КЛИМАТ ПОСЛЕДНЕГО ТЫСЯЧЕЛЕТИЯ И ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА В XIX, XX И XXI ВВ.

Последний экстремум LIA наблюдался в начале XIX в. После этого началось потепление климата. Сначала оно происходило небыстро, представляя собой естественную стадию выхода из холодной аномалии. В XX в. потепление ускорилось (коэффициент линейного тренда за 1880—2012 гг. составил ~0,8°С), однако не было монотонным (рис. 7.10) — на температурной кривой можно выделить флуктуации, из которых достаточно четко диагностируется колебание с периодом около 60 лет. Оно включает холодную аномалию в начале XX в., затем теплое событие 1930-х и 1940-х гг., потом 1950-е и 1960-е гг., когда общее потепление сменилось некоторым похолоданием, затем был период потепления, а начиная с конца 1990-х гг. по 2015 г. (момент написания книги) потепление приостановилось на достигнутом в конце XX в. высоком уровне. Практически можно считать, что глобальное потепление шло с разной скоростью, в зависимости от того, совпадал ли тренд или нет с фазой 60-летнего колебания.

Наблюдаемые изменения температуры воздуха у поверхности Земли относительно среднего за 1961 -1990 гг. (по данным трех архивов) и аппроксимация Т’ = 0,15sin(27cr/60), гдеГ — годы

Рис. 7.10. Наблюдаемые изменения температуры воздуха у поверхности Земли относительно среднего за 1961 -1990 гг. (по данным трех архивов) и аппроксимация Т’ = 0,15sin(27cr/60), гдеГ — годы

Использование одних только данных наблюдений на метеорологических станциях для характеристики глобального роста температуры должно интерпретироваться с известной долей осторожности. Действительно, многие станции, располагавшиеся в XIX в. в сельской местности или внутри природных ландшафтов, в конце XX в. оказались внутри урбанизированных территорий. Диагностируемый ими рост температур связан не столько с глобальными факторами, сколько с локальными городскими воздействиями. Однако удаление из выборки таких станций дало практически те же самые результаты, подчеркнувшие глобальный характер потепления климата.

Теплеет не только поверхность и воздух в приповерхностном слое. Положительный тренд температуры обнаружен в свободной атмосфере, поданным аэрологического зондирования. Мониторинг термического режима Мирового океана также показывает, что содержание тепла в его верхнем слое (0—700 м) увеличивается. Эти факты, вместе с косвенными признаками (сокращение горных ледников, рост уровня океана и др.), действительно ставят точку в споре о реальности потепления как глобального эффекта. Приведем, в ряду других эмпирических сведений, факт роста содержания в атмосфере С02 и некоторых других парниковых газов (см. рис. 1.7).

Дополнительным подтверждением антропогенной обусловленности современного роста С02 является анализ реконструированной концентрации С02: на протяжении нескольких тысяч лет концентрация испытывала небольшие колебания около некоторого среднего значения (275 + 10 млн-1), которое естественно считать «доин- дустриальным уровнем» (рис. 7.11).

Глобальное потепление отчетливо проявляется в состоянии горного оледенения. Ледники являются хорошим индикатором климатических изменений, поскольку лед — чувствительная к изменению климата субстанция. Кроме того, их использование удобно для мониторинга потому, что объем горных ледников не так велик, чтобы ощущалась инерционность отклика. Горное оледенение практически повсеместно в мире деградирует, и только в Скандинавии, где потепление сопровождается сильным ростом осадков, ледники разрастаются.

Потепление климата отражается на состоянии Мирового океана. Выше уже был приведен факт роста содержания тепла в его верхних слоях. Кроме того, с потеплением связан рост его уровня. Обобщение многочисленных станционных наблюдений, подкрепленное в последние годы прямыми измерениями уровня со специализированных спутников, показало, что за 130 лет Мировой океан поднялся почти на 20 см (рис. 7.12). Причиной роста стало, во-первых, расширение верхних слоев при нагревании, и, во-вторых, в океан стала поступать вода, которая ранее была «законсервирована» в ледниках на суше, причем преимущественно в горном оледенении.

