Российские программы по исследованию климата

 

Рассмотрим основные российские программы по климатическому мониторингу.

В программе «Исследование роли энергоактивных зон океана в колебаниях климата» - «Разрезы» участвовали многие учреждения РАН, Росгидромета, АН Украины. Целью программы было изучение короткопериодных флуктуаций климата путем проведения специализированных океанографических аэрологических наблюдений в энергоактивных зонах океана, изучение взаимодействия океана и атмосферы, анализ спутниковой информации, проведение специализированных спутниковых наблюдений, анализ отклика атмосферы на аномалии температуры поверхности океана и т.д. В тропических районах имелось сильное пересечение по целям и средствам с программой ВПИК-ТОГА.

Для программы «Разрезы» во ВНИИГМИ-МЦД было создано несколько баз данных. Одним из первых массивов, предложенных ВНИИГМИ-МЦД, было создание универсальной базы данных, включающей морские гидрометеорологические, аэрологические и океанографические наблюдения, т.е. данные представляющие собой единую вертикаль в океане и атмосфере (Режимно-справочные банки океанографических данных, 1989). Но из-за отсутствия долговременных и одновременных наблюдений в океане и атмосфере от создания такой базы данных пришлось отказаться. Следующим этапом в программе «Разрезы» было создание исторических массивов по данным температуры воды, воздуха и солености для энергоактивных зон Мирового океана. Но и эти базы данных невозможно было усвоить в численных моделях. Поэтому пришли к созданию баз данных синоптического типа. Так были созданы следующие массивы данных:

ЭАЗООКЕАН - океанографические данные по энергоактивным зонам, содержит исторические глубоководные данные по Норвежской, Ньюфаундлендской, Тропической ЭАЗО, ЭАЗО Гольфстрим и Куросио (температура, соленость, содержание кислорода на стандартных горизонтах), рассортированные по одноградусным квадратам и упорядоченные во времени за 1900 - 1981 гг.

Результаты сезонных съемок в ЭАЗО (1981 - 1985 гг.) - стандартные океанографические и метеорологические, в некоторых случаях актинометрические и аэрологические наблюдения.

«Вертикаль», сформированный по данным океанической станции погоды «С» за 1977 - 1979 гг.

Разрезы-океан - глубоководные океанографические данные по Северной Атлантике. Хронологический массив глубоководных наблюдений в Северной Атлантике, включающий сведения о температуре и солености на стандартных горизонтах за 1981 - 1984 гг.

Разрезы-метео - метеорологические данные по Северной Атлантике. Хронологический массив метеорологических наблюдений в Северной Атлантике, включающий сведения о температуре воды и воздуха, давлении, точке росы за 1981 - 1985 гг.

В 1979 г. IX конгресс ВМО принял решение об учреждении Всемирной климатической программы. Ее основной исследовательской частью является Всемирная программа исследования климата (ВПИК), официально начавшаяся с января 1980 года (Мягкова И.Н.).

Основные цели ВПИК заключаются в определении:

степени предсказуемости изменений климата;

степени влияния человека на климат.

Для достижения этих целей необходимо:

а) усовершенствовать знания в отношении глобальных и региональных климатических систем, их изменений во временных масштабах и нашего понимания механизмов, ответственных за изменение климата;

б) оценить тенденции изменчивости глобальных и региональных климатических систем;

в) разработать и усовершенствовать физико-математические модели, позволяющие моделировать и в итоге прогнозировать изменение климата в широком диапазоне пространственных и временных масштабов;

г) исследовать чувствительность климата к возможным естественным и антропогенным влияниям и оценить климатические изменения, возникающие в результате возмущающих воздействий.

Работа ВПИК организуется по трем направлениям. Первое направлено на расширение срока прогноза погоды на месяц и вплоть до сезона. Второе - на изучение межгодичной изменчивости климата в глобальном и региональном масштабах. Третье направление - изучение чувствительности климата к внешним воздействиям, таким, как изменение концентрации оптически активных или «парниковых» газов. К последним относятся углекислый газ, а также метан, фреоны, тропосферный озон, окислы азота и ряд других. План ведения ВПИК, одобренный на межправительственном совещании экспертов в мае 1986 года, состоит из ряда подпрограмм, проектов, каждый из которых, в свою очередь, состоит из многих подпроектов, экспериментов, работ по созданию специфических банков данных, созданию специальных наблюдательных систем (ЮНЕСКО начинает программу мониторинга глобальных изменений).

Первая компонента ВПИК - изучение прогноза климата атмосферы - нацелена на улучшение моделей общей циркуляции атмосферы, которые уже используются для прогноза погоды с тем, чтобы удлинить сроки прогноза до нескольких недель (или сезона). При этом важно уметь описывать источники и стоки энергии в атмосфере и на поверхности. Для достижения второй и третьей целей ВПИК модели атмосферы должны быть связаны с моделями океана, так как именно океан вместе с криосферой является наиболее инерционным звеном климатической системы.

Ввиду ограниченности пространственного и временного разрешения в численных моделях прогноза погоды и климата многие процессы, например, облачность, взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью, не могут быть описаны детально или индивидуально параметризованы, т.е. обозначены в терминах крупномасштабных переменных, явно фигурирующих в модели. Разработка таких параметризаций требует данных большого количества специально поставленных экспериментов.

Работы по программе выполняются по следующим направлениям: глобальная климатология облачности и радиации по спутниковым и наземным данным; исследования радиации и облачности; наземные и самолетные измерения облачности и радиации; теоретические исследования взаимодействия облачности и радиации; спутниковые измерения характеристик облачности и радиации; региональный подспутниковый радиационно-облачный эксперимент. Международный спутниковый проект климатологии облачности ставит своей целью получение глобальных данных по распределению облачности, потоков радиации и их зависимости от полей ветра и температуры в атмосфере, от свойств подстилающей поверхности. ВПИК состоит из следующих подпрограмм.

Подпрограмма криосферных исследований направлена, в основном, на изучение морского льда и процессов, которые контролируют его распространение и толщину (Кондратьев К.Я., 1982).

Подпрограмма оценки чувствительности климата ориентирована на получение количественных знаний о роли различных астрономических (вариации потока солнечной энергии), геофизических (вулканический аэрозоль) или антропогенных факторов (увеличение концентрации парниковых газов, дым от пожаров ядерной войны).

Подпрограмма по климатологии облачности и радиации дополняет Международный спутниковый проект климатологии облачности и радиации. Ее цель - разработка параметризации облачности и ее взаимодействия с радиацией. Она включает составление банка данных и составление на этой основе атласа облачности, изучение физики облаков, создание моделей, изучение особенности облачности в полярных районах, спутниковые системы, подспутниковый эксперимент. Осуществлен запуск специализированных спутников, в том числе с участием Франции, в постановке специализированной аппаратуры для определения компонент радиационного баланса и облачности.

Подпрограмма по гидрологии и атмосферным процессам. Цель - параметризация влагозапаса в почве и поверхностного стока в зависимости от атмосферных переменных. Для этого запланировано проведение комплексных экспериментов, в которых будут измеряться эти характеристики, сток в речных бассейнах регионов (приблизительно 100 х 100 км), испарение, компоненты баланса энергии на поверхности почвы. Цель этой программы, как и предыдущих, состоит в обеспечении выполнения прогнозов погоды на долгие сроки и межгодичной изменчивости. Определяются изменения влагозапаса в почве и поверхностного стока в зависимости от свойств подстилающей поверхности и метеорологических полей. В 1986 г. уже проведен первый из серии таких экспериментов в Юго-Западной Франции, в 1988 - 1989 гг. близкий эксперимент проведен силами ряда учреждений России, Германии, Чехословакии на базе Курского полигона Института географии РАН.

Изучение чувствительности климата к изменениям состава атмосферы антропогенного происхождения. Состав атмосферы изменяется благодаря увеличению в нем концентрации углекислого газа, метана, фреонов, окислов азота. Все эти газы практически не влияют на поглощение в атмосфере солнечной радиации и увеличивают поглощение тепловой радиации поверхности и атмосферы, увеличивая этим парниковый эффект. Производится мониторинг многих из этих газов. Разрабатываются модели углеродного цикла и цикла других газов с целью определения будущих концентраций этих газов, разрабатываются сценарии будущего развития энергетики, которые дадут возможность определить эмиссии СО2 и метана в будущем. Разрабатываются модели для оценок чувствительности климата к этим газам. Усиленно изучаются палеоклиматические аналоги современных изменений климата на эпохи, которые предполагаются близкими к климату будущего столетия. Ведется детальная реконструкция и анализ флуктуации климата за последние 100 - 150 лет и за более отдаленные эпохи.

Программа исследования гидрологических и атмосферных процессов. Цель программы исследования гидрологических и атмосферных процессов (ПГИАП) - разработка методов параметризации потоков тепла и влаги на зонально-ландшафтной основе и выявление роли гидрологических процессов в формировании и изменении климата.

Программа состоит из четырех основных разделов. Первый включает в себя серию проводимых в различных природных зонах России международных экспериментов по исследованию взаимосвязи гидрологических и атмосферных процессов. Второй раздел программы предусматривает разработку моделей гидрологического цикла, тепло- и влагообмена, учитывающих ландшафтные неоднородности подсеточного масштаба. Для оценки роли ландшафтных неоднородностей разного масштаба намечено проведение экспериментов на глобальных климатических моделях. Третий раздел охватывает параметризацию и картирование теплового и водного балансов на региональном и глобальном уровнях по сезонам, месяцам и более коротким отрезкам времени. Четвертый - предусматривает усвоение результатов исследований в климатических моделях.

В выполнении программы участвовали 14 учреждений бывшего СССР. Координаторами программы были Институт географии РАН, Институт физики атмосферы РАН и Институт водных проблем РАН.

ПГИАП выполнялась в рамках Международного проекта экспериментальных исследований глобального круговорота энергии и воды. В 1987 - 1988 гг. в рамках ПГИАП проведен международный эксперимент КУРЭКС-88 - первый из серии экспериментов, планируемых на территории России. Аналогичные работы проводились или планируются во Франции, в США, Китае и других странах. КУРЭКС-88 охватывал гидрологический год с 15 ноября 1987 г. по 15 ноября 1988 г. Международная часть эксперимента осуществлялась с 13 июня по 22 июля 1988 г. В международной фазе КУРЭКС-88 участвовали специалисты из более чем 20 институтов бывшего СССР и 13 институтов Болгарии, Венгрии, Вьетнама, Германии, Китая, Кубы, Польши и Чехословакии. В эксперименте приняло участие около 200 специалистов, в том числе 35 из бывших социалистических стран.

Основное внимание было уделено изучению процессов тепло- и влагообмена между атмосферой и подстилающей поверхностью на ландшафтной основе в течение характерных гидрологических сезонов и фенофаз развития растительного покрова с целью их последующей параметризации. Ключевое место в эксперименте занимала проблема оценки влияния ландшафтных неоднородностей подсеточного масштаба на процессы тепло- и влагообмена суши с атмосферой в различных масштабах времени - от внутрисуточных до годовых отрезков времени, и пространства - от однородных выделов до масштаба ячейки моделей климата 100 × 100 км или 100 × 200 км.

Важная задача эксперимента - оценка водного и теплового балансов элементарных геосистем и на этой основе - интегральных балансов для бассейна р. Сейм в целом по годовым, сезонным и более коротким отрезкам времени.

В период эксперимента в основных ландшафтах Курской модельной области (водосбор р. Сейм) проводились синхронные измерения составляющих теплового баланса, пульсационные и фитометрические измерения, наблюдения за составляющими гидрологического цикла (атмосферные осадки, влажность почвы, склоновый и речной сток, уровни фунтовых вод, водно-физические характеристики почв и др.).

По результатам эксперимента создан архив данных международной фазы КУРЭКС-88. Архив включает в себя данные пульсационных измерений потоков тепла и влаги, теплобалансовых и актинометрических измерений, атмосферные осадки, данные измерений влажности почв, фитометрических измерений, данные о поверхностном стоке, водно-физических константах и структуре землепользования. Все вошедшие в архив материалы записаны в виде текстовых файлов (Мягкова И.Н.).

