ГЛОБАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ КЛИМАТА С УЧЁТОМ УГЛЕРОДНОГО ЦИКЛА НАЗЕМНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ

ГЛОБАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ КЛИМАТА С УЧЁТОМ УГЛЕРОДНОГО ЦИКЛА НАЗЕМНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ

Научная статья

Пархоменко В.П. *

ORCID: 0000-0002-9963-0496,

Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана, Вычислительный центр им. А.А. Дородницына ФИЦ ИУ РАН, Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (vparhom[at]yandex.ru)

Аннотация

Целью данной работы является построение глобальной гидродинамической модели климата с включением нового блока для расчета характеристик наземной растительности на основе цикла углерода. Блок растительности описывает продукционный процесс лесных экосистем в режиме сезонного хода климатических факторов. Установлено, что глобальные характеристики климатической системы выходят на установившейся режим за время около 2000 лет и модель устойчиво работает. Приведены временные и пространственные распределения полученных климатических характеристик и биогеохимического углеродного цикла наземной растительности.

Ключевые слова: углеродный цикл, глобальная климатическая модель.

GLOBAL CLIMATE MODEL CONSIDERING CARBON CYCLE OF GROUND VEGETATION

Research article

Parkhomenko V.P. *

ORCID: 0000-0002-9963-0496,

Bauman Moscow State Technical University, Computer Center named after A.A. Dorodnitsyn, FRC IU RAS,

Moscow, Russia

* Corresponding author (vparhom[at]yandex.ru)

Abstract

The goal of this work is to build a global hydrodynamic climate model with the inclusion of a new unit for calculating the characteristics of terrestrial vegetation based on the carbon cycle. The vegetation unit describes the production process of forest ecosystems in the seasonal mode of climatic factors. It is established that the global characteristics of the climate system are reaching their steady state over a period of about 2000 years and the model is working stably. The temporal and spatial distributions of the obtained climatic characteristics and the biogeochemical carbon cycle of terrestrial vegetation are presented.

Keywords: carbon cycle, global climate model.

Введение

Представлена и интегрирована в модель климата минимальная пространственная модель динамики углерода наземной растительности, углерода в почве, влажности почвы и обмена энергией, влагой и углеродом с атмосферой. Эффективная численная схема процессов на земной поверхности предназначена для моделирования длительного периода времени (до тысяч лет) и больших ансамблевых расчетов совместно с глобальной климатической моделью промежуточной сложности [1], [2], [3]. Включает в себя параметризации растительного покрова и параметра шероховатости поверхности как функции углерода наземной растительности, а также связь между запасами углерода почвы и влажностью почвы. Характеристики наземной растительности важны при моделировании климата, так как существенно влияют на интенсивность испарения, теплопередачи, поглощения солнечной радиации и поле ветра.

Целью данной работы является построение глобальной модели цикла углерода на достаточно точной конечно – разностной сетке 72 на 72 ячейки, описывающей продукционный процесс лесных экосистем, учитывающей сезонный ход климатических факторов и проведение совместных расчетов с моделью климата.

Методы исследования и основные результаты

Рассматривается среднесуточная инсоляция с учетом ее сезонного хода. Для температуры поверхности суши принимается соотношение энергетического баланса в равновесном состоянии с учетом приходящей коротковолновой солнечной радиации на верхней границе атмосферы, атмосферного альбедо, скрытой теплоты, суммарного длинноволнового потока излучения и потока явного тепла [4], [5]. Параметризация для размера шероховатости поверхности вводится на основе данных об углероде растительности [5].

В каждой точке суши предполагается существование запаса влаги на текущий момент времени. Вода добавляется в почву за счет выпадения осадков и удаляется путем суммарного испарения и стока. Когда вода в почве превышает ее влагоемкость, избыток стекает в океан в соответствии с картой стоков [6]. Влагоемкость почвы имеет линейную зависимость от почвенного углерода. Такая формулировка - попытка описать различие между водоудерживающей способностью пустыни (низкий, близкий к нулю уровень углерода в почве) и болотных областей (высокие показатели почвенного углерода).

Углеродный цикл наземной растительности базируется на структуре, аналогичной [6], [7] с пересмотренными функциями для водного напряжения, опавших листьев осенью и температурными реакциями фотосинтеза, дыхания растений и почвенного дыхания.

В рассматриваемой модели на поверхности суши углерод может содержаться в растительности (представляющей живую биомассу), или в почве (которая включает гумус и органический углерод в почве, но не неорганические карбонаты). Растительность поглощает углерод из атмосферы через фотосинтез и выделяет углерод в атмосферу в результате дыхания растений. Растительность также теряет углерод в почву через опавшие листья и почва выделяет углерод в атмосферу через почвенное дыхание. Зависимость фотосинтеза от влажности почвы линейна в определенных пределах.

