Прогнозы изменения климата в XXI веке

Виды антропогенного воздействия на климат

Если рассматривать ожидаемые изменения климата в XXI веке, то основной вероятной причиной изменений являются воздействия человека на климатическую систему. Эти воздействия можно условно разделить на несколько групп. 

Первая — выбросы парниковых газов. Парниковыми называются газы, которые поглощают излучение в инфракрасном диапазоне сильнее, чем в видимом. Их концентрация растет вследствие деятельности человека, что усиливает парниковый эффект. Это в первую очередь углекислый газ и метан, а также закись азота, озон, хлорфторуглероды. Общепринятой мерой увеличения парникового эффекта считается радиационное воздействие вследствие роста концентрации каждого из газов. Так, радиационное воздействие от увеличения концентрации СО₂ к 2019 году по сравнению с доиндустриальным уровнем составляет примерно 2.16 Вт/м². Это означает, что в атмосфере появляется дополнительный источник тепла, который имеет такую мощность. Вклад СН₄ составляет 0,54 Вт/м², озона — 0,47 Вт/м², закиси азота — 0,21 Вт/м², остальных парниковых газов суммарно — около 0,4 Вт/м². Оценки взяты из 6-го Оценочного доклада Международной группы экспертов по изменению климата (6-й ОД МГЭИК, Т.1). И в будущем, вероятно, рост парникового эффекта будет связан в первую очередь с ростом концентрации СО₂ и СН₄, О₃, а также N₂O. Поэтому для прогноза изменений климата необходимо оценить концентрации в атмосфере этих газов в будущем.

Вторая группа воздействий — это антропогенный рост концентрации аэрозолей, прежде всего сульфатов, которые образуются после сжигания серосодержащего топлива, например, каменного угля. Растет в атмосфере также концентрация черного углерода (сажи) и органических аэрозолей. Аэрозоли более интенсивно поглощают солнечное излучение, а с инфракрасным взаимодействуют меньше, поэтому они, как правило, охлаждают климатическую систему. Их радиационное воздействие оценивается примерно в –0,2 Вт/м². Кроме того, аэрозоли являются ядрами конденсации при формировании облаков, при больших концентрациях аэрозолей облака могут иметь меньший размер капель, образование выпадающих вниз крупных капель будет идти медленнее, и поэтому такие облака будут отражать обратно в космос больше солнечного излучения. Радиационное воздействие такого — непрямого — эффекта аэрозолей оценивается в интервале от –0,5 до –1,5 Вт/м². Такое воздействие частично компенсирует парниковый эффект.

Наконец, третий тип воздействия — это изменения на самой поверхности Земли в результате деятельности человека. Вместо лесов появляются поля, сады и города, осушаются болота или, наоборот, вместо пустыни появляются участки орошаемого земледелия. Суммарное воздействие от этого оценивается примерно в –0,2 Вт/м², однако локально эффекты могут быть гораздо больше, причем как отрицательного, так и положительного характера.

Сценарии воздействия человека на климат

Чтобы получить прогноз изменений климата, надо сначала разработать сценарий эмиссии человеком парниковых газов, аэрозолей, а также землепользования. Мировое научное сообщество работает в этом направлении на основе некоторых предположений о путях развития человечества. В результате появляются различные сценарии выбросов парниковых газов, аэрозолей и землепользования, подразумевающие различную интенсивность использования природных ресурсов и различную скорость перехода на неуглеводородные источники энергии. Такие сценарии обновляются каждые 7-8 лет. Последняя группа сценариев описана в работе Meinhausen et al., (2020) и имеет общее сокращенное название SSP (Shared Socio-economic Pathways). Эта группа подразумевает 5 возможных путей развития человечества: 

1. Устойчивость (sustainability)
2. Серединный путь (middle of the road)
3. Региональное соперничество (regional rivalry)
4. Неравенство (inequality)
5. Развитие на основе ископаемого топлива (fossil fuel development)

Внутри каждого пути рассматриваются несколько различных сценариев, так что всего получается несколько десятков сценариев. Затем с помощью моделей, учитывающих реакции океана, наземных экосистем, вечной мерзлоты и других компонент климатической системы по заданным эмиссиям парниковых газов рассчитываются концентрации газов в атмосфере. Сейчас примерно половина антропогенных эмиссий СО₂ остается в атмосфере, а оставшаяся половина поглощается океаном и наземными экосистемами. В будущем эта пропорция может меняться в зависимости от сценария.

Отметим также, что приборами хорошо измеряется лишь количество сжигаемого человечеством углерода и содержание углерода в атмосфере, несколько хуже — содержание в океане и совсем плохо — в наземных экосистемах. Поэтому основным путем определения количества углерода в наземных экосистемах и пропорций распределения СО₂ между компонентами климатической системы является моделирование. Процесс пересчета эмиссий в концентрации также описан в работе Meinhausen et al. (2020). В краткое название каждого из сценариев входит два числа: путь развития человечества и величина антропогенного радиационного воздействия согласно этому сценарию в Вт/м². Например, в сценарии SSP2-4.5 рассматривается путь развития человечества 2, и радиационное воздействие в 2100 году равное 4,5 Вт/м². Чем больше величина радиационного воздействия, тем больше концентрации парниковых газов и тем большего повышения температуры можно ожидать.

