СЦЕНАРИИ ДОЛГОВРЕМЕННЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ В ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ БАССЕЙНА РЕКИ АМУДАРЬИ

THE SCENARIOS OF LONG-TERM CLIMATE CHANGE IN THE GEOGRAPHIC AREA

Проблемы воспроизведения и прогноза изменений климата, в отличие от классических проблем физики, имеют свою особенность: они не допускают прямого физического эксперимента. Более того, в силу специфических характеристик климатической системы (например, атмосфера и океан – это тонкие плёнки), лабораторные эксперименты представляются также весьма проблематичными. Для детального изучения реальной климатической системы имеется лишь ограниченный набор параметров траектории системы протяжённостью в несколько десятков лет, в течение которых проводились достаточно полные натурные измерения. Поэтому единственный способ изучения причин изменчивости климата и его про- гнозированиясостоит в математическом моделировании на основании уравнений гидротермодинамики и их решения численными методами.

В начале 2000-х годов был заявлен международный проект CMIP3 по воспроизведению совре- менного климата и прогнозу его изменений с помощью совместных моделей атмосферы и океана. В 2004–2005 гг. проводились эксперименты по сценариям, предложенным МГЭИК [8,15]. Всего в проекте принимали участие 23 совместные модели, созданные в разных странах и имеющие различные парамет- ры. Результаты, полученные с помощью этих моделей, положены в основу прогноза изменений климата в XXI в. в 4-м оценочном докладе МГЭИК [15], получившем большой общественный резонанс. Расчёты современного климата и его изменений в ХХ в., а также вероятных изменений климата в ХХI–XXII вв. с помощью версии модели INMCM3.0 представлены в статье [7].

В настоящее время разработана версия модели INMCM4 [7], включенная в программуCMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project), по результатам которой подготовлен 5-й отчёт МГЭИК [16]. Ин- тегрированная модель CMIP5 использована в данной работе применительно к бассейну реки Амударьи.

Поскольку проблемапонятия «климат» весьма актуальна, равно как и проблема причин изменчи- вости климата, следуя [3,18], остановимся на вопросе формализации понятия «климат» подробнее.

Количественная характеристика климата

Климатические изменения необходимо рассматривать как результат функционирования открытой термодинамической системы [6], элементы которой обмениваются веществом, энергией и импульсом.

Свойства открытых систем описываются наиболее просто вблизи состояния термодинамического равно- весия. Если отклонения от термодинамического равновесия не велико, то неравновесное состояние мож- но охарактеризовать теми же параметрами, что и равновесное, но не с постоянными для всей системы значениями, а зависящие от времени [5]. Степень неупорядоченности такой открытой системы, как и системы в равновесном состоянии, характеризуется энтропией. Термодинамические силы (отклонения термодинамических параметров от их равновесных значений) вызывают в системе потоки энтропии и вещества, что приводит к росту энтропии системы – производству энтропии. В замкнутой изолированной системе, согласно второму закону термодинамики, энтропия возрастает, стремясь к своему максималь- ному значению, а производство энтропии к нулю. В открытой системе, возможны стационарные состоя- ния с постоянной энтропией при постоянном производстве энтропии. И. Пригожиным доказана теорема [5] согласно которой при стационарных состояниях в открытой системе производство энтропии мини- мально. Данная теорема является прямым указанием на возможность строгой формализации понятия

«климат». Действительно, средние погодные условия в течение определенных периодов на планете, ха- рактеризуемые согласно классическому определению [11] как климат этого периода, можно рассматри- вать как стационарное состояние открытой системы. Тогда на основе теоремы И. Пригожина на этом временном интервале производство энтропии будет минимально. Таким образом, «скачки» значений производства энтропии между незначительными ее изменениями на интервале определенной длительно- сти являются индикаторами, характеризующие состояние климатической системы на данном отрезке времени. Такие «скачки» в силу определенной инерционности климатической системы не могут быть подобны поведению δ-функции Дирака, а достигают своего экстремума в течение определенного интер- вала времени. Эти интервалы определяют некоторый переходной климатический период.

