // Atmos. Sci. Lett. 2011. V. 12. P. 162–167.
27. Schmidt H., Alterskjær K., Karam B.D., Boucher O., Jones A., Kristjansson J.E., Niemeier U., Schulz M., Aaheim A., Benduhn F., Lawrence M., Timmreck C. Solar irradiance reduction to counteract radiative forcing from a quadrupling CO₂: Climate responses simulated by four earth system models // Earth Syst. Dynam. 2012. V. 3. P. 63–78.
28. Kravitz B., Caldeira K., Boucher O. Robock A., Rasch P.J., Alterskjær K., Bou Karam D., Cole J.N.S., Curry C.L., Haywood J.M., Irvine P.J., Ji D., Jones A., Kristjánsson J.E., Lunt D.J., Moore J.C., Niemeier U., Schmidt H., Schulz M., Singh B., Tilmes S., Watanabe S., Yang S., Yoon J.-H. Climate model response from the Geoengineering Model Intercomparison Project (GeoMIP) // J. Geophys. Res. 2013. V. 118. P. 8320–8332.
29. MacMartin D.G., Keith D.W., Kravitz B., Caldeira K. Management of trade-offs in geoengineering through optimal choice of non-uniform radiative forcing // Nat. Clim. Change. 2013. V. 3. P. 365–368.
30. Izrael Yu.A., Volodin E.M., Kostrykin S.V., Revokatova A.P., Ryaboshapko A.G. The ability of stratospheric climate engineering in stabilizing global mean temperatures and an assessment of possible side effects // Atmos. Sci. Lett. 2014. V. 15. P. 140–148.
31. Пархоменко В.П. Моделирование стабилизации глобального климата управляемыми выбросами стратосферного аэрозоля // Математическое моделирование и численные методы. 2014. № 2. С. 115–126.
32. Kravitz B., Robock A., Tilmes S., Boucher O., English J.M., Irvine P.J., Jones A., Lawrence M.G., MacCracken M., Muri H., Moore J.C., Niemeier U., Phipps S.J., Sillmann J., Storelvmo T., Wang H., Watanabe S. The Geoengineering Model Intercomparison Project Phase 6 (GeoMIP6): Simulation design and preliminary results // Geosci. Model Dev. 2015. V. 8. P. 2279–2292.
33. Meinshausen M., Smith S.J., Calvin K., Daniel J.S., Kainuma M.L.T., Lamarque J.-F., Matsumoto K., Montzka S.A., Raper S.C.B., Riahi K., Thomson A., Velders G.J.M., van Vuuren D.P.P. The RCP green-house gas concentrations and their extensions from 1765 to 2300 // Clim. Change. 2011. V. 109. P. 213–241.
34. Jarvis A.J., Young P.C., Leedal D.T., Chotai A. A robust sequential CO₂ emissions strategy based on optimal control of atmospheric CO₂ concentrations // Clim. Change. 2008. V. 86. P. 357–373.
35. Jarvis A.J., Leedal D.T., Taylor C.J., Young P.C. Stabilizing global mean surface temperature: A feedback control perspective // Environ. Model. Software. 2009. V. 24. P. 665–674.
36. Ban-Weiss G.A., Caldeira K. Geoengineering as an optimization problem // Environ. Res. Lett. 2010. V. 5. 034009.
37. MacMartin D.G., Kravitz B., Keith D.W., Jarvis A. Dynamics of the coupled human-climate system resulting from closed-loop control of solar geoengineering // Clim. Dynam. 2014. V. 43. P. 243–258.
38. Kravitz B., MacMartin D.G., Leedal D.T., Rasch P.J., Jarvis A.J. Explicit feedback and the management of uncertainty in meeting climate objectives with solar geoengineering // Environ. Res. Lett. 2014. V. 9. P. 044006.
39. Гаскаров Д.В., Киселев В.Б., Солдатенко С.А., Юсупов Р.М. Введение в геофизическую кибернетику. СПб: СПбГУВК. 1998. 165 c.