Вариации содержания в атмосфере основных парниковых газов

Рис. 7.11. Вариации содержания в атмосфере основных парниковых газов: а — С02, млн-1; б — СН4, млрд-1; в — N20, млрд-1 за период голоцена по данным реконструкций и прямых измерений

Повышение уровня Мирового океана по данным различных архивов и методов измерений (включая спутниковые измерения уровня в последние несколько лет)

Рис. 7.12. Повышение уровня Мирового океана по данным различных архивов и методов измерений (включая спутниковые измерения уровня в последние несколько лет)

В динамике режима увлажнения за период инструментальных наблюдений существуют изменения, однако тренды не настолько хорошо выражены, чтобы статистически достоверно можно было утверждать о существовании изменений планетарного масштаба. Скорее можно говорить о региональных эффектах. Наиболее сильные (в том числе по уровню региональных социально-экономических последствий) изменения происходят в зоне Сахеля (Африка).

Принципиальные изменения происходят во внутригодовом распределении осадков. Особенно существенно это затрагивает умеренные широты, где из-за потепления увеличивается доля жидких осадков. Это не всегда меняет объем годового стока, но принципиально сказывается на гидрологическом режиме рек, поскольку уменьшается объем половодья и увеличивается зимний сток. Есть признаки того, что увеличивается повторяемость интенсивных ливней.

Важной проблемой, не имеющей пока что однозначного решения, является вопрос о том, связаны ли с потеплением климата изменения экстремальных гидрометеорологических явлений. Так, в Атлантике зафиксирован тренд специального «индекса интенсивности» ураганов. Существуют изменения в статистике «дней с торнадо» в США. Во многих регионах увеличивается частота экстремальных наводнений и засух.

Для понимания генезиса глобальной флуктуации «MWELIA — современное потепление», во-первых, отметим установленный факт неизменного содержания парниковых газов в доиндустриальный период (см. рис. 7.11). Во-вторых, следует принять во внимание закономерности поведения светимости Солнца (см. рис. 2.3, 2,4). В-третьих, важным фактором являются долговременные изменения прозрачности стратосферы, происходящие вследствие вулканических извержений взрывного типа. Забрасываемый в стратосферу сернистый газ (S02) проходит ряд фотохимических реакций и в течение нескольких суток превращается в монодисперсное облако капель серной кислоты субмикронного размера. В стратосфере содержание водяного пара очень мало, поэтому вымывания частиц при конденсации (сублимации) не происходит, а оседание маленьких капель очень медленно. Это дает время течениям общей циркуляции стратосферы распределить аэрозоль вокруг всего земного шара (для этого требуется приблизительно 1 год). Такие облака не меняют парниковые свойства, но несколько увеличивают планетарное альбедо, стимулируя снижение температуры. Слежение за продуктами этих извержений показало, что аномалия прозрачности ощущается в течение 1—3 лет после извержения. Вулканические извержения взрывного типа: Пи- натубо (1991 г., Филиппины), Эль-Чичон (1982 г., Мексика), Агунг (1963 г., Филиппины). Последнему из названных событий предшествовал длительный период (~50 лет) отсутствия событий такого рода и «прояснение» стратосферы должно было, по данным К.Я. Винникова, внести некоторый вклад в потепление XX в.

Отмеченные факторы были включены в математические модели климата, с которыми были проведены численные эксперименты, направленные на воспроизведение изменений климата за последнюю тысячу лет. Наибольший эффект достигался тогда, когда сигналы ослабления светимости и снижения прозрачности совпадали. Можно считать, что вариация «MWE — ЫА» представляла собой реакцию климатической системы на изменения притока солнечной радиации.

После завершения последней аномалии LIA (вызванной загрязнением стратосферы продуктами извержения вулкана Тамбора, 1815 г., и одновременно снижением в этот период притока солнечной энергии на В ГА) температура на Земле начала расти. Этому способствовало увеличение светимости Солнца, а затем и нарастающее в XIX, XX и XXI вв. усиление парникового эффекта за счет увеличения в атмосфере концентрации С02 и других парниковых газов.