В работе [8] былопоказано, что мерой в климатообразующей открытой системе планет со своими атмосферами с мощными диссипативными процессами, включающие громадные потоки вещества и энергии является приток отрицательной энтропии (негэнтропии) приходящей солнечной и уходящей тепловой радиации планеты. Уравнение энергетического балансапланеты

( ¹ ) ⁴

² _B ⁴

2

T

e

R A

R S F F

B =

₈

−

T

=

_o

π − − π σ

(1)

включает поглощенный от Солнца потокрадиации

F

₈ и излученный поток тепловой радиации F^T (поток тепла из недр Земли пренебрежительно мал по сравнению с указанными потоками). В (1) So – солнечная постоянная, связанная со светимостью Солнца

L

₈ соотношением

L

₈ = So.4^.l² (l – расстояние Земли от Солнца), R – радиус Земли, A – интегральное сферическое альбедо, Te – эффективная темпера- тура Земли, σB – постоянная Стефана-Больцмана. Средний за год баланс энергии близок к нулю, то есть планета в единицу времени теряет столько же энергии, сколько получает

≅ 0

= B dt

E V d

(2)

где

E

- средняя энергия единицы объема, V – объем атмосферы и активного слоя вблизи поверх- ности Земли, на который воздействует солнечная радиация.

Уравнение (1) не содержит меры неравновесных процессов. В термодинамике необратимых про- цессов их мерой служит рост энтропии. Когда состояние планеты близко к квазистационарным условиям рост энтропии S

dt n T dt

dV TV

P dt dU T dt

dS

k

k k

∂

− +

= ¹ ∑ ^µ

, (3)

где U – внутренняя энергия системы, V – объем системы, µk, nk – химический потенциал и концен- трации k-го компонента, достаточно мал, то есть на планете в течение длительного времени средние климатические условия сохраняются устойчивыми. Эти квазистационарные условия, выдерживающиеся на соответствующем периоде времени и следует считать климатом данного периода. Спрашивается: «ка- ким образом при наличии мощных диссипативных необратимых процессов на Землеэнтропия открытой системы в течение длительных периодов практически не меняется?». Для ответа на этот вопрос заметим следующее. В приращении энтропии dSнеобходимо различать два члена [14]: первый deS описывает пе- ренос энтропии через границы системы, второй dⁱS означает энтропию, произведенную в системе как меру функционирования диссипативных процессов (рис.1). В силу аддитивности энтропии, имеем

dS =deS+ diS, diS≥ 0. (4)

Рис. 1. Открытая система, в которой d iS означает производство энтропии, а deS – обмен эн- тропией между системой и внешней средой.

Перенос энтропии через границы системы генерируется потоком

F

8 , испущенным с поверхности Солнца

⁴ π R

₈^{2 (}

^R

₈^- радиус Солнца), который распределяется у Земли на сферу 4πl²

2

 

 

= l

T R f

₈

σ

_{B 8} ⁸

(5)

Радиация, испускаемая с единицы площади поверхности Земли с температурой Te в полупростран- ство, несет поток энергии

fT = σBTe4. (6)

Принимая в первом приближении Солнце и Землю абсолютно черными телами, получено [8], что приток радиационной энтропии на планету равен

( )

 

 



 − −

=

∆

≅

e e

e

T

f T

A R f

S S

d

^T

8 8

1 3

4 π

²

, (7)

где

T

₈ – температура солнечной радиации, определяемая из уравнения (5), Te – равновесная тем- пература Земли, определяемая из (1) и (6).

На основании наблюденных данных [19]

F

8

≈ F

_T выражение(7) можно записать в виде

 

 



 −

≈

∆

e

e

F T T

S 1 1

3 4

8 8

. (7а)

Ответ на поставленный выше вопрос заключен в неравенстве T^e <

T

₈, то естьприток энтропии на Землю, как следует из (7а), отрицателен. Таким образом, рост энтропии diS уравновешиваетсяпритоком отрицательной ∆(-Se) энтропии (негэнтропии), возникающей за счет различия энтропий поглощенной солнечной иизлученной тепловой радиации.