40. Soldatenko S. Weather and climate manipulation as an optimal control for adaptive dynamical systems // Complexity. 2017. V. 2017. ID 4615072. 12 p.
41. Gregory J.M., Mitchell, J.F.B. The climate response to CO₂ of the Hadley Centre coupled AOGCM with and without flux adjustment // Geophys. Res. Lett. 1997. V. 24. P. 1943–1964.
42. Gregory J.M. Vertical heat transports in the ocean and their effect on time-dependent climate change // Clim. Dynam. 2000. V. 16. P. 501–515.
43. Held I.M., Winton M., Takahashi K., Delworth T., Zeng F., Vallis G.K. Probing the fast and slow compo-nents of global warming by returning abruptly to preindustrial forcing // J. Clim. 2010. V. 23. P. 2418–2427.
44. Geoffroy O., Saint-Martin D., Olivié D.J.L., Voldoire A., Bellon G., Tyteca S. Transient climate response in a two-layer energy-balance model. Part I: Analytical solution and parameter calibration using CMIP5 AOGCM experiments // J. Clim. 2012. V. 26. P. 1841–1857.
45. Taylor K. E., Stouffer R. J., Meehl G. A. An overview of CMIP5 and the experiment design // Bull. Am. Meteor. Soc. 2011. V. 93. P. 485-498.
46. Елисеев А.В., Мохов И.И., Карпенко А.А. Предотвращение глобального потепления с помощью контролируемых эмиссий аэрозолей в стратосферу: глобальные и региональные особенности отклика температуры по расчетам с КМ ИФА РАН // Оптика атмосф. и океана. 2009. Т. 22, № 6. С. 521–526; Eliseev A.V., Mokhov I.I., Karpenko A.A. Global warming mitigation by means of controlled aerosol emissions into stratosphere: Global and regional of temperature response as estimated in IAP RAS CM simulations // Atmos. Ocean. Opt. 2009. V. 22, N 4. P. 388–395.
47. Hansen J., Lacis A., Ruedly R., Sato M. Potential climate impact of Mount Pinatubo eruption // Geophys. Res. Lett. 1992. V. 19. P. 215–218.
48. Солдатенко С.А., Юсупов Р.М. Чувствительность нульмерной климатической модели и ее обратные связи в контексте проблемы управления погодой и климатом Земли // Тр. СПИИРАН. 2017. Вып. 3(52). С. 5–31.
49. Rasch P.J., Tilmes S., Turco R., Robock A., Oman L., Chen C.-C., Stenchikov G.L, Garcia R.R. An overview of geoengineering of climate using stratospheric sulphate aerosols // Phil. Trans. R. Soc. A. 2008. V. 366. P. 4007–4037.
50. Hansen J., Sato M., Ruedy R., Nazarenko L., Lacis A., Schmidt G.A., Russell G., Aleinov I., Bauer M., Bauer S., Bell N., Cairns B., Canuto V., Chandler M., Cheng Y., Del Genio A., Faluvegi G., Fleming E., Friend A., Hall T., Jackman C., Kelley M., Kiang N., Koch D., Lean J., Lerner J., Lo K., Menon S., Miller R., Minnis P., Novakov T., Oinas V., Perlwitz Ja., Perlwitz Ju., Rind D., Romanou A., Shindell D., Stone P., Sun S., Tausnev N., Thresher D., Wielicki B., Wong T., Yao M., Zhang S. Efficacy of climate forcing // J. Geophys. Res. 2005. V. 110. D18104.
51. Lenton T.M., Vaughan N.E. The radiative forcing potential of different climate geoengineering options // Atmos. Chem. Phys. 2009. V. 9. P. 5539–5561.
52. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1969. 408 с.
53. Bryson A.E., Ho Y.-C. Applied optimal control: Optimization, estimation, and control. New York: John Wiley & Sons, 1975. 481 p.