Институт физики атмосферы
им. А.М.Обухова РАН

ИТОГОВЫЙ КРАТКИЙ НАУЧНЫЙ ОТЧЕТ

Сделаны оценки возможных изменений площадей зональных экосистем равнинных территорий России в связи с увеличением среднегодовой глобальной приповерхностной температуры на 1°C согласно сценарию климатической модели промежуточной сложности ИФА РАН. Для оценки вероятных изменений площадей экосистем использовались данные об изменениях значений первичной биологической продукции растительного покрова этих экосистем при рассматриваемом климатическом сценарии. На основе полученных результатов выделены зональные экосистемы наиболее чувствительные к изменению климата.

На основе экспериментальных материалов и спутниковых данных проанализированы взаимозависимости между нормализованным дифференциальным вегетационным индексом (NDVI) и такими структурными характеристиками растительного покрова как его надземная фитомасса и надземная первичная биологическая продукция. Показано, что для этих территорий широтные распределения величин NDVI и рассматриваемых структурных характеристик растительного покрова не совпадают. Проведенный анализ показал, что NDVI не является индикатором для значений надземной первичной биологической продукции растительного покрова и его надземной фитомассы в пределах рассматриваемых территорий Европейской части России и Западной Сибири.

Уточнена климатическая параметризация разработанной ранее участниками проекта модели продуктивности растительных сообществ, в основе которой лежит биоклиматическая схема, устанавливающая зависимость значений биологической продуктивности растительных сообществ от величин радиационного баланса и суммарного испарения. Модификация модели уменьшила отклонения модельных значений продуктивности экосистем от экспериментально измеренных данных.

Создана динамическая модель пространственного распределения растительности, сочетающая детерминированный и вероятностный подходы к описанию взаимодействий разных типов наземной растительности. В этой модели предполагается, что локальные участки суши могут быть заняты либо древесной растительностью, либо травяным покровом, либо не иметь растительного покрова. Проведена калибровка параметров этой модели по климатическим и геоботаническим данным. Выявлены возможные стационарные состояния растительного покрова на отдельном пространственном участке и определены границы устойчивости этих стационарных состояний. С использованием этой модели сделан прогноз изменения растительного покрова России к концу XXI века при изменении климата по сценарию климатической модели промежуточной сложности ИФА РАН.

Разработана первая версия модели наземного цикла углерода на основе описания непрерывного во времени изменения фитомассы. При идентификации модели гипотеза о равновесии локальных циклов углерода в прединдустриальный период не использовалась. Существующие модели данного типа описывают динамику органического вещества как его движение от одного компартмента к другому с течением времени. В модели подобное изменение запасов органического вещества описывается параметром характеризующим время существования фитомассы. Подобный подход не применялся ранее в моделях рассматриваемого класса. С помощью предложенной модели можно охарактеризовать наземные экосистемы как источники и стоки углерода и оценить их интенсивность.

Разработана схема связи модели продуктивности растительных сообществ с моделью пространственного распределения растительности. С этой целью входные климатические параметры модели продуктивности растительных сообществ (радиационный баланс и суммарное испарение) определены через входные климатические параметры модели пространственного распределения растительности (температура и осадки). Проведенный анализ показал, что для территории России как зависимость испаряемости от годовой суммы суточных положительных температур воздуха, так и зависимость радиационного баланса от суммы эффективных температур не являются линейными функциями. Установлено, что в целом для территории России зависимость испаряемости от годовой суммы суточных положительных температур воздуха неоднозначна. Показано, что территорию России можно разделить на регионы, для которых указанная зависимость однозначна.

Проведено сравнение моделей климата промежуточной степени сложности (в том числе климатической модели ИФА РАН) для современного климата и в экспериментах для равновесного изменения и транзитивного роста содержания углекислого газа в атмосфере. Показано, что климатическая модель ИФА РАН (КМ ИФА РАН) реалистично описывает современный климатический режим и его чувствительность к увеличению концентрации углекислого газа в атмосфере.

КМ ИФА РАН дополнена глобально осредненным блоком углеродного цикла. Показано, что за индустриальный период эта климатическая модель удовлетворительно воспроизводит интенсивность обмена углекислым газом между атмосферой, океаном и наземными экосистемами. Установлено, что при учете взаимодействия углеродного цикла и климата температурная чувствительность климатической модели к эмиссиям углекислого газа в атмосферу усиливается. Сделаны оценки временных вариаций параметра обратной связи между климатом и углеродным циклом для XX-XXI вв. при различных сценариях антропогенных воздействий. Показано, что этот параметр меняется во времени немонотонно.

На основе КМ ИФА РАН при различных сценариях антропогенных эмиссий углекислого газа проведены ансамблевые расчеты с целью анализа чувствительности характеристик обратной связи между климатом и углеродным циклом. В проведенных расчетах варьировались определяющие параметры углеродного цикла модели, а также температурная чувствительность модели к росту концентрации углекислого газа в атмосфере. Отмечен большой диапазон неопределенности для характеристик обратной связи между климатом и углеродным циклом. Проведена оценка неопределенности будущих изменений концентрации углекислого газа в атмосфере, соответствующего радиационного форсинга и характеристик обратной связи между климатом и углеродным циклом в ансамблевом эксперименте с КМ ИФА РАН. Построенный ансамбль численных экспериментов проанализирован с помощью байесовой статистики, позволившей значительно сузить интервал неопределенности оценок. Установлено, что в целом обмен углекислым газом между атмосферой и океаном является более сильным ограничением на диапазон изменения интенсивности обратной связи по сравнению с обменом между атмосферой и наземными экосистемами.

Эффект насыщения обратной связи между климатом и углеродным циклом, выявленный ранее в численных экспериментах с КМ ИФА РАН, проанализирован с помощью разработанной минимальной модели климата и углеродного цикла. Показано, что физической причиной насыщения является слабая логарифмическая зависимость радиационного возмущающего воздействия углекислого газа от его концентрации в атмосфере.

Публикации по проекту