В атмосфере Земли, где распространяется поток солнечной радиации

f

₈ и тепловой радиации

f

_T

, радиация теряет в единице объема

3 ,

4 



 



 − ∇ − ∇

=

∆ T

f T

S

_r

f

^T

(8) а вещество получает

( ^{f f} ) ^,

S

_m

= T − ∇ − ∇

_T

∆ 1

₈

(9)

где

k z

j y i x

∂ + ∂

∂ + ∂

∂

= ∂

∇ r r r

− оператор Гамильтона.

С учетом (4), (8), (9) производство энтропии ∆(S) в единице объема атмосферы Землизапишется в виде

( ) ^{S = ∆ S}

^m

^{− ∆ S}

^r

^{= −} _T ( ^{∇ f + ∇ f}

^T

) ⁺ _ ^{ ∇} _T ^{f + ∇} _T ^f

^T

_ ^

8 8

8

3

4 σ 1

. (10) Пристационарных состояниях:

f

T

f = ∇

∇

−

8 , тогда

( ) ( ^{= − ∇} ) _ ^{ −} _ ^

8

8

T T

f

S 1 1

3 σ 4

. (10а)

На основании выше изложенного можно дать строгое физическое определение климата [3,18]:

Климат – это открытая периодически меняющаяся термодинамическая система, сохраняющая состояние стационарности или близкое к нему, на определенных интервалах времени.

Для проведения численного эксперимента рассматривался слой атмосферы до высоты 20 км.

Производство энтропии рассчитывалось как интеграл по слою от (10):

( ) ^S

^Z

∫ _T ( ^{divf divf}

T

) ^divf _T ^divf _T

^T

_ ^{ dz}





 



  

  + +

+

−

=

0

3

4 1

8 8

σ

8

. (11)

Результаты численного эксперимента по расчету динамики производства энтропии климатической системы планеты приведены на рис. 2. Как видно из рисунка, в течение последних 309 лет в климатиче- ской системе планеты наблюдаются четыре переходных периода различной продолжительности. Отли- чительная особенность первой половины периода (около 150 лет) состоит в том, что стационарные со- стояния более продолжительны, чем переходные. И наоборот, последнее 150-летие характеризуются длительными переходными периодами и непродолжительными стационарными состояниями.

Приведенные на рис. 2 продолжительности стационарных состояний, хорошо согласуютсяс при- нятой классификацией динамики климата на периоде времени 1700-2010 годы.. Так, продолжительные стационарные состояния климатической системы между 1700 и 1850 годами с незначительными по вре- мени переходными периодами хорошо согласуются с так называемым «малым ледниковым периодом»

[12]. Современное состояние климатической системы (рис. 2) находится в стадии переходного периода после ее последнего стационарного состояния между 1940 и 1980 годами.

Рис. 2. Динамика производства энтропии, как объективный показатель изменчивостиклиматической систе- мы.Примечание: A, B, C, D, E – переходные периоды, между стационарными состояниями климатической системы;. • • − прогноз динамики производства энтропии на периоде 2010 – 2100 годы

Применяя подход [10] для расчета солнечной радиации для безоблачной атмосферы на основе аст- рономических эфемерид DE406 с учетом вековых возмущений астрономических элементов (долгота пе- ригелия, эксцентриситет, наклон оси вращения Земли)получена выборка солнечной радиации за период 2010 – 2100 годы, которая использовалась для расчета прогноза производства энтропии на этом периоде (рис. 2). В результате выполненных расчетов на основании (10) оказалось, что 2010 -2020 годы – годы стационарного состояния климатической системы с максимальным производством энтропии относитель- но других предшествующих периодов. Далее, производство энтропии климатической системы начинает уменьшаться вплоть до 2100 годас непродолжительными стационарными состояниями.

Долговременная динамика климата в бассейне реки Амударьи по проективным данным CMIP5 Центральная Азия является одним из наиболее чувствительных регионов на наблюдаемые клима- тические изменения, связанные с глобальным потеплением и усыханием Аральского моря. Как след- ствие, стратегически важные для средней Азии ледники, представляющие главный источник поверх- ностных вод речного стока и практически все ресурсы чистой воды в регионе, деградируют и вовсе исче- зают. Отмечается уменьшение количества осадков, а выпавшие на равнине осадкирасходуются на испа- рение, и лишь очень небольшая их часть идет на пополнение подземных вод [9].