Остановимся подробнее на генезисе изменений климата. Анализ действия различных факторов, характеризуемых создаваемыми ими аномалиями плотности потока радиации на ВГА (см. табл. 7.1) показал, что суммарное воздействие составляет -2,26 Вт/м2. Это, фактически, уменьшение потерь энергии поверхностью и нижней тропосферой в виде инфракрасного излучения. Однако это не означает изменения радиационной температуры Земли, которая по-прежнему определяется солнечной постоянной и отражательными свойствами (см. параграф 2.1).

Вклад различных факторов в формирование аномалии радиационного бюджета на верхней границе атмосферы (состояние 2011 г. по сравнению с 1750 г.)

Газы и аэрозоли, непосредственно испускаемые в атмосферу

Химические превращения и влияния на другие соединения, воздействующие на радиационный режим

Радиационное воздействие (Вт/м2)

Среднее

Диапазон изменений

со2

со2

1,68

1,33

2,03

СН4

со2, сн4, о3

0,97

0,74

1.20

Фреон ы

CFCs, 03, HCFCs

0,18

0,01

0,35

n2o

n2o

0,17

0,13

0,21

со

co2, сн4, o3

0,23

0,16

0,30

Органические летучие соединения

co2, CH4,03

0,10

0,05

0,15

NOx

N03-, CH4, o3

-0,15

-0,34

0,03

Аэрозоли

Минеральная пыль, нитрат серы, органический углерод, сажа

-0,27

-0,77

0,23

Облачность

-0,55

-1,33

-0,06

Другие эффекты

Изменение альбедо, возникшее за счет землепользования

-0,15

-0,25

-0,05

Изменение солнечной постоянной

0,05

0

0,10

Суммарный эффект

2,26

Ситуацию надо понимать так. Для того чтобы при выросшем радиационном балансе радиационная температура осталась неизменной, должна увеличиться высота того слоя, на верхней границе которого формируется уходящая радиация. При этом можно, в первом приближении, считать, что ниже его весь профиль температуры Т— T(z) сдвигается в сторону более высоких температур, что означает рост температуры в нижних слоях тропосферы и у поверхности.

Главный вклад в современное потепление вносит постепенное накопление в атмосфере углекислого газа (см. табл. 7.1). Он химически неактивен, однако его концентрация меняется в рамках глобального цикла углерода. Химически малоактивный газ N20, эмитируемый в атмосферу, остается в ней надолго. Метан влияет и сам непосредственно, и из-за того, что, участвуя в реакциях, он вызывает изменения концентрации других парниковых газов, превращаясь в С02 и воздействуя на содержание озона. Химически активный угарный газ (СО) сам по себе не участвует в формировании аномалий парникового эффекта (его концентрации велики только в крупных городах, т.е. на очень небольших, в планетарном масштабе, территориях), но воздействует на климат через продукты своих реакций.

Роль изменений аэрозолей на итоговое радиационное воздействие оценивается с большим разбросом (см. табл. 7.1), потому что аэрозоль различен по химическому составу и разные фракции имеют разные функции. Так, рост концентрации частиц сажи способствует нагреванию атмосферы, а увеличение содержания пыли и серосодержащих частиц приводит к увеличению планетарного альбедо и понижению температуры. Следует отметить и чисто мониторинговые проблемы получения глобальных сведений об аэрозоле, а развитые в последние годы спутниковые методы имеют слишком короткие ряды для выполнения климатических обобщений.

Еще менее надежно определена роль аэрозоля как косвенного фактора, воздействующего на радиационный режим посредством изменения оптических свойств облаков. Итоговый эффект действия аэрозоля посредством модификации свойств облачности очень приближенно оценивается как отрицательная величина (см. табл. 7.1).

