Том 32, номер 04, статья № 9

Солдатенко С. А., Юсупов Р. М. Модель оценки неравновесного отклика среднеглобальной приповерхностной температуры на изменение концентраций атмосферных аэрозолей и радиационно-активных газов. // Оптика атмосферы и океана. 2019. Т. 32. № 04. С. 309–316. DOI: 10.15372/AOO20190409.    PDF
Скопировать ссылку в буфер обмена

Аннотация:

Рассмотрена двухкомпонентная энергобалансовая модель климата (ЭБМ), позволяющая оценивать неравновесный отклик среднеглобальной приповерхностной температуры (т.е. реакцию земной климатической системы) на радиационный форсинг, генерируемый атмосферными аэрозолями и радиационно-активными газами в соответствии с заданными сценариями изменения их содержания в атмосфере. Аналитически получено выражение для импульсной переходной функции ЭБМ. Реакция климатической системы на произвольное внешнее радиационное воздействие вычисляется как свертка двух функций: импульсной переходной функции и функции, описывающей радиационный форсинг. Сравнительный анализ результатов численных расчетов, выполненных для двух идеализированных сценариев радиационного форсинга (ступенчатое и линейно растущее радиационное возмущение), и точного решения, полученного аналитически, демонстрирует достаточно высокую точность метода. С использованием импульсной переходной функции выполнена оценка отклика среднеглобальной приповерхностной температуры в ответ на радиационный форсинг, задаваемый в соответствии с несколькими сценариями увеличения содержания в атмосфере парниковых газов (четыре RCP-сценария) и вулканического аэрозоля (извержение вулкана Пинатубо в 1991 г.). Поскольку рассмотренный в настоящей работе метод оценки отклика климатической системы на радиационный форсинг достаточно точен и малозатратен с вычислительной точки зрения, он может быть использован для экспресс-анализа реакции климатической системы на произвольное радиационное возмущение, генерируемое природным и антропогенным аэрозолем, а также радиационно-активными газами, в том числе парниковыми.

Ключевые слова:

изменение климата, глобальное потепление, импульсная переходная функция, неравновестный отклик климата, стратосферный аэрозоль

Список литературы:

