В 2021 году опубликована первая часть готовящегося Шестого оценочного доклада Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) под названием «Изменение климата 2021: Физическая научная основа».
Согласно выводам опубликованного документа:
«Несомненно, что влияние человека нагревало атмосферу, океан и землю с доиндустриальных времен. Объединение данных по всей климатической системе повышает уровень уверенности в приписывании наблюдаемого изменения климата человеческому влиянию и уменьшает неопределенности, связанные с оценками, основанными на отдельных переменных. Крупномасштабные индикаторы изменения климата в атмосфере, океане, криосфере и на поверхности Земли демонстрируют четкую реакцию на антропогенное воздействие, соответствующую тем, которые ожидаются на основе моделирования и физического понимания {3.8.1}».
Каким образом были получены эти выводы и насколько можно им доверять? Для того чтобы разобраться в этом, следует рассмотреть методы, использованные в исследовании МГЭИК.
Оценка антропогенного вклада в наблюдаемое изменение климата требует:
- оценки ожидаемой реакции на антропогенное воздействие,
- оценки ожидаемой эволюции климата из-за естественных воздействий,
- оценки внутренней изменчивости климатической системы (внутренней климатической изменчивости).
Для этого нужны качественные модели. Для получения лучших результатов используется не одна-две модели, а ансамбль моделей, работа ведется по всему миру в рамках проекта Взаимного сравнения связанных моделей Всемирной программы исследований климата (ВПИК), фаза 6 (CMIP6; Eyring et al., 2016a).
Вместе с данными наблюдений за крупномасштабными индикаторами изменения климата 1 моделирование CMIP является ключевым ресурсом для оценки антропогенного воздействия на климатическую систему, выполняемого МГЭИК. Для оценки моделей и оценки внутренней климатической изменчивости наибольшее значение имеют данные о доиндустриальном климате и историческое моделирование.
Для получения выводов и построения диаграмм в отчете МГЭИК 2021 года использовано почти 400 наборов данных, полученных в рамках различных экспериментов на 120 климатических моделях в рамках CMIP 6, которыми занимались порядка 45 научных организаций по всему миру 2.
Фото: MikeMareen / iStock
Что такое климатическая модель?
В моделях климата используются уравнения для представления процессов и взаимодействий, определяющих климат Земли. Они охватывают атмосферу, океаны, сушу и покрытые льдом районы планеты. Атмосфера, гидросфера Земли и ее поверхность разбиваются на трехмерные ячейки, в которых по формулам, отражающим различные физические, химические и биологические процессы, происходящие в земной системе, определяются необходимые климатические параметры (температура, давление, влажность и скорость ветра).
Какие физические процессы учитывают климатические модели?
Климатические модели учитывают фундаментальные физические принципы, такие как первый закон термодинамики (также известный как закон сохранения энергии), который гласит, что в замкнутой системе энергия не может быть потеряна или создана, а только «переведена» из одной формы в другую.
Другим важным физическим законом является закон Стефана-Больцмана, благодаря которому ученые показали, что естественный парниковый эффект поддерживает температуру поверхности Земли примерно на 33 °C выше, чем она была бы без него.
Далее идут уравнения, описывающие динамику того, что происходит в климатической системе, например, уравнение Клаузиуса-Клапейрона, характеризующее связь между температурой воздуха и максимальным давлением водяного пара.
Наиболее важными являются уравнения движения жидкости Навье-Стокса, которые отражают скорость, давление, температуру и плотность газов в атмосфере и воды в океане.
Для решения комплекса этих уравнений используются численные методы, так как многие уравнения не имеют единственного простого решения, что требует гигантских объемов вычислений, которые под силу только суперкомпьютерам.
Отличие климатических моделей от моделей прогноза погоды заключается в более широком охвате климатических процессов и больших временных периодах — они предсказывают средние значения параметров на длительных промежутках времени и учитывают такие долгосрочные процессы, как таяние ледников и океанические течения.
Как проверяют климатические модели?
После создания климатической модели ее можно протестировать с помощью ретроспективного анализа. Для этого модель запускают «из настоящего времени в прошлое» (прогнозируют прошлое). Затем результаты моделирования сравниваются с фактическими данными о климатических и погодных условиях за выбранный период, чтобы оценить, насколько хорошо они совпадают. Это тестирование позволяет ученым проверить точность моделей и при необходимости пересмотреть ее уравнения. Научные группы по всему миру проверяют и сравнивают результаты своих моделей с наблюдениями и результатами других моделей.
Фото: Elen11 / iStock
Эволюция и виды климатических моделей
С каждым отчетом МГЭИК климатические модели получают все большее развитие. Начиная с 1970-х годов модели, помимо выбросов СО2, солнечной радиации и осадков, стали учитывать (по нарастающей) влияние земной поверхности, отражательной способности облаков и льда, способность океана поглощать СО2, вулканическую активность, выбросы сульфатов, океанические течения, вертикальную циркуляцию в океанах, реки, углеродный цикл на поверхности земли, влияние аэрозолей, химические превращения в атмосфере, взаимодействие с растительностью и другие процессы.
При создании климатических моделей ученые используют один из трех распространенных типов простых климатических моделей: модели энергетического баланса, модели средней сложности и модели общей циркуляции.
Самые ранние и самые простые численные модели климата — это модели энергетического баланса (EBM). EBM не имитируют климат, а вместо этого учитывают баланс между энергией, поступающей в атмосферу Земли от солнца, и теплом, возвращающимся обратно в космос. Единственная климатическая переменная, которую они рассчитывают, — это температура поверхности. Простейшие EBM требуют всего несколько строк кода и могут быть запущены в электронной таблице.
Радиационно-конвективные модели имитируют передачу энергии через высоту атмосферы, например, путем конвекции при подъеме теплого воздуха. Радиационно-конвективные модели могут рассчитывать температуру и влажность различных слоев атмосферы.
Следующим уровнем являются модели общей циркуляции (GCM), также называемые моделями глобального климата, которые имитируют физику самого климата. Это означает, что они учитывают потоки воздуха и воды в атмосфере и/или океанах, а также перенос тепла.
Ранние GCM моделировали только один аспект земной системы, например в моделях «только для атмосферы» или «только для океана», но они делали это в трех измерениях, включая многокилометровую высоту в атмосфере или глубину океанов в десятки слоев модели.
Сегодня GCM включают биогеохимические циклы — перенос химических веществ между живыми существами и их окружающей средой — и то, как они взаимодействуют с климатической системой. Эти «Модели Земной системы» (ESM) могут имитировать углеродный цикл, азотный цикл, химический состав атмосферы, экологию океана и изменения в растительности и землепользовании, которые влияют на то, как климат реагирует на антропогенные выбросы парниковых газов. В них учитывается и растительность, которая реагирует на температуру и количество осадков и, в свою очередь, изменяет поглощение и выделение углерода и других парниковых газов в атмосферу.
Более сложные «связанные» модели объединяют эти различные модели, чтобы обеспечить всестороннее представление климатической системы. Совместные модели общей циркуляции атмосферы и океана могут моделировать, например, обмен теплом и пресной водой между сушей и поверхностью океана и воздухом над ними.
Именно такие сложные «связанные» модели использованы МГЭИК для расчета климатических параметров при подготовке раздела о физической научной основе для Шестого оценочного доклада об изменении климата.
Примером современной модели, использованной в рамках CMIP, является Российская модель Института вычислительной математики РАН INM-CM5-0 (7).
Климатическая модель Института вычислительной математики РАН INM-CM5-0
Модель климатической системы INMCM5.0 состоит из двух основных блоков: общей циркуляции атмосферы и общей циркуляции океана.
В атмосферном блоке разрешение составляет 2° × 1,5° по долготе и широте и 73 уровня по вертикали. Верхняя граница расчетной области находится примерно на высоте 60 километров. Это значительно выше, чем в предыдущей версии, где она находилась на высоте около 30 километров, что необходимо для правильного воспроизведения динамики стратосферы. В модели используются параметризации атмосферной радиации, глубокой и мелкой конвекции, орографического и неорографического гравитационно-волнового сопротивления, процессов в почве, на поверхности суши и в растительном покрове. По сравнению с предыдущей версией изменена схема расчета облачности и конденсации.
Модель динамики атмосферы дополнена аэрозольным блоком, в котором рассчитываются прогностические уравнения для концентрации 10 веществ: крупной и мелкой фракций пыли и морской соли, сернистого газа, сульфатного аэрозоля, гидрофильной и гидрофобной форм черного и органического углерода. В радиационном блоке учитываются как прямой, так и непрямой эффект аэрозолей.
В океаническом блоке, представляющем собой модель общей циркуляции океана, уравнения решаются на сетке с разрешением 0,5° × 0,25° по долготе и широте и 40 уровнями по вертикали, он также включает в себя блок эволюции морского льда.
Фото: BlackSalmon / iStock
Как работают с климатическими моделями?