Изменения радиационного бюджета системы «поверхность — атмосфера» происходят и за счет изменений свойств поверхности суши. Вовлечение в сельскохозяйственное производство новых земель, урбанизация, антропогенно обусловленное опустынивание и др. привели в целом к некоторому росту альбедо суши и уменьшению радиационного баланса системы «атмосфера — поверхность». Конкурирующий процесс — это загрязненность снежного покрова, за счет чего происходит некоторый рост радиационного баланса.

Наконец, следует упомянуть роль вариаций светимости Солнца. Ее вклад в прошедшие изменения климата оценен в табл. 7.1 как слабоположительный.

Как уже отмечалось, климатический отклик в отдельных регионах формируется не только (и часто не столько) под влиянием внешних планетарных факторов, но и под воздействием циркуляционных эффектов. Именно этим создается прихотливая пространственная картина отклика регионального климатического режима на планетарное радиационное воздействие. Аномалии велики на континентах в высоких и средних широтах, слабо выражены в Северной Атлантике и т.д.

На рис. 7.13 сопоставлен глобальный тренд температуры по данным наблюдений и по результатам моделирования. Видно, что синтез природных и антропогенных факторов, введенных в модели климата, позволяет воспроизвести принципиальные особенности хода глобально осредненной температуры. Полные модели воспроизводят более изменчивый модельный климат по сравнению с результатами моделей промежуточной сложности. Тем не менее средняя по ансамблю моделей кривая получается более сглаженной, чем кривая реального хода температуры. Это не является свидетельством того, что модели не воссоздают в должной степени дисперсию межгодовых колебаний. Проблема состоит в несогласованности фаз моделируемых колебаний (т.е. в рамках терминологии «сигнал — шум» можно образно сказать, что каждая модель «шумит по- своему»).

Обращает на себя внимание то, что модели завышают потепление последних лет. Здесь сказывается неполное воспроизведение в компьютерных экспериментах 60-летней изменчивости, установленной как эмпирический факт (см. рис. 7.10). В это несоответствие вносит вклад некоторое ослабление светимости Солнца, произошедшее в 24-м цикле солнечной активности.

Рассмотрим географические особенности распределения аномалий температуры в XX—XXI вв. Потепление конца XX в. наиболее отчетливо проявляется в умеренной зоне северного полушария (особенно в Сибири), в то время как предыдущее потепление 1930-х и 1940-х гг. было наиболее заметно в Арктике (поэтому для него используется термин «потепление Арктики»). Интересно отметить, что пространственная структура аномалий такова, что потеплению Арктики соответствовало в 1950—1960-х гг. похолодание с той же конфигурацией аномалий, только с обратным знаком. Картина аномалий потепления климата конца XX в. имеет другую конфигурацию.

Глобальный тренд температуры по данным наблюдений (линия) и по результатам моделирования (линия со значками)

Рис. 7.13. Глобальный тренд температуры по данным наблюдений (линия) и по результатам моделирования (линия со значками):

а — компьютерный эксперимент на основе полных моделей климата (36 моделей); б — компьютерный эксперимент на основе моделей климата промежуточной сложности (ансамбль 12 моделей). Показаны даты извержений вулканов взрывного типа, приводивших к вариациям прозрачности за счет вулканического аэрозоля. Серый фон характеризует межмодельный разброс

Если теперь рассмотреть детально пространственную структуру модельных аномалий температуры и сравнить ее с данными наблюдений (см. рис. 14 (~^~), то, несмотря на совпадение общей географической картины аномалий, заметны и серьезные региональные отличия. Например, в Азии потепление наиболее значительно в умеренных широтах (в Сибири и в Центральной Азии), в то время как модели показывают максимум потепления на побережье Северного Ледовитого океана. Такая же картина наблюдается в Северной Америке — модельный максимум сдвинут в регион Канадского архипелага по сравнению с тем, что наблюдается в действительности.

Таким образом, можно констатировать, что модели воспроизводят процесс в целом. Однако региональные детали и межгодовая изменчивость часто остаются пока за пределами их возможностей.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >