О качестве описания глобальными климатическими моделями температурных условий в горных районах (на примере Тянь-Шаня)

Размещено на http://www.allbest.ru/

О КАЧЕСТВЕ ОПИСАНИЯ ГЛОБАЛЬНЫМИ КЛИМАТИЧЕСКИМИ МОДЕЛЯМИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЙ В ГОРНЫХ РАЙОНАХ (НА ПРИМЕРЕ ТЯНЬ-ШАНЯ)

О.А. Подрезов - докт. геогр. наук

Одним из физически обоснованных методов прогнозирования будущего климата является разработка и использование глобальных климатических моделей (ГКМ), которые постоянно совершенствуются [2]. К сожалению, несмотря на несомненные успехи в их разработке на сегодняшний день, модели дают не вероятностный прогноз климата, а сценарии климатических условий будущего, которые могут возникнуть при реализации определенных сценариев развития мировой экономики, технологий, народонаселения и мировой политики [5-11]. Для территории Кыргызстана такие климатические сценарии рассмотрены в работе [3].

Климатическое качество моделей, а, следовательно, и сценариев, можно оценить сравнением получаемых по ГКМ расчетных данных для заложенного в них базового периода и реальных климатических условий этого же периода (контрольный прогон). Наиболее просто это сделать для моделей программного комплекса GRADS, так как в нем предусмотрена интерполяция данных моделей из узлов их стандартных сеток в любую точку по заданным координатам.

Для решения этой задачи нами были рассчитаны фактические температурные и влажностные условия [3] 30-летнего периода по 19 метеостанциям Кыргызстана, расположенным в его различных климатических областях [1, 3] в диапазоне высот 0,8 …, 3,61 км. Затем они сравнивались с результатами контрольного прогона для этих станций по 4 ГКМ: GISS, GFD3, UК89 и СССМ комплекса GRADS. Для этого предлагается следующий методический подход.

Обозначим через Т_ф и Т_м - фактические и рассчитанные по ГКМ нормы средних месячных температур по метеостанциям (МС) для базового периода 1951-1980 гг. Тогда, отклонение ДТ, равное

климатический температурный метеостанция кыргызстан

ДТ=Т_м-Т_ф, (1)

есть ни что иное, как «ошибка» модели.

Если для каждой МС в течение года ДТ=0, то имеет место полное совпадение модельного и фактического климата. При ДТ?0, но ДТ=const, в течение года модель хорошо воспроизводит форму годового хода температуры и введением в модельные расчеты «калибровочной» поправки - ДТ можно совместить реальный и смоделированный годовой ход. Если ДТ?const, то модельный годовой ход искажает фактический по двум признакам: 1) происходит его смещение относительно реального; 2) величина смещения не одинакова по месяцам и может в разные месяцы иметь разные знаки.

Введем величину Д, равную

Д=|ДТ_макс-ДТ_мин|, (2)

которая дает модуль различий ошибок ДТ в году.

Чем больше Д, тем хуже воспроизводится форма кривой годового хода температуры. Таким образом, значение Д есть показатель качества воспроизводства моделью контрольного климата в температурных единицах (°С).

Качество работы модели в относительных единицах (доли единицы, проценты) можно получить введением отношения К

К=ДТ/ДТ_чув, (3)

где ДТ_чув - чувствительность модели, т.е. увеличение температуры к удвоению концентрации СО₂.

Численные значения К дают кратность ошибок ДТ относительно чувствительности ГКМ. Например, выход К за пределы ±1 означает, что модель дает отклонения ДТ по своей величине, превосходящие ее чувствительность в К>1 раз. Если через К₁ и К₂ соответственно наибольшее и наименьшее (с учетом знаков) значения К в году, то величина

ДК=|К₁ - К₂|, (4)

есть модуль разности относительных ошибок, которая точно так же, как и Д, позволяет оценить качество воспроизводства моделью годового хода, но в относительной форме.

В таблице 1 приведены результаты расчетов Д°С и ДК для четырех ГКМ, рассчитанные по 19 МС Кыргызстана, которые позволяют наглядно судить о качестве воспроизводства ими контрольного климата периода 1951-1980 гг. в различных климатических областях и высотных зонах.

Таблица 1

Рассчитанные по (2) и (4) значения модулей разностей Д°С и ДК для КГМ GISS, GFD3, UR89 и СССМ

Анализ полученных результатов дал следующее.

Северный, северо-западный Кыргызстан. Из таблицы хорошо видно, что форма кривой Т(t) по станциям лучше всего описывается моделью GISS: Д=3,1…, 3,7°С, ДК=0,6…, 1,7. При этом в холодную половину года до высот 2 км ДТ= -2,0…, -6,9, а К₂= -0,1…, -0,9, К₁= -0,7…, -1,6, т.е. средние месячные температуры занижены. На высотах примерно 2 км и более модель завышает температуру воздуха, так что на z?3 км ДТ положительны и равны 3,7…, 6,4°С в холодную половину года и до 11°С в теплую. Таким образом, как и следовало ожидать, хорошее совпадение реальных и рассчитанных по модели кривых Т(t) имеет место только на определенной высоте (около 2 км), тогда как ниже и выше достаточно хорошо описывается только форма кривой годового хода (рис. 1). Однако введение в модельные данные калибровочных поправок - ДТ_год приведет к хорошему совпадению по станциям модельных реальных кривых Т(t).

Рис. 1 Графики фактического и рассчитанного по модели GISS годового хода температуры по метеостанциям северного, северо-западного Кыргызстана для периода 1951-1980 гг. (пример достаточно хорошего воспроизводства моделью формы кривой T(t)

Модель UK89 дает близкие, но все же худшие результаты, чем GISS. Значительно более худшие результаты дают модели GFD3 и особенно СССМ. Для последней Д=13,3…, 21,4°С, а ДК=1,7…, 5,5, т.е. здесь даже форма кривой годового хода представляется сильно искаженной. Так, в холодную половину года по станциям занижение месячных температур ДТ достигает -22°С, тогда как летние до высот около 2 км занижаются на -2…, -8°С, а на z?3 км температура завышена уже на 8°С. Все это наглядно видно на рис. 2, особенно, если сравнить его с рис. 1 и обратить внимание на не параллельность рассчитанных и фактических кривых Т(t) для модели СССМ.

Рис. 2 Графики фактического и рассчитанного по модели СССМ годового хода температуры по метеостанциям северного, северо-западного Кыргызстана для периода 1951-1980 гг. (пример неудовлетворительного воспроизводства моделью формы кривой T(t)

Юго-западный Кыргызстан. Для этой климатической области, как и для северного, северо-западного Кыргызстана, форма Т(t) точно также лучше всего описывается моделью GISS: Д=2,6…, 5,2°С, ДК=0,3…, 1,3. При этом, ДТ отрицательные до высот около 2 км и достигают -3,1°С зимой, -8,3°С весной, -6,7°С летом и -8°С осенью, т.е. модельный климат более холодный, чем реальный. На высотах выше 2 км имеет место обратный результат - модельный климат становится теплее, так что на МС Сары-Таш (3,16 км) ДТ=11,2°С зимой, 8,0°С весной, 6,9°С летом и 6,0°С осенью (К₁=1,4, К₂=2,7). Таким образом, модель GISS, достаточно хорошо описывая форму годового хода во всем диапазоне высот, совпадает с реальным годовым ходом на высотах, близким к 2 км. Форма кривой Т(t) несколько хуже описывается моделью UK89. Хотя Д=3,0…, 8,3 и ДК=0,8…, 2,3, т.е. только немного больше, чем для GISS, однако сами значения ДТ заметно больше, особенно в низкогорной зоне. Еще хуже форму Т(t) описывают модели GFD3 и особенно СССМ, для которых Д находятся в пределах 5,6…, 12,7°С и 5,6…, 14,6°С. При этом очень сильно занижаются температуры холодного периода, до -16 …, -20°С.

Иссык-Кульская котловина. По данным 4 станций как в области днища котловины, так и в среднегорной зоне (Сан-Таш, 2,32 км) форма годового хода температуры в базовом периоде лучше всего воспроизводится моделью GISS и UK89. По их данным, значения Д лежат в пределах 3,0…, 7,7 и 2,8…, 8,2, а ДК=0,7…, 1,8 и ДК=0,8…, 2,3. При этом модель GISS занижают для днища температуры годового хода зимой на 3…, 8°С, летом не более чем на 1,0°С. В среднегорной зоне GISS завышает температуры в течение всего года на 2…, 6°С.

Модель UK89 существенно занижает температуры годового хода в течение холодной половины года (до 11°С) и меньше летом.

Модели GFD3 и СССМ воспроизводят форму годового хода температуры значительно хуже: Д=11…, 16°С и 10…, 25°С, а ДК=2,7…, 3,9 и 2,8…, 7,4. При этом занижение зимних температур по GFD3 составляет 14…, 18°С, а летних - только 2…, 3°С. По СССМ эти показатели равны: зима ДТ=-10…, -26°С, лето ДТ=-0,5…, 3°С.