Амударья – самая крупная трансграничная река в Центральной Азии с площадью водосбора около 3x10⁵ км² и длиной 2540 км, является основным источником орошения. Под действием глобальных кли- матических изменений возрастают риски нарушения устойчивости жизнедеятельности, устойчивого ис- пользования природных ресурсов – основ долгосрочного развития данного региона. Для обеспечения устойчивого социально-экономического развития и устойчивого развития ключевых экосистем необхо- дима информация о долговременной динамике климатической системы в целом и применительно к бас- сейну реки Амударьи, в частности (рис. 3).

Рис. 3. Область исследова- ний.

Данные и используемая методика. В качестве базовой методологии принята методика, в основе которой лежит дайнсекейлинг регионального климата (CORDEX − Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment) применительно к бассейну реки Амударьи. Согласно этой методики [15] чис- ленное решение прогностической системы дифференциальных гидротермодинамических уравнений осуществляется по согласованным сеточным областям высокого пространственного разрешения с шагом 30-50 км. Применительно к бассейну реки Амударьи используемая в данной работе сеточная область показана на рис. 4. Кроме того, на рис.4 приведена сеть метеорологических станций, данные с которых использовались для оценки и коррекциирезультатов прогностической климатической модели.

В качестве входных данных в соответствии с требованиями модели использовались многолетние данные о температуре, скорости ветра и осадков по территории, представленной на рис. 4. По многолет- ним данным были рассчитаны климатические значения вышеуказанных метеорологических величин.

Оценка и коррекция климатических прогнозов в области бассейна реки Амударьи производилась путем сравнения модельных результатов с результатами объективного анализа метеорологических величин, выполненного по данным метеорологических станций (66 метеостанций) в этой области. Объективный анализ выполнялся с помощью оптимальной интерполяции [4]:

f_k=∑ⁿ_i=1p_if_i, (12)

где fk – искомое значение метеовеличины в k-ом узле регулярной сетки, fi − значения метеовели- чин (i=1,2,…, n), с метеостанций, ближайших к k-му узлу сетки, pi – весовые коэффициенты, определяе- мые из системы алгебраических уравнений:

∑ⁿj=1µijpj,=µki, (i=1,2,…,n), (13)

В (13) пространственная корреляционная функция интерполируемой метеовеличины.

Рис.4. Регулярная сетка, по которой выполнялись модельные расчеты и используемые метеостанции для кор- рекции модельных результатов.

Услов. обозначения:

административные границы; бассейн р. Амударьи; р. Амударья; * ближайшие к узлам сетки метеостанции; ^• узлырегулярной сетки; * метеостанции.

Коррекция прогнозов по климатической модели выполнялась с учетом расхождений, полученных в результате интерполяционной процедуры в узлы регулярной сетки по ближайшим к ним метеорологи- ческим станциям и модельных результатов по формулам:

Δ_m =¹_LN¹∑^L_k=1∑ �f^N_{i=1 mi}^mod−f_mi^int�_k, (14) f_m^/ = f_m^mod+Δ_m, (15)

где f_mi^mod- модельное значение величины f в m-oм месяце i-го года ( i=1, 2,…,10, т.е. с 2006 по 2015 годы) в k-ом узле, f_mi^int - аналогичное интерполированное значение, f_m^/ - скорректированное модельное значение.

Рис. 5. Прогноз динамики климатической температуры до 2100 года.

Примечание: 1 – максимальная температура; 3 – минимальная температура; 2 – средняя годовая температура;

линейный тренд.

Полученные результаты. На рис. 5 показана динамика приземной температуры воздуха в бассейне реки Амударьи, рассчитанной по климатической модели на периоде времени с 2006 по 2099 годы. Ос- новная особенность временного распределения температуры – наличие положительного тренда, т.е.