1. Кабанов М.В., Зуев В.Е. Оптика атмосферного аэрозоля. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 256 с.
2. 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.
3. Ивлев Л.С. Аэрозоли и глобальные изменения климата // Регион. экол. 2011. № 3–4(32). С. 83–93.
4. Myhre G., Myhre C.E.L., Samset B.H., Storelvmo T. Aerosols and their relation to global climate and climate sensitivity // Nature Education Knowledge. 2013. V. 4(5), N 7. URL: https://www.nature.com/scitable/ knowledge / library / aerosols-and-their-relation-to-global-climate-102215345 (last access: 19.12.2018).
5. Boucher O. Atmospheric aerosols: Properties and climate impacts. Dordrecht: Springer-Verlag, 2015. 311 p.
6. Smith S.J., Bond T.C. Two hundred fifty years of aerosols and climate: The end of the age of aerosols // Atmos. Chem. Phys. 2014. V. 14, N 2. P. 537–549.
7. Переведенцев Ю.П. Теория климата. Казань: Казан. гос. ун-т, 2009. 504 с.
8. Логинов В.Ф. Радиационные факторы и доказательная база современных изменений климата. Минск: Белорусская Наука, 2012. 266 с.
9. Дымников В.П., Лыкосов В.Н., Володин Е.М. Моделирование климата и его изменений // Вестн. РАН. 2012. Т. 82, № 3. С. 227–236.
10. Ritchie H., Roser M. CO2 and other Greenhouse Gas Emissions [Electronic resource]. URL: https://ourworldindata.org / co2-and-other-greenhouse-gas-emissions (last access: 29.12.2018).
11. Isaksen I.S.A., Granier C., Myhre G., Berntsen T.K., Dalsoren S.B., Gauss M., Klimont Z., Benestad R., Bousquet P., Collins W., Cox T., Eyring V., Fowler D., Fuzzi S., Jockel P., Laj P., Lohmann U., Maione M., Monks P., Prevot A.S.H., Raes F., Richter A., Rognerud B., Schulz M., Shindell D., Stevenson D., Storelvmo T., Wang W.C., van Weele M., Wild M., Wuebbles D. Atmospheric composition change: Climate-chemistry interactions // Atmos. Environ. 2009. V. 43, N 33. P. 5138–5192.
12. 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 / T.F. Stocker, D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignot, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels A. Xia, V. Bex, P.M. Midgley (eds.). Cambridge, New York: Cambridge University Press, 2013. 1535 p.
13. Yoshimori M., Watanabe M., Shiogama H., Oka A., Abe-Ouchi, Ohgaito R., Kamae Y. A review of progress towards understanding the transient global mean surface temperature response to radiative perturbation // Progress in Earth and Planetary Science. 2016. V. 3(21). 14 p.
14. Pincus R., Forster P.M., Stevens B. The radiative forcing model intercomparison project (RFMIP): Experimental protocol for CMIP6 // Geosci. Model Dev. 2016. V. 9. P. 3447–3460.
15. Risbey J.S., Grose M.R., Monselesan D.P., O'Kane T.J., Lewandowsky S. Transient response of the global mean warming rate and its spatial variation // Weather and Climate Extremes. 2017. V. 18. P. 55–64.
16. Taylor K.E., Crucifix M., Braconnot P., Hewitt C.D., Doutriaux C., Broccoli A.J., Mitchell J.F.B., Webb M.J. Estimating shortwave radiative forcing and response in climate models // J. Clim. 2007. V. 30. P. 2530–2543.
17. Gritsun A.S., Branstator G., Dymnikov V.P. Construction of the linear response operator of an atmospheric general circulation model to small external forcing // Russ. J. Numer. Anal. Math. Model. 2002. V. 17. P. 399–416.
18. Westervelt D.M., Horowitz L.W., Naik V., Go­­laz J.-C., Mauzerall D.L. Radiative forcing and climate response to projected 21st century aerosol decreases // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15. P. 12681–12703.
19. Cheridan R., Quaas J., Salzmann M., Tomassini L. Black carbon indirect radiative effects in a climate model // Tellus B. 2017. V. 69, iss. 1. P. 1369342.
20. 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. 20160454.
21. 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.
22. 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.
23. 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.
24. Солдатенко С.А., Юсупов Р.М. Оптимальное управление процессом применения искусственных сульфатных аэрозолей для смягчения глобального потепления // Оптика атмосф. и океана. 2018. Т. 31, № 10. С. 821–828; Soldatenko S.A., Yusupov R.M. Optimal control of artificial sulfate aerosols usage to mitigate global warming // Atmos. Ocean. Opt. 2019. V. 32, N 1. P. 55–63.
