Thomas J. Bracegirdle (1)*, Nicholas E. Barrand (2), Kazuya Kusahara (3), Ilana Wainer (4)
Климатические модели являются основным инструментом для проведения количественной оценки возможных изменений климата в Антарктике на протяжении XXI века. Существует высокая степень согласия по некоторым аспектам прогнозов, представленных моделями, однако требуется лучшее понимание ключевых компонентов климатической системы Антарктики, таких как процессы, происходящие с морским льдом, прибрежными океанскими водами и шельфовыми ледниками. В ближайшее время (в масштабах нескольких лет) признаки изменения климата будут невелики по сравнению с природными циклами (связанными с таким феноменом как Эль-Ниньо, или Южная осцилляция), удалённое воздействие которых на атмосферу Антарктики трудно спрогнозировать. В долгосрочной перспективе (в масштабах нескольких десятилетий) надёжность прогнозирования с помощью климатических моделей ограничена неопределённостью касательно путей техногенных выбросов, реализма климатических моделей и ответной реакции между другими элементами системы Земли (например, ледовыми щитами).
Климатические модели и их использование в моделировании климата Антарктики
В понятие климат Антарктики здесь входит состояние атмосферы, океана, снега и льда по всему антарктическому континенту и окружающему его Южному океану. В заданном местоположении теплеющий климат будет характеризоваться долгосрочным фоновым смещением (т. е. сигналом) в сочетании с краткосрочными колебаниями из года в год (т. е. шумом). Общепринятой методикой Всемирной метеорологической организации является определение климата на основании усреднённых рассматриваемых параметров (например, температуры) за 30-летний период. В более коротких временных масштабах существуют большие колебания связанные с ежедневной погодой и крупными многолетними циклами, такими как Эль-Ниньо и Ла-Нинья. Поэтому изменения климата следует рассматривать в перспективе нескольких десятилетий. Именно этот подход здесь и используется. Однако при этом также важно отметить и существование компонентов естественных колебаний, которые проявляются на протяжении многих десятилетий и в некоторых случаях могут повлиять на эффективность даже 30-летних средств для отслеживания базового сигнала изменения климата [1].
Основное внимание здесь уделяется использованию климатических моделей для прогнозирования будущего изменения климата. Однако считается, что альтернативные подходы, такие как использование прошлых аналогов [2], могут дать альтернативные взгляды на будущий климат Антарктики. Все основные современные климатические модели, созданные в примерно 30 различных центрах моделирования по всему миру, основаны на традиционных физических законах геофизической гидродинамики, таких как законы динамики Ньютона. Однако ограничения по компьютерной мощности означают, что вычисления модели всё же в целом выполняются в крупном масштабе для глобального моделирования, при котором атмосфера представлена в виде последовательности квадратов, величина которых в настоящее время составляет 100 км. Таким образом, это представляет основную сложность в реалистичном моделировании явлений (например, облаков) и физических характеристик (например, сложной горной местности) меньшего масштаба.
Основываясь на предположении о том, что концентрация парниковых газов продолжит возрастать до 2100 года, можно с большой уверенностью говорить о ряде спрогнозированных изменений. При допущении антропогенного фактора средней интенсивности (т. е. приблизительно удвоения концентраций двуокиси углерода к тому времени) существует высокий уровень согласованности между разными климатическими моделями для следующих случаев:
- Произойдёт повышение среднегодовой температуры поверхности земли по всей Антарктике (две третьих климатических моделей в диапазоне от 1,8° C до 3,3° C) [3].
- Произойдёт увеличение среднегодовой скорости накопления снега на земле по всей Антарктике (на 8–18 %) [3].
- Произойдёт отступление общего среднегодового морского ледяного покрова в южном полушарии (на 24–42 %) [3].
- Произойдёт уменьшение образования прибрежного морского льда при одновременном увеличении таяния материкового льда, что в совокупности приведёт к ослаблению основной циркуляции вод мирового океана – термохалинной циркуляции [4].
- Водные массы Южного океана, такие как антарктические промежуточные воды (АПВ), станут более тёплыми и опреснёнными, по мере того как плотности формирования водных масс станут значительно ниже. ([5], [6]). АПВ важны для изменения климата, потому что именно в этих водных массах содержится самая высокая концентрация антропогенного CO2 [7].
- Повышение количества выпавшего снега будет сопровождаться увеличением скорости расхода льда, например [8, 9]. Таким образом, на негативное влияние повышенного количества выпавшего снега на уровень моря может оказывать противодействие повышение скорости потока льда и увеличение стока материкового льда в океан.
Трудности в приблизительной оценке будущего климата
С учётом сложностей, присущих прогнозированию поведения человека, общий подход, принятый в научном сообществе по изучению климата, заключается в рассмотрении ряда правдоподобных сценариев «а что, если» для антропогенного выброса парниковых газов без однозначного суждения о том, какой из них может быть более вероятным [10]. Поэтому приблизительные оценки изменения климата, основанные на этих сценариях, называются проецированием, а не прогнозами [например, см. рис. 1].
Изменения до середины XXI века не обязательно будут подчиняться закономерности долгосрочного потепления [11]. Основное последствие для высокопоставленных должностных лиц заключается в том, что в регионах, в которых за последние десятилетия наблюдалось очень быстрое потепление, потенциально может наступить период похолодания в масштабах нескольких лет, прежде чем фоновое потепление возьмёт верх. В настоящее время проводятся обширные научные исследования, направленные на сезонное и десятилетнее прогнозирование с целью заполнения пробела в знаниях в масштабах долгосрочного изменения климата [12].