Реакция фотосинтеза на температуру описывается функцией с двумя пиками, что обеспечивает хорошее согласование данных растительности и содержания почвенного углерода, без необходимости включать разные типы растительности высоких и низких широт. Дыхание растительности зависит от температуры воздуха и от количества биомассы [8]. Количество углерода, потерянного растительностью в почву через опавшие листья, связано с количеством углерода растительности. Потери углерода в атмосферу за счет дыхания почвы зависят от температуры поверхности и количества углерода в почвенном резервуаре. Альбедо земной поверхности определяется типом поверхности, и является функцией растительности и почвенного углерода.

В модели предполагается, что осадки в ячейке выпадают в виде снега, когда температура атмосферы меньше чем -5^ОС [9], [10]. Снег имеет нулевую толщину и, следовательно, его альбедо не зависит от высоты снежного покрова. Снег сохраняется в ячейке, пока температура атмосферы не превышает -5^ОС. В работе параметризуется только главный эффект альбедо снежного покрова и, следовательно, пренебрегается полным термодинамическим расчетом, который должен включать замерзание, плавление и сублимацию.

Настройка модели описана для размерности сетки 36х36 в [2] и эти параметры использованы и в нашей реализации 72х72. Параметры углеродного цикла наземной растительности модели настроены для ситуации сохранения концентрации CO₂ в атмосфере в доиндустриальную эпоху 278 ppm. Для настройки были выбраны глобальные среднегодовые потоки углерода нетто-фотосинтеза, дыхания растительности, опавших листьев и дыхания почвы МГЭИК [7]. Модель размерности 36х36 дает глобальные показатели 119.2 ГтС/ год для фотосинтеза, 57.9 ГтС/год для дыхания растительности и 61.3 ГтС / год для лиственной подстилки и почвенного дыхания. Глобальная растительность и почвенный углерод равны 437 ГтС и 1317 ГтС, соответственно.

Глобальные параметры модели выходят на стационарный режим с однородных начальных условий за расчетный период в 2000 лет. Это показывают такие характеристики, как среднегодовые температура атмосферы, углерод растительности (см. рисунок 1), другие характеристики, усреднённые по всей Земле.

 

Рис. 1 – Изменение среднегодовой температуры атмосферы (слева) и углерода растительности (справа) за период 2000 лет

 

Согласно нашим результатам, распределение углерода растительности, характеризующего массу растительности на Земле, определяющее зону наиболее интенсивной растительности – это часть Южной и Северной Америки вблизи экватора и областями в средних широтах. Также наблюдаются два пика для растительности, соответствующие тропическим и бореальным лесам, что хорошо согласуется с результатами [3].

В блоке описания растительности рассчитывается также альбедо поверхности суши (см. рисунок 2), температура поверхности суши (см. рисунок 3) и влажности почвы (см. рисунок 4), которые используются собственно в модели климата.

 

Рис. 2 – Среднегодовое распределение альбедо на поверхности суши

Рис. 3 – Среднегодовое распределение температуры поверхности суши

 

Рис. 4 – Среднегодовое распределение относительной влажности почвы

  Заключение

В настоящей работе с целью расширения и уточнения глобальной климатической модели, включающей энерго – влагобалансовую модель атмосферы и термохалинную модель мирового океана реализована глобальная модель биогеохимического цикла углерода на сетке 72 на 72 ячейки, описывающая продукционный процесс лесных экосистем и учитывающая сезонный ход климатических факторов.

Проведены численные расчеты по выходу совместной модели на установившейся режим. Установлено, что глобальные характеристики климатической системы выходят на этот режим за время около 2000 лет и модель устойчиво работает. Приведены временные и пространственные распределения полученных климатических характеристик и биогеохимического углеродного цикла наземной растительности. Согласно результатам, зона наиболее интенсивной растительности – часть Южной и Северной Америки вблизи экватора с небольшими областями широт в 50 градусов. Также наблюдаются два максимума растительности, соответствующие тропическим и бореальным лесам, что согласуется с результатами более грубой модели. 

Финансирование Работа поддержана проектом РФФИ №17-01-00693.	Funding This work was supported by the RFBR Project No. 17-01-00693.
Конфликт интересов Не указан	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Пархоменко В. П. Применение глобальных климатических моделей для исследования климата Земли. / В. П. Пархоменко //Труды Института системного анализа Российской академии наук (Труды ИСА РАН). – 2018. – Т. 68, №2. – C. 38–41.
2. Parkhomenko V.P. Modeling of global and regional climate response to solar radiation management./ Parkhomenko V.P. // IOP Journal of Physics: Conference Series. – 2018 – V.1141, 012057. – P. 1-5.
3. Williamson M. S. An efficient numerical terrestrial scheme (ENTS) for Earth system modelling. / Williamson M. S.; Lenton T. M.; Shepherd J. G., Edwards N. R.//Ecological Modelling. – 2006. – №198(3-4) – P. 362–374.
4. Muller, S. A. Water mass distribution and ventilation time scales in a cost-efficient, 3-dimensional ocean model. / Muller, S. A., Joos, F., Edwards, N. R., and Stocker, T. F. // J. Climate. – 2006. – V.19. – P. 5479–5499.
5. Olson J. S. Major world ecosystem complexes ranked by carbon in live vegetation. / Olson J. S., Watts J. A., Allison L. J. //Tech. Rep. NDP-017, Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory. – 1985. – Oak Ridge, Tennessee.
6. Edwards N. R. Uncertainties due to transport-parameter sensitivity in an efficient 3-D ocean-climate model./ Edwards N. R., Marsh R. //Climate Dynamics. – 2005. – V.24. – P. 415-433.
7. Lenton T. M. Land and ocean carbon cycle feedback effects on global warming in a simple. / Lenton T. M. //Earth system model. – Tellus. – 2000. – V.52B. – P.1159–1188.
8. Weaver A. J.The UVic earth system climate model: Model description, climatology, and applications to past, present and future climates. / Weaver A. J., Eby M., Weibe E. C., Bitz C. M., Duy P. B., Ewen T. L., Fanning A. F., Holland M. M., MacFadyen A., Matthews H. D., Meissner K. J., Saenko O., Schmittner A., Wang H., Yoshimori M. //Atmosphere-Ocean – 2001. – V.39(4), – P.361– 428.
9. Marsh R. Development of a fast climate model (C-GOLDSTEIN) for Earth System Science. / Marsh R., Edwards N.R., Shepherd J.G.// SOC. – 2002. – No.83. – 54 P.
10. IPCC, 2014: Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Core Writing Team, R.K. Pachauri and L.A. Meyer (eds.)]. IPCC, Geneva, Switzerland. – 151 p.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Parkhomenko V.P. Primenenie globalnyh klimaticheskih modelej dlia issledovania klimata Zemli [The application of global climate models for the Earth climate study] / V.P. Parkhomenko //Trudy instituta systemnogo analiza Rossijskoj Akademii Nauk [Proceeding of the Institute for Systems Analysis of the Russian Academy of Science] – 2018. – V. 68, №2. – P. 38–41. [in Russian]
2. Parkhomenko V.P. Modeling of global and regional climate response to solar radiation management./ Parkhomenko V.P. // IOP Journal of Physics: Conference Series. – 2018 – V.1141, 012057. – P. 1-5.
3. Williamson M. S. An efficient numerical terrestrial scheme (ENTS) for Earth system modelling. / Williamson M. S.; Lenton T. M.; Shepherd J. G., Edwards N. R.//Ecological Modelling. – 2006. – №198(3-4) – P. 362–374.
4. Muller, S. A. Water mass distribution and ventilation time scales in a cost-efficient, 3-dimensional ocean model. / Muller, S. A., Joos, F., Edwards, N. R., and Stocker, T. F. // J. Climate. – 2006. – V.19. – P. 5479–5499.
5. Olson J. S. Major world ecosystem complexes ranked by carbon in live vegetation. / Olson J. S., Watts J. A., Allison L. J. //Tech. Rep. NDP-017, Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory. – 1985. – Oak Ridge, Tennessee.
6. Edwards N. R. Uncertainties due to transport-parameter sensitivity in an efficient 3-D ocean-climate model./ Edwards N. R., Marsh R. //Climate Dynamics. – 2005. – V.24. – P. 415-433.
7. Lenton T. M. Land and ocean carbon cycle feedback effects on global warming in a simple. / Lenton T. M. //Earth system model. – Tellus. – 2000. – V.52B. – P.1159–1188
8. Weaver A. J.The UVic earth system climate model: Model description, climatology, and applications to past, present and future climates. / Weaver A. J., Eby M., Weibe E. C., Bitz C. M., Duy P. B., Ewen T. L., Fanning A. F., Holland M. M., MacFadyen A., Matthews H. D., Meissner K. J., Saenko O., Schmittner A., Wang H., Yoshimori M. //Atmosphere-Ocean – 2001. – V.39(4), – P.361– 428.
9. Marsh R. Development of a fast climate model (C-GOLDSTEIN) for Earth System Science. / Marsh R., Edwards N.R., Shepherd J.G.// SOC. – 2002. – No.83. – 54 P.
10. IPCC, 2014: Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Core Writing Team, R.K. Pachauri and L.A. Meyer (eds.)]. IPCC, Geneva, Switzerland. – 151 p.