В рамках Межведомственного проекта "Меридиан" продолжены высокоточные измерения структуры вод Северной Атлантики, в результате которых зафиксированы ее долгопериодные климатические изменения, хорошо согласующиеся с изменчивостью крупномасштабной циркуляции океана. Впервые зафиксировано перетекание вод арктического происхождения у восточного материкового склона Северной Атлантики. В сочетании с также зафиксированным усилением двух традиционных источников арктических вод в Северной Атлантике (воды Датского и Фаррерско-Шотландских проливов) это говорит об интенсификации водообмена между арктическим бассейном и Северной Атлантикой. Обнаружено, что за последние пять лет произошло потепление (на 0,2 - 0,4°) и осолонение вод верхних 200 м, поступающих с Северо-Атлантическим течением в Норвежское море, а также потепление Северо-восточных глубинных вод, приходящих из Норвежского моря в Северную Атлантику. В бассейне Ирмингера за этот период времени произошло резкое потепление (на 0,3 - 1,5°) всей толщи вод свыше 2000 м. Для слоя термоклина и Лабрадорской воды это потепление сопровождается и осолонением на 0,02 - 0,04 единицы. Кроме того, структура Лабрадорской водной массы в этом районе стала двухмодовой из-за межгодовой изменчивости глубины проникновения зимней конвекции в море. В слое Северо-западных глубинных вод ситуация обратная - за пять лет произошло охлаждение (более чем на 1°С) и опреснение (на 0,02 - 0,06 ед.) этой водной массы, причем не у дна, а на 100 - 500 м выше. Изменения термохалинных характеристик за 40 лет показывают иные тенденции. Наблюдается общее опреснение и охлаждение вод ниже 1000 м. Напротив, в наиболее глубокой части бассейна Ирмингера у дна Северо-западная глубинная вода потеплела на 0,2 - 0,4°. Все изменения температуры и солености определяются, прежде всего, трансформацией во времени ядер водных масс.

Исследования климатической изменчивости характеристик ветровых волн позволило впервые выявить тенденции изменений высот волн в Атлантике и Тихом океане за период более ста лет. Было установлено, что в Северной части Тихого океана имеется устойчивая тенденция роста ветровых волн (до 8 см в 10 лет) за период с 1900 года. В то же время, в Атлантическом океане не отмечается сколь либо значимых трендов высот ветровых волн за последнее столетие. Однако, в течение последних четырех десятилетий имеется тенденция существенного роста ветровых волн в обоих океанах (до 8 см в 10 лет). Исследование экстремальных высот волн показало, что вероятные волны столетней повторяемости имели тенденцию к увеличению в северо-восточной Атлантике и северо-восточной части Тихого океана на 30 - 70 см за 30 лет. Эта изменчивость увязана с усилением интенсивности атмосферных циклонических образований в обоих океанах.

Для анализа роли процессов взаимодействия океана и атмосферы в поверхностной трансформации водных масс были оценены потоки плавучести на поверхности Атлантики за период с 1958 по 1999 гг. Сопоставление результатов с использованием температурно-соленостных и плотностных характеристик по данным моделирования с грубым и высоким разрешением показал, что использование грубого разрешения занижает примерно на 10 - 20 % (0,5 - 1,0 × 106 кг/м2) оценки потока массы за счет взаимодействия океана и атмосферы. Максимальные различия выявлены в областях максимальной кинетической энергии и вихреобразования - в первую очередь в Гольфстриме при формировании Субтропической модальной воды. Анализ результатов позволил идентифицировать наиболее мощную поверхностную трансформацию соответствующую образованию Лабрадорской воды (13 - 15 Св) и Субтропической модальной воды (9 - 12 Св).

В ходе выполнения работ по проекту "Меридиан" были оценены количественные показатели океанских изменений климата в Атлантическом океане на основе высокоточных экспедиционных наблюдений четырёх рейсов НИС "Академик Сергей Вавилов" и "Академик Иоффе". Была установлена устойчивая тенденция потепления и осолонения промежуточных вод субполярной Атлантики, что является показателем блокирования меридиональной циркуляции. В рамках анализа высокоразрешающих полей потоков тепла, влаги и импульса на границе океан-атмосфера были построены многолетние поля пресноводного баланса поверхности океана на основе инструментальных и спутниковых наблюдений. Это позволило достоверно оценивать области распреснения за счёт взаимодействия океана с атмосферой. Впервые получен замкнутый пресноводный баланс Мирового океана.

Получены новые оценки теплового баланса поверхности Мирового океана, которые позволили выполнить анализ перераспределения тепловой энергии в океане на междекадном масштабе, исследовать трендовые и межгодовые компоненты изменчивости и впервые построить картину океанских крупномасштабных изменений исключительно на основании данных о поверхностном тепловом балансе. Была разработана новая методология оценивания теплового баланса, основанная на введении в рассмотрение координат определяющих параметров, в которых и проводилось пространственно-временное осреднение, что позволило оценивать функции распределения для достоверного нахождения пространственно-временного среднего.