Ученые проводят множество различных экспериментов, чтобы смоделировать климат прошлого, настоящего и будущего. Они также разрабатывают тесты для проверки производительности конкретных частей различных климатических моделей. Разработчики моделей проводят эксперименты над тем, что произойдет, если, скажем, мы внезапно в четыре раза увеличим выбросы CO2 или если для охлаждения климата будут использоваться геоинженерные подходы.
Разные группы ученых в разных странах мира проводят одни и те же эксперименты со своими климатическими моделями, создавая так называемый модельный ансамбль. Эти ансамбли моделей позволяют исследователям изучать различия между климатическими моделями, а также лучше отражать неопределенность в прогнозах будущего. Эксперименты, которые разработчики моделей проводят в рамках проектов взаимного сравнения связанных моделей (CMIP), включают:
- Прогнозы исторического климата, которые позволяют ученым сравнивать модельные прогнозы прошлого климата с зарегистрированными климатическими наблюдениями. Если климатические модели успешно прогнозируют прошлые климатические переменные, такие как температура поверхности, это дает больше уверенности в модельных прогнозах будущего.
Исторические прогоны также полезны для определения того, насколько большую роль играет деятельность человека в изменении климата (так называемая «атрибуция»). Для этого сравниваются два варианта модели с наблюдаемым климатом — только с естественными воздействиями и с воздействием как человека, так и естественных воздействий. Различия между двумя вариантами позволяют судить о вкладе человеческой деятельности в изменение климата.
- Сценарии будущего климата
Пятый оценочный отчет МГЭИК был посвящен четырем сценариям будущего потепления, известным как сценарии репрезентативного пути концентрации (RCP). Они смотрят на то, как климат может измениться с настоящего времени до 2100 года и далее. В рамках шестой фазы рассматривались сценарии общего социально-экономического пути (SSP, см. (5), (6)), в которых прогнозы выбросов парниковых газов основаны на различных вариантах будущих социально-экономических и политических прогнозов.
Модели комплексной оценки (IAM) позволяют моделировать, как население, экономический рост и использование энергии влияют на физический климат и взаимодействуют с ним. IAM создают сценарии того, как выбросы парниковых газов могут измениться в будущем. Затем ученые могут запускать эти сценарии с помощью моделей земной системы для создания прогнозов изменения климата.
В исследованиях климата IAM обычно используются для прогнозирования будущих выбросов парниковых газов, а также выгод и затрат на варианты политики, которые могут быть реализованы для их решения. Например, они используются для оценки углеродных социальных издержек — денежной оценки воздействия как положительного, так и отрицательного каждой дополнительной тонны выбрасываемого CO2.
Девять сценариев SSP охватывают широкий диапазон вариантов будущего: от обычного мира, в котором практически не предпринимаются меры по смягчению последствий, до мира, в котором агрессивные меры по смягчению обычно ограничивают потепление до уровня, не превышающего 2 °С.
- Контрольные прогоны полезны для изучения того, как естественная изменчивость выражается в моделях при отсутствии других изменений. Они также используются для диагностики «дрейфа модели», когда в модели происходят ложные долгосрочные изменения, не связанные ни с естественной изменчивостью, ни с изменениями внешнего воздействия.
Если модель «дрейфует», в ней произойдут изменения, выходящие за рамки обычной естественной изменчивости от года к году и от десятилетия к десятилетию, даже если факторы, влияющие на климат, такие как концентрация парниковых газов, не изменятся.
Контрольные прогоны запускают модель в период до того, как современная промышленная деятельность резко увеличила выбросы парниковых газов. Затем они позволяют модели работать сотни или тысячи лет без изменения парниковых газов, солнечной активности или любых других внешних факторов, влияющих на климат. При этом человеческие и природные факторы остаются неизменными.
- Диагностические тесты и сравнения, позволяющие выявить воздействие на работу моделей различных блоков и факторов. Это:
- проект взаимного сравнения атмосферных моделей (AMIP), в рамках которых исследуются изменения атмосферных параметров при «отключенных» (неизменных) суше и океане;
- внезапный рост выбросов CO2 в четыре раза;
- прогоны с 1%-ным ростом CO2 в год;
- пробеги для палеоклимата, когда модели прогоняются для климата прошлого (палеоклимат), чтобы понять, как происходили большие колебания климата Земли в прошлом, например во время ледниковых периодов, и как менялся уровень моря и другие факторы в периоды потепления и похолодания. Эти прошлые изменения дают ориентир на будущее, если потепление продолжится.
- Специализированные модельные испытания
В рамках CMIP6 исследовательские группы по всему миру проводят множество различных экспериментов. К ним относятся рассмотрение поведения аэрозолей в моделях, образование облаков и обратная связь, реакция ледяных щитов на потепление, изменения муссонов, повышение уровня моря, изменения в землепользовании, океаны и воздействие вулканов.
В результате проведенной работы в отчете МГЭИК сделан следующий общий вывод:
«Для большинства крупномасштабных индикаторов изменения климата смоделированные недавние средние значения климата из климатических моделей CMIP6 последнего поколения, лежащих в основе этой оценки, улучшились по сравнению с моделями CMIP5, оцененными в ДО5 (высокая степень достоверности). Сохраняются некоторые отличия от наблюдений, например, в региональных режимах осадков».
Постоянное совершенствование климатических моделей, произошедшее с 1970-х годов, и при этом все увеличивающаяся степень уверенности ученых, осуществляющих моделирование в различных организациях по всему миру, в получаемых данных об антропогенном воздействии на климат, а также многоуровневые проверки качества моделей говорят о необходимости учета этих данных при определении климатической политики.
Источники:
1. Eyring, V., N.P. Gillett, K.M. Achuta Rao, R. Barimalala, M. Barreiro Parrillo, N. Bellouin, C. Cassou, P.J. Durack, Y. Kosaka, S. McGregor, S. Min, O. Morgenstern, and Y. Sun, 2021: Human Influence on the Climate System. In Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S.L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M.I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T.K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu, and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, pp. 423–552, doi:10.1017/9781009157896.005.
2. IPCC, 2021: Annex II: Models [Gutiérrez, J M., A.-M. Tréguier (eds.)]. In Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S.L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M.I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T.K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu, and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, pp. 2087–2138, doi:10.1017/9781009157896.016.
3. CarbonBrief. Q&A: How do climate models work?
4. Eyring, V., Bony, S., Meehl, G. A., Senior, C. A., Stevens, B., Stouffer, R. J., and Taylor, K. E.: Overview of the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) experimental design and organization, Geosci. Model Dev., 9, 1937–1958, 2016.
5. Meinshausen, M., Nicholls, Z. R. J., Lewis, J., Gidden, M. J., Vogel, E., Freund, M., Beyerle, U., Gessner, C., Nauels, A., Bauer, N., Canadell, J. G., Daniel, J. S., John, A., Krummel, P. B., Luderer, G., Meinshausen, N., Montzka, S. A., Rayner, P. J., Reimann, S., Smith, S. J., van den Berg, M., Velders, G. J. M., Vollmer, M. K., and Wang, R. H. J.: The shared socio-economic pathway (SSP) greenhouse gas concentrations and their extensions to 2500, Geosci. Model Dev., 13, 3571–3605, 2020.
6. Keywan Riahi, Detlef P. van Vuuren, Elmar Kriegler, Brian O’Neil. The Shared Socio‐Economic Pathways (SSPs): An Overview. 2016.
7. Володин Е.М., Мортиков Е.В., Кострыкин С.В., Галин В.Я., Лыкосов В.Н., Грицун А.С., Дианский Н.А., Гусев А.В., Яковлев Н.Г. Воспроизведение современного климата в новой версии климатической модели ИВМ РАН // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2017. V. 53. № 2. P. 164–178.
8. Gulev, S.K., P.W. Thorne, J. Ahn, F.J. Dentener, C.M. Domingues, S. Gerland, D. Gong, D.S. Kaufman, H.C. Nnamchi, J. Quaas, J.A. Rivera, S. Sathyendranath, S.L. Smith, B. Trewin, K. von Schuckmann, and R.S. Vose, 2021: Changing State of the Climate System. In Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S.L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M.I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T.K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu, and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, pp. 287–422, doi:10.1017/9781009157896.004.
1 Приземная и верхняя температура воздуха, компоненты гидрологического цикла (поверхностная влажность, осаждаемый водяной пар, осадки, сток, осадки-испарение), атмосферная циркуляция (давление на уровне моря и ветры, циркуляция Хэдли/Уокера, глобальные муссоны, блокирование, следы штормов и струи, внезапное стратосферное потепление), протяженность/площадь морского льда, сезонность и толщина, земной снежный покров, масса и протяженность ледника, масса и протяженность ледяного щита, температура земной вечной мерзлоты и толщина активного слоя, температура/теплосодержание океана, соленость, уровень моря, циркуляция, pH и деоксигенация, сезонный цикл CO2, морская биосфера (распределение морской биоты, первичная продукция, фенология), наземная биосфера (распределение наземной биоты, глобальное озеленение/побурение, вегетационный период), см. (8)
2 CMIP6.CMIP.INM.INM-CM5-0.piControl
Фото на обложке: janiecbros / iStock