Для примера рассмотрим изменение концентрации СО₂ в 2015–2100 г. при четырех наиболее употребительных сценариях: SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP3-7.0, SSP5-8.5 (рис. 1). Доиндустриальная концентрация СО₂ составляет около 280 ppm, современная — около 420 ppm. В будущем при различных предположениях о путях развития человечества концентрация СО₂ может изменяться в широких пределах и составляет примерно 450 ppm при сценарии SSP1-2.6, 600 ppm для SSP2-4.5, 870 ppm для SSP3-7.0 и 1130 ppm для SSP5-8.5.

Моделирование антропогенного воздействия на климат

Чтобы получить прогноз изменений климата, необходимо провести численный эксперимент с климатической моделью, в которой концентрации или эмиссии парниковых газов, аэрозолей и изменение землепользования заданы согласно разработанным сценариям. Климатические модели создаются таким образом, чтобы максимально полно учитывать все основные процессы, влияющие на климат. В их число входят:

• общая циркуляция атмосферы, включая учет взаимодействия с атмосферой солнечного и инфракрасного излучения, а также эволюции облаков, 
• расчет процессов на поверхности суши, включая накопление и таяние снега,
• теплопроводность и влагопроводность почвы, формирование речного стока, 
• жизненный цикл растений и формирование почв,
• общая циркуляция океана, включая морской лед. 

Модели климата устроены примерно так же, как и самые современные модели прогноза погоды. В некоторых метеоцентрах для прогноза погоды и прогноза изменений климата используется одна и та же модель. Такие модели постоянно совершенствуются: уточняются параметризации физических процессов, влияющих на климат, совершенствуются численные методы решения уравнений. Для счета моделей климата, как и моделей прогноза погоды, требуются самые современные компьютеры с тысячами вычислительных ядер. И даже на таких компьютерах счет на столетие может занимать от нескольких дней до нескольких десятков дней реального времени. Причем, как правило, для учета неопределенности производится расчет не одного прогноза, а ансамбля прогнозов, и результат воспроизведения современного климата определяется средним по ансамблю и статистическими характеристиками ансамбля.

Модель климатической системы развивается и в России, в Институте вычислительной математики им. Г. И. Марчука РАН. Она использовалась для прогнозов изменения климата. Модель климатической системы ИВМ РАН в последние годы используется также совместно с Гидрометцентром РФ для прогноза погоды на сезон и на период 1–5 лет, а также для воспроизведения климатов прошлого. 

Примеры воспроизведения современного климата и прогнозы изменений климата для различных сценариев, выполненные при помощи указанной модели, можно найти среди результатов других климатических моделей, в 4-м ОД МГЭИК (2007), 5-м ОД МГЭИК (2013) и 6-м ОД  МГЭИК (2020). В частности, в 6-м ОД МГЭИК (Том 1, гл. 4, рис. 4.2) показано, что при сценарии SSP1-2.6 к концу XXI века ожидается изменение температуры примерно на 2 градуса по сравнению с доиндустриальным уровнем, при сценарии SSP2-4.5 — на 3 градуса, при сценарии SSP3-7.0 — на 4,5 градуса, при сценарии SSP5-8.5 — на 5,5 градусов. 

Это средние значения по всем существующим сейчас климатическим моделям. Данные разных моделей могут довольно заметно различаться. Например, для сценария SSP3-7.0 данные моделей лежат в интервале от 3,5 до 6,0 градусов. Причин того, почему прогнозы разных моделей различаются, много. Одна из наиболее существенных — различные способы моделирования облачности. Уточнение климатических моделей и получаемых с их помощью прогнозов изменения климата — одна из важнейших современных задач. Результаты прогнозов глобально осредненной температуры по модели климата ИВМ РАН находятся примерно в середине этого интервала или чуть выше середины (рис. 2).

Конечно, климатические модели предсказывают не только изменение глобальной температуры, но и изменения всех элементов климатической системы. Изучая модельные прогнозы, можно узнать, например, как изменится продолжительность вегетационного периода в каком-либо месте, станет ли больше засух и наводнений, насколько быстро будет таять арктический и антарктический лед, ослабеет ли Гольфстрим, и если да, то насколько, как быстро будет таять вечная мерзлота и многое-многое другое.

Для примера приведем изменение приземной температуры воздуха в 2081–2100 г. по сравнению с 2001–2020 г. при сценарии SSP3-7.0 для декабря-февраля (рис. 3) и июня-августа (рис. 4) и по данным модели климата ИВМ РАН.

Можно видеть, например, что на территории России в умеренных широтах ожидаемое потепление зимой составляет 5–7 градусов, а на севере Сибири — до 10 градусов. В Арктике зимнее потепление еще больше и достигает 13–15 градусов. Летом на территории России самое большое потепление ожидается на юге.

^{Обложка — downloaded from Freepik.}