неуклонного роста температуры на данном периоде, составляющий к 2100 году ∆^t≈5^oC. Такая оценка роста температуры для данной географической области является катастрофической, прежде всего, с точ- ки зрения деградации водных ресурсов. Посколькуиспользуемая в данной работе климатическая модель, главным образом, ориентирована на учет влияния антропогенных факторов на изменения температуры, а внешние (астрономические) факторы учтены в значительно меньшей степени, то данный результат сле- дует рассматривать лишь как вклад антропогенных факторов в динамику температуры при прочих рав- ных условиях. Если же обратиться к рис. 2, то характер динамики производства энтропии, косвенно ха- рактеризующий динамику температуры на периоде времени 2006-2099 годы, прямо противоположный рис. 5. Как следует из (10) при вычислении производства энтропии не была учтена антропогенная со- ставляющая, а только естественная составляющая в ее динамике при прочих равных условиях. Таким образом, две составляющие, определяющие долговременную динамику температуры на периоде времени 2006 -2099 годы имеют различные знаки, что в значительной степени занижает рост температуры, давае- мый численной моделью. Более того, есть основания считать [1,2,17 ], что естественная составляющая, направленная на уменьшение глобальной температуры на данном периоде времени, превзойдет по абсо- лютной величине рост антропогенной составляющей (согласно рис. 2 значительное уменьшение произ- водства энтропии).

В заключении можно отметить, что полученные здесь результаты могут быть учтены в стратегии долговременного планирования сельского хозяйства стран Центральной Азии.

Литература:

1. Абдусаматов Х. И. О долговременных скоординированных вариациях активности, радиуса, свети- мости Солнца и климата //Тр. междунар. конф. "Солнечная активность и космические лучи после смены знака полярного магнитного поля Солнца. 2002. С. 13-18.

2. АбдусаматовХ. И. Солнце определяет климат// Наука и жизнь. 2009. N1. C. 34-40.

3. Арушанов М. Л. Климатический спектр планеты Земля. – Ташкент: НИГМИ, 2010. – 160с.

4. Гандин Л. С. Объективный анализ метеорологических полей. – Л.: Гидрометеоиздат. – 1963. – 207с.

5. Гленсдорф П., ПригожинИ. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций. – М.: Мир, 1973. – 280с.

6. ДеГроотС., МазурП. Неравновесная термодинамика. – Мир, 1964. – 456с.

7. Дымников В.П., Лыкосов В.Н., Володин Е.М. Моделирование климата и его изменений: совре- менные проблемы // Вестник РАН, том 82, № 3. 2012. – С. 227–236.

8. Изаков М. Н. О возможности измерения со спутников притока радиационной негэнтропии на зем- лю для экологических исследований // Исследование Земли из космоса, 1991. N4. – C. 3-15.

9. Кабылбеков У. К. Ледники источник влаги, здоровья, энергии и стабильности в Центрально- Азиатском регионе. – Бишкек : Доклад в ООН. 20014. - 56с.

10. Костин А. А., Федоров В. М. Расчет приходящей на верхнюю границу атмосферы солнечной ради- ации на основе астрономических эфемерид DE406 http://www.solar-climate.com/sc/mtd.ht m

11. Монин А. С. Прогноз погоды, как задача физики. – М.: Наука, 1969. – 183с.

12. Монин А. С., Шишков Ю. А. История климата. – Л.: Гидрометеоиздат, 1979. – 407с.

13. Монин А. С., Сонечкин Д. М. Колебания климата. – М. Наука, 2005. – 192с.

14. ПригожинИ. От существующего к возникающему. – М.: Наука, 1985. – 327с.

15. Отчет о Достижениях Всемирной Программы Исследования Климата // Женева: Объединенный Штаб Планирования ВПИК. – 2011. – 60с.

16. Пятый отчет МГЭИК http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg3/.

17. Abdussamatov H. I. About the long-term coordinated variations of the activity, radius, total irradiance of the Sun and the Earth’s climatic // Proc. IAU Symposium №223 Cambridge: Univ. press. – 2004. – PP.

541-542.

18. Arushanov M. L. Natural causes of climate change of the planet Earth.– Hamburg: Lambert Academic Publishing (LAP). 2012. – 184p.

19. Hartman D. C., Ramanathan V., Berroir A., Hunt G. E. Earth radiation budget data and climate research //

Rev. Geophys, 1986. V. 24. N2. – PP. 439-468.

No documento Enviromis 2016 organizers (páginas 76-83)