Рисунок 1. Климатические модели изменения температуры приземного слоя воздуха (2 м над поверхностью земли) к концу XXI века (2069–2098 гг.) по ряду низких (RCP2.6), средних (RCP4.5) и высоких (RCP8.5) сценариев известных важных климатических определяющих факторов, таких как повышение выбросов парниковых газов и восстановление озона в стратосфере [10]. Все изменения соотносятся с периодом 1970–1999 гг. в «исторической» климатической модели с наблюдаемыми уровнями парниковых газов и другими известными природными и антропогенными факторами. Информация из 41 климатической модели была объединена на основании методики, описанной в [19]. В климатической модели использовался набор данных Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5), из которого была взята информация для самого последнего отчёта МГЭИК. В число 41 климатической модели вошли: ACCESS1.0, ACCESS1.3, BCC-CSM1.1, BCC-CSM1.1(m), BNU-ESM, CanESM2, CCSM4, CESM1(BGC), CESM1(CAM5), CESM1(WACCM), CMCC-CESM, CMCC-CM, CMCC-CMS, CNRM-CM5, CSIRO-MK3.6.0, EC-EARTH, FGOALS-g2, FIO-ESM, GFDL-CM3, GFDL-ESM2G, GFDL-ESM2M, GISS-E2-H, GISS-E2-H-CC, GISS-E2-R, GISS-E2-R-CC, HadGEM2-AO, HadGEM2-CC, HadGEM2-ES, INM-CM4, IPSL-CM5A-LR, IPSL-CM5A-MR, IPSL-CM5B-LR, MIROC-ESM, MIROC-ESM-CHEM, MIROC5, MPI-ESM-LR, MPI-ESM-MR, MRI-CGCM3, MRI-ESM1, NorESM-M, NorESM-ME.
Основные трудности в представлении климатической системы Антарктики в климатических моделях
- Южный океан. Так же как штормовые циклоны в атмосфере, в океане возникают небольшие циклоны и антициклоны (или вихри). Основная проблема при моделировании океана заключается в том, что размеры этих вихрей намного меньше, чем у их атмосферных аналогов, поэтому для правильного их математического представления необходимы небольшие квадраты [13]. В настоящее время в целом отсутствуют достаточные вычислительные мощности, чтобы сделать это реалистично, а воздействие этих океанических циклонов должно аппроксимироваться.
- Представление атмосферы и льда над сложной земной поверхностью. Антарктический полуостров представляет собой регион особой важности ввиду чувствительности материкового льда к таянию поверхности [14] и последующего воздействия как на уровень мирового океана, так и на региональные экосистемы. Однако в большинстве климатических моделей нельзя точно представить сложную земную поверхность высоких гор. Для решения этого вопроса проводятся дополнительные исследования климатических моделей, вычислительные затраты которых сконцентрированы на конкретном месте, таком как Антарктический полуостров, и, таким образом, позволяют использовать меньшие квадраты сетки и улучшенное представление сложной земной поверхности [15].
- Морской лёд. Морской лёд – один из самых сложных для построения компонентов в климатических моделях [16]. Так как морской лёд напрямую контактирует как с атмосферой, так и с океаном, почти все из вышеупомянутых вопросов, касающихся моделирования климата Антарктики, влияют на воспроизведение реалистичных моделей морского льда по площади и по толщине. Точность воспроизведения наблюдаемой площади морского льда, возможно, является главным вопросом при оценке надёжности будущих климатических проекций с заданной климатической модели.
- Облака в Антарктике. Об образовании облаков в относительно сохранившейся в первозданном виде атмосфере Антарктики известно немного [17]. Облака являются одним из главных регуляторов температуры земной поверхности и поэтому служат существенным фактором в описанных выше трудностях представления морского льда и Южного океана в климатических моделях. Полевые исследования, проводимые для измерения свойств облаков над Южным океаном и Антарктикой, являются одной из основных составляющих проводящихся научных исследований с концентрацией особого внимания на решении проблем систематических погрешностей в климатических моделях при представлении температур морской поверхности Южного океана.
- Взаимодействие льда с океаном на фронтах ледников и в пустотах шельфового льда. Появляется всё больше и больше доказательств того, что фронты ледников, основания плавучего языка льда и пустоты под шельфовым льдом являются основными средами, влияющими на динамику потери массы ледников и ледового покрова (а, следовательно, и на рост уровня моря). Эти среды очень слабо исследованы и в настоящее время имеют ограниченное или упрощённое представление в моделях ледового покрова [4].
Консультативная группа СКАР по вопросам изменения климата в Антарктике и окружающей среде (ИКАОС) ежегодно собирает обновлённые данные по результатам научных исследований климата Антарктики и представляет их на КСДА. Эти обновлённые данные добавляются в основной отчёт ИКАОС от 2009 года (http://www.scar.org/accegroup/accegroup-publications) [18]).
2009 г.
Отчёт по Изменению климата Антарктики и окружающей среды (ИКАОС), опубликованный СКАР
2013 г.
Пятый оценочный отчёт Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), Рабочая группа 1
2018 г.
Отчёт СКАР по проекциям изменения климата в XXI веке, который должен быть подготовлен в рамках научно-исследовательской программы по изменению климата в Антарктике в XXI веке (AntClim21)
2019 г.
Утверждение Специального отчёта по океанам и криосфере в условиях изменения климата (SROCC), подготовленного МГЭИК
2020 г.
Отчёт СКАР по проекциям изменения климата в XXI веке, который должен быть подготовлен в рамках научно-исследовательской программы по изменению климата в Антарктике в XXI веке (AntClim21)
2021 г.
Утверждение Шестого оценочного отчёта МГЭИК, Рабочая группа 1