25. Солдатенко С.А., Юсупов Р.М. Оптимальное управление аэрозольными эмиссиями в стратосферу для стабилизации климата Земли // Изв. РАН. Физ. атмосф. и океана. 2018. Т. 54, № 5. С. 566–574.
26. Кондратьев К.Я. Аэрозоль и климат: современное состояние и перспективы разработок. 3. Аэрозольное радиационное возмущающее воздействие // Оптика атмосф. и океана. 2006. Т. 19, № 7. С. 565–575.
27. Володин Е.М. Представление потоков тепла, влаги и импульса в климатической модели. Радиационные потоки // Фундам. и прикл. климатол. 2017. Т. 3. С. 5–15.
28. Zhang Z., Moore J.C. Mathematical and physical fundamentals of climate change. Boston: Elsevier, 2014. 494 p.
29. Stensrud D.J. Parameterization Schemes: Keys to understanding numerical weather prediction models. Cambridge: Cambridge University Press, 2007. 459 p.
30. Будыко М.И. Изменения климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 280 с.
31. North G.R., Kim K.-Y. Energy balance climate model. Weinheim: Wiley-VCH, 2017. 369 p.
32. Коновалов Г.Ф. Радиоавтоматика. М.: Высш. шк., 1990. 335 с.
33. Rypdal K. Global warming projections derived from an observation-based minimal model // Earth System Dynamics. 2016. V. 7. P. 51–70.
34. Gregory J.M. Vertical heat transport in the ocean and their effect on time-dependent climate change // Clim. Dyn. 2000. V. 16. P. 501–515.
35. Held I.M., Winton M., Takahashi K., Delworth T., Zeng F., Vallis G.K. Probing the fast and slow components of global warming by returning abruptly to preindustrial forcing // J. Clim. 2010. V. 23. P. 2418–2427.
36. Trenberth K.E. Climate system modelling. Cambridge: Cambridge University Press, 1992. 788 p.
37. Geoffroy O., Saint-Martin D., Olivié D.J.L., Voldoire A., Bellon G., Tytéca 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.
38. 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.
39. 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 greenhouse gas concentrations and their extensions from 1765 to 2300 // Clim. Change. 2011. V. 109. P. 213–241.
40. Riahi K., Gruebler A., Nakicenovic N. Scenarios of long-term socio-economic and environmental development under climate stabilization // Technol. Forecast. Soc. Change. 2007. V. 74, N 7. P. 887–935.
41. Schneider L., Smerdon J.E., Pretis F., Hartl-Meier C., Esper J. A new archive of large volcanic events over the past millennium derived from reconstructed summer temperatures // Environ. Res. Lett. 2017. V. 12. P. 094005.
42. Arfeuille F., Weinsenstein D., Mack H., Rozanov E., Peter T., Brönnimann S. Volcanic forcing for climate modelling: A new microphysics-based data set covering years 1600-present // Clim. Past. 2014. V. 10. P. 359–375.
43. Kinne S., O’Donnel D., Stier P., Kloster S., Zhang K., Schmidt H., Rast S., Giorgetta M., Eck T.F., Stevens B. MAC-v1: A new global aerosol climatology for climate studies // J. Adv. Model. Earth Syst. 2013. V. 5. P. 704–740.
44. Ивлев Л.С., Довгалюк Ю.А. Физика атмосферных аэрозольных систем. СПб.: НИИХ СПбГУ, 1999. 194 с.
45. Myhre G., Highwood E.J., Shine K.P., Stordal F. New estimates of radiative forcing due to well mixed greenhouse gases // Geophys. Res. Lett. 1998. V. 25. P. 2715–2718.
46. Myhre G.D., Shindell F.-M., Bréon W., Collins W., Fuglestvedt L., Huang J., Lamarque J.-F., Lee D., Mendoza B., Nakajima T., Robock A., Stephens G., Takemura T., Zhang H. Anthropogenic and natural radiative forcing // 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, United Kingdom, New York: Cambridge University Press, 2013. P. 659–740.
47. 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. 45 p.
48. Sato M., Hansen J.E., McCormick M.P., Pollack J.B. Stratospheric aerosol optical depth, 1850–1990 // J. Geophys. Res. 1993. V. 98. P. 22987–22994.
49. Summary for Policymakers // 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, United Kingdom, New York: Cambridge University Press, 2013. 28 p.
50. Ward P. Sulfur dioxide initiates global climate change in four ways // Thin Solid Films. 2009. V. 517. P. 3188–3203.
51. Parker D.E., Wilson H., Jones P.D., Christy J.R., Folland C.K. The impact of Mount Pinatubo on world-wide temperatures // Int. J. Climatol. 1996. V. 16. P. 487–497.
52. Grieser J., Schönwiese C.-D. Parameterization of spatio-temporal patterns of volcanic aerosol induced stratospheric optical depth and its climate radiative forcing // Atmosfera. 1999. V. 12. P. 111–133.