Внутренний Тянь-Шань. Район представлен 6 станциями, находящимися на высотах от 0,82 до 3,61 км. Для всех котловин этого района, где преимущественно расположены станции, характерны зимой мощные и интенсивные инверсии температуры, сильно нарушающие в холодную половину года ее закономерное понижение с высотой места, поэтому здесь возможна смена рангов моделей по качеству описания ими формы кривых годового хода. В самом деле, лучше всего в котловинах Внутреннего Тянь-Шаня форму Т(t) описывает модель GFD3, которая имеет Д=2,3…, 5,5°С, а ДК=1,0…, 2,7. Исключение представляет МС Тянь-Шань, для которой лучшей для описания формы по-прежнему является модель GISS: Д=4,3°С, ДК=1,0. Примерно аналогичное описание дает модель UK89. Объяснение здесь простое - станция Тянь-Шань расположена не в котловине, а в зоне Кумторо-Арабельских сыртов, представленных приподнятыми на значительную высоту (выше 3 км) относительно широких слабо наклоненных поверхностей долин рек Арабель и Кумтор, являющихся истоками р. Нарын. Таким образом, это исключение подтверждает полученное общее правило, которое теперь можно сформулировать так: модель GISS во всех климатических областях Тянь-Шаня лучше других описывает форму кривой Т(t), за исключением котловин Внутреннего Тянь-Шаня, где имеет место сильное выхолаживание приземного слоя воздуха зимой с интенсивными и мощными инверсиями температуры. Для таких котловин форму кривой Т(t) лучше описывает модель GFD3.

Приведенный обзор качества воспроизводства Т(t) четырьмя моделями комплекса GRADS показывает, что, если использовать для оценки такого качества критерии формы Д и ДК, то во всех климатических областях Кыргызстана форму кривой годового хода (параллельность смещения рассчитанной кривой относительно фактической Т(t)) лучше всего воспроизводит модель GISS и несколько хуже - UK89. Модели GFD3 и особенно СССМ искажают форму Т(t) чаще всего на своих концах (зимний сезон). Однако в котловинах Внутреннего Тянь-Шаня, где зимой имеет место сильное приземное выхолаживание воздуха с инверсионным распределением температуры по высоте, форму кривой Т(t) лучше всего воспроизводит модель GFD3, которой здесь следует оказать предпочтение.

Следует заметить, что, по мнению Межправительственной группы экспертов по изменению климата, в целом качество расчетов по ГКМ можно признать если не вполне удовлетворительным, то весьма обнадеживающим, по крайней мере, для масштабов более субконтинентального и от сезонного до внутривекового разрешения [2]. Полученные нами результаты для Тянь-Шаня вполне вписываются в эту общую оценку качества ГКМ.

Литература

1. Атлас Киргизской ССР. Т. 1. Природные условия и ресурсы. М.: ГУГК СССР, 1987. 157 с.

2. Израэль Ю.А., Груза Г.В., Катцов В.М., Мелешко В.П. Изменения глобального климата. Роль антропогенных воздействий // Метеорология и гидрология. № 5. 2001. С. 5-21.

3. Подрезов О.А., Бакиров К.Б., Закурдаев А.А., Маяцкая И.А. Современный климат Кыргызстана и сценарии его изменений в 21 веке //Вестн. Кыргыз.-Росс. Славян. ун-та. Т. 2. №4. 2002. С. 92-100.

4. Подрезов О.А. О качестве описания глобальными климатическими моделями условий увлажнения в горных районах (на примере Тянь-Шаня) //Вестн. Кыргыз.-Росс. Славян. ун-та. Т. 3. №3. 2003.

5. Специальный отчет МГЭИК. Резюме для лиц, определяющих политику и другие резюме /МГЭИК. ВМО/ЮНЕП. 1994. 39 с.

6. Сценарии выбросов. Резюме для лиц, определяющих политику /Специальный доклад рабочей группы III МГЭИК, ВМО/ЮНЕП, 2000. 20 с.

7. Climate Change. The IPCC Scientific Assessment /J.T.Houghton, G.J.Jenkins, and J.J.Ephraums (eds.). Cambridge: Cambridge University Press. UK and NY, 1990. 356 p.

8. Climate Change 1992. The Supplement Report to the IPCC Scientific Assessment /J.T. Houghton, B.A.Callander, and S.K.Varney (eds.). Cambridge: Cambridge University Press. UK and NY, 1992. 356 p.

9. Climate Change 1995. The Science of Climate Change. Contribution of Working Group I to the Second Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. /J.T.Houghton, L.G.Meira Filho, et al. (eds.). Cambridge: Cambridge University Press, UK and NY, 1996, 55 p.

10. Climate Change 2001. The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the IPCC. Summary for Policymakers and Technical Summary. WMO/UNER, 2001.

11. Using a climate Scenario Generator for Vulnerability and Adaptation Assessments /M. Hulme, T.M.L. Wigley, E.M. Barrow. MAGIC and SCENGEN Version 2.4 Workbook, Climatic Research Unit, Norwich. UK. May. 2000. 52 p.

Размещено на Allbest.ru