The results of investigations on the influence of global changes of Earth system on the climate of Western Siberia are presented. In order to determine the zones of the region where changes are expected at the middle of the twenty-first century, the simulated data of the regional climate model RegCM4 and the standardized Euclidean distances between climate characteristics for the two states of the climate system - contemporary and future - have been used. The zones of Western Siberia region, in which climate change is expected in the framework of RCP 4.5 and RCP 8.5 radiative forcing scenarios by the 2050, have been determined.
1 Алтайский государственный университет, Барнаул 2 Институт вычислительных технологий СО РАН, Новосибирск Представлены результаты исследований влияния глобальных изменений системы Земля на климат Западной Сибири. Для установления зон региона, в которых к середине XXI века прогнозируются изменения, использовались модельные данные региональной климатической модели RegCM4 и принятые в этом классе задач стандартизованные евклидовы расстояния между характеристиками климата для двух состояний климатической системы – современного и будущего. Установлены зоны Западной Сибири, в которых в рамках сценариев RCP 4.5 и RCP 8.5 возможной эволюции глобального системы к 2050 году прогнозируются изменения климата.
Ключевые слова: Западная Сибирь, изменение климата, 2050 год, региональная модель RegCM4, евклидово расстояние, температура, осадки.
Введение. Результаты независимых анализов глобальной приземной температуры
воздуха, полученные Национальным управлением океанических и атмосферных исследований
США (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA) и Национальным управлением
по аэронавтике и исследованию космического пространства (National Aeronautics and Space
Administration, NASA) и опубликованные в ежегодном отчете [
Оценки глобальных климатических изменений стимулируют постановку и проведение исследований, направленных на установление зон регионов, в которых прогнозируются изменения климата. Основным источником информации в таких исследованиях являются данные региональных климатических моделей. Региональные модели позволяют получать более достоверные данные для больших территорий с высоким пространственным разрешением в силу более точного учета рельефа местности, а также более точного описания физических процессов, описывающих динамику климатической системы региона.
Целью работы является анализ влияния глобальных климатических изменений на климат Западной Сибири, установление зон территории, в которых в первой половине XXI века прогнозируется изменение климата. Информационной основой работы являются данные вычислительных экспериментов, проведенных с использованием региональной климатической модели RegCM4.
Модель RegCM4 и постановка вычислительных экспериментов. Моделирование
характеристик климатической системы Сибирского региона проведено для периода
19802050 гг. с использованием созданного авторами и верифицированного по данным о
современном климате вычислительного комплекса, основанного на региональной климатической
модели RegCM4 (см., например, [
На рисунке 1 показано положение и топография (в метрах над уровнем моря) области моделирования, используемой в данной работе. Центр области – в точке с координатами 55.5º с.ш., 85.0º в.д., площадь – 3600×4000 км2. Конфигурация модели RegCM4, используемая в расчетах современного и будущего климатов, приведена в таблице. Рис. 1. Топография области моделирования (метры над уровнем моря).
Моделирование проведено для периода 1980-2050 гг. Интегрирование уравнений
динамики атмосферы проведено с шагом ∆ = 120 c, результаты моделирования получены с
интервалом 3 часа. Период 1980-1985 гг. использовался для «разогрева» модели, поэтому эти
результаты в расчетах не используются. Начальные и граничные условия для современного
периода 1980-2016 гг. задавались по данным реанализа Era-Interim [
Описание 90×100 ячеек. ∆ = 40 км Конфигурация Размер области моделирования. Пространственное разрешение.
Размер буферной зоны.
Тип проекции. Количество вертикальных уровней (верхняя граница атмо
сферы).
Схема пограничного слоя. Схема параметризации облаков. Модель переноса тепла и влаги в
почве. Модель переноса излучения.
Период моделирования.
12 ячеек. Равноугольная коническая проекция Ламберта.
18 сигма-уровней (50 гПа).
Holtslag PBL [
Grell [
CLM 4.5 [11].
RRTM [12]. 1980-2050 гг. (70 лет). C 1 января 1980 года по 31 декабря 1985
года – период «разогрева» модели.
Начальные и граничные условия. Для современного периода 1980-2016 гг. по данным реанализа
Era-Interim [
При анализе результатов расчетов считалось, что климат в ячейке сетки RegCM4 изменился, если превышает пороговое значение 0. Пороговая величина 0 находилась с использованием (1) для современного периода (1991-2010 гг.). При построении оценки 0 этот период случайным образом делился на два множества по 10 лет каждое. Одно множество принималось за современный климатический период, а другое — за будущий. Максимальное значение полученного в этом эксперименте стандартизованного евклидова расстояния рассматривалось далее в качестве 0. Вычислительный эксперимент по выявлению влияния глобального потепления на климат Западной Сибири был проведен для пары переменных — приземная температура воздуха ( = 1) и суммарные осадки ( = 2).
Результаты и выводы. Узлы сетки модели RegCM4, для которых установлено изменение климата в рамках сценариев RCP 4.5 и RCP 8.5, показаны на рисунке 2. Видно, что в общей сложности климатические изменения затронут всю Западную Сибирь в обоих сценариях. Рис. 2. Узлы сетки модели RegCM4 для которых установлено изменение климата для региона Западной Сибири: а) сценарий RCP 4.5; б) сценарий RCP 8.5. Высота над уровнем моря, как на рис. 1. Рис. 3. Узлы сетки модели RegCM4 для которых установлено изменение климата для региона Западной Сибири: а) сценарий RCP 4.5, б) сценарий RCP 8.5. Высота над уровнем моря, как на рис. 1.
Для установления зон региона, в которых возможны еще большие изменения климата, были проведены дополнительные вычислительные эксперименты, в которых в качестве первой климатической переменной выступала среднесуточная температура, превышающая базовую температуру на 5 ºС, а в качестве второй — осадки. Результаты этих расчетов показаны на рисунке 3. Видно, что изменение климата для базовой температуры 5 ºС прогнозируется преимущественно в предгорных и горных районах, а также в зоне болот Западной Сибири. [11] Oleson, K.W., Niu, G.-Y., Yang, Z.-L. et al. Improvements to the Community Land Model and their impact on the hydrological cycle // J. Geophys. Res. 2008. V. 113, G01021. [12] Mlawer E.J., Taubman S.J., Brown P.D. et al. Radiative transfer for inhomogeneous atmospheres: RRTM, a validated correlated-k model for the longwave // J. Geophys. Res. 1997. V. 102. P. 1666316682. [13] Williams J.W., Jackson S.T., Kutzbach J.E. Projected distributions of novel and disappearing climates by 2100 AD // PNAS. 2007. V. 104. Pp. 5738–5742. [14] Pugh T.A.M., Muller C., Elliott J. et al. Climate analogues suggest limited potential for intensification of production on current croplands under climate change // Nat. Commun. 2016. No. 7:12608. doi:10.1038/ncomms12608.