Прогностические оценки изменений климата на два десятилетия

д.г.н. Б.Г. Шерстюков (зав. лабораторией исследования последствий изменения климата).

E-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Наблюдаемое глобальное потепление климата сопровождается неоднозначной реакцией изменений метеорологических величин в разных регионах Земли. Глобальное потепление сопровождается изменением общей циркуляции атмосферы, что приводит к перераспределению тепла и влаги на Земле и к изменению пространственно-временных особенностей регионального климата.
В связи с потеплением климата последнего столетия и их негативными последствиями выполнено и опубликовано много работ с оценками сценариев изменений климата в будущем. Существует два подхода построения прогностических моделей – физико-математический и статистический.
Физико-математические модели опираются на гипотезу об антропогенном потеплении климата и предполагаемом антропогенном увеличении концентрации парниковых газов в атмосфере на предстоящие столетия. По физико-математическим моделям оцениваются возможные предстоящие состояния климата через 50, 100 и более лет. Эти модели дают оценки температуры и других метеорологических характеристик будущего на каждый год и месяц по всему земному шару, но это лишь возможные сценарии тех многолетних тенденций метеорологических величин и пределов неопределенности их погодичных отклонений, которые могут сформироваться при дальнейшем накоплении парниковых газов, если гипотеза о главной роли таковых верна. По данным физико-математического моделирования можно оценивать только тренды и осредненные по некоторым пространственным и временным интервалам значения характеристик будущего климата. На интервале первых нескольких десятилетий величина неопределенности таких модельных значений больше величины прогнозируемых трендовых изменений.
Статистические модели опираются на статистические закономерности развития физических процессов в климатической системе, не прибегая к гипотезам о причинах глобального потепления. Статистические модели позволяют учесть некоторые общие закономерности межгодовых колебаний регионального климата и построить их экстраполяции на ближайшие два-три десятилетия точнее физико-математических моделей. Для более длительных сроков статистические модели пока не пригодны.
Для человека межгодовые колебания климата и отклонения температуры от линии тренда в ближайшие 10-20 лет более важны, чем сам тренд в эти годы. Поэтому во многих случаях наиболее актуальной является задача получения оценок межгодовых колебаний климата на одно-два ближайших десятилетия. На этом временном интервале явное преимущество статистических моделей.
Во ВНИИГМИ-МЦД создана статистическая модель для получения прогностических оценок колебаний температуры воздуха и количества атмосферных осадков на предстоящие два десятилетия. В модель заложены новые знания о ритмических свойствах климатической системы и отдельных ее элементов.

Вычисляются прогностические оценки изменений температуры воздуха и количества атмосферных осадков на ближайшие два десятилетия по заданным регионам.
По этим оценкам выполняются расчеты возможных последствий в хозяйственной деятельности при ожидаемых колебаниях климата на два десятилетия. Подробнее: Оценки текущих и ожидаемых последствий изменений климата для отраслей экономики (ссылка на раздел).

О точности прогноза изменений климата
Наилучшей независимой проверкой точности прогноза изменений климата является публикация прогноза и последующее сравнение его с новыми появившимися данными наблюдений. Первая версия статистической модели была разработана в 2007 году и использовалась для прогноза на 20 лет погодичных значений среднемесячных значений температуры воздуха в узлах географической сетки 5х5о северного полушария. На основе прогностических месячных значений вычислялись прогностические погодичные среднегодовые значения температуры воздуха в северном полушарии. В итоге, в начале 2007 года прогнозировались среднегодовые значения температуры северного полушария на период с 2007 по 2025 г. Прогноз был опубликован в 2008 году в монографии Б.Г. Шерстюкова (http://meteo.ru/publish_tr/monogr2/glava7.pdf), в автореферате докторской диссертации Б.Г. Шерстюкова ( http://oldvak.ed.gov.ru/common/img/uploaded/files/vak
/announcements/geogr/SherstukovBG.doc) и в самой диссертации.
За время, прошедшее после составления прогноза, появились данные наблюдений о температуре за 2007-2015гг., теперь можно сравнить опубликованные прогностические значения температуры с данными новых накопленных наблюдений на интервале 2007-2015 годы.

Рис.1. Среднегодовая температура воздуха северного полушария по данным наблюдений за 1990-2006 годы и авторский прогноз на период 2007-2025 годы (из публикации 2008 года).

Предвычисленный по авторской модели тренд предвещал замедление потепления климата в начале ХХI века, вопреки распространенным тогда прогнозам неизбежного ускоряющегося потепления на предстоящие 100 и 200 лет, полученным на основе физико-математических моделей климата. Главным прогностическим результатом нашей статистической модели в 2007 году был вывод о грядущем замедлении потепления климата.
Данные наблюдений последних лет полностью подтвердили появление предсказанного замедления потепления, начиная с первых лет ХХI века. Теперь это замедление признано и обсуждается в литературе под названием «пауза» в потеплении климата. Можно констатировать полное согласие опубликованного ранее прогноза изменения температуры воздуха с новыми фактическими данными о температуре воздуха в северном полушарии на интервале 2007-2015 гг. (Ссылка на рис.1).
Итак, современная пауза в потеплении климата была заблаговременно предсказана в по статистической модели ВНИИГМИ-МЦД.
На рис.2 показаны изменения среднегодовой температуры воздуха северного полушария по последним данным NASA (красная линия) и прогностические значения температуры на интервале 2007-2015гг (черная кривая), опубликованные в 2008 году. Совпадение по фазе прогностических и фактических колебаний показывает, что межгодовые колебания температуры на интервале 2007-2015 гг. тоже были правильно предсказаны. Сравнение прогностических и фактических значений температуры за каждый год на интервале 2007-2015 гг показало совпадение основных пиков аномально теплых лет (2009-2010 и 2015 гг.) по прогнозу и по факту, а также совпадение прохладных лет (2008, 2011-2013 годы) по прогнозу и по факту.

 

Рис.2. Среднегодовая температура воздуха над континентами северного полушария Земли: прогноз, составленный автором в 2007 году на 2007-2025 годы (Тп) и фактические значения температуры воздуха по данным наблюдений на метеорологических станциях северного полушария по 2015 год (Тн)
Проверка показала, что авторская статистическая модель климата позволяет вычислять ожидаемые изменения температуры на два десятилетия вперед.
Более детальная проработка короткопериодных циклов позволяет составлять и сезонные прогнозы температуры воздуха с годовой заблаговременностью. Ведутся разработки по созданию статистической модели для прогноза температуры поверхности океана и для других характеристик климатической системы.

Историческая справка и теоретические предпосылки создания прогностической статистической модели климата

Проблема изменений климата имеет давнюю историю. Долгое время в современной истории климат считался неизменным по своей природе. Но в 1920-х годах появилось много сообщений о признаках потепления в Арктике. Н.М. Книпович в 1921 г. выявил, что воды Баренцева моря стали заметно теплее. Сначала даже считалось, что это потепление касается только Арктической области. Позднее было отмечено, что это было глобальное потепление. Так, в Западной Гренландии температура повысилась на 5°С, а на Шпицбергене даже на 8–9°С за период от 1912–1926 гг. до конца 30-х годов. Наибольшее глобальное повышение средней температуры у поверхности Земли во время кульминации потепления составляло 0.6°С. Арктику образно назвали «кухней погоды».
После 40-х годов стала проявляться тенденция к похолоданию. Льды в Северном полушарии стали снова наступать. В первую очередь это выразилось в росте площади ледяного покрова Северного Ледовитого океана. С начала 40-х и до конца 60-х годов площадь льда в арктическом бассейне возросла на 10%. Потепление сменилось непродолжительным и не сильным похолоданием в середине ХХ века. В научной среде мнения о прогнозе дальнейших изменений климата разделились – разными учеными строились сценарии, как дальнейшего похолодания к концу ХХ века, так и возобновления потепления. Самые осторожные сообщали о невозможности предсказания дальнейшей направленности изменения климата.
С середины 1970-х годов началось второе за историю инструментальных наблюдений глобальное потепление, но в некоторых авторитетных публикациях сам факт появления второй волны потепления климата долго оспаривался, вплоть до начала 1990-х годов. К концу ХХ века факт глобального потепления стал общепризнанным.
Второе глобальное потепление пришлось на годы интенсивной индустриализации мирового сообщества. Тенденция повышения глобальной температуры совпала с тенденцией повышения количества промышленных выбросов углекислого газа в атмосферу, который усиливает суммарный парниковый эффект от всех парниковых газов атмосферы (водяной пар, СО2 природного происхождения, метан и др.). В разных климатических центрах мира появились физико-математические модели (с элементами эмпирического подбора коэффициентов), описывающие климат Земли и его изменения во времени. В этих моделях на основе физико-математического аппарата и эмпирически подобранных коэффициентов удалось добиться сходства модельной тенденции изменения глобальной температуры во второй половине ХХ века с фактической тенденцией. Поскольку в моделях присутствуют подобранные коэффициенты, то сходство тенденций модельной и фактической метеовеличины не является доказательством достоверности модели. Проверкой достоверности таких моделей являются оценки соответствия норм регионального климата, вычисленного по моделям, и фактических норм, полученных из данных наблюдений. Если модель правильно описывает все процессы в климатической системе, то соответствие модельных и фактических данных должно наблюдаться и на региональном уровне. Сравнение показывает, что ошибки в 15-20 летних средних значениях температуры, полученных по физико-математическим моделям в некоторых регионах Земли составляют ±5оС. При таких расхождениях трудно признать модели пригодными для практических целей. Тем не менее, прогностические сценарии ожидаемых однонаправленных и неизбежных катастрофических изменений климата к концу ХХI века, полученные по этим моделям считаются основными.
В качестве внешних факторов в этих моделях использовались антропогенный углекислый газ и аэрозоли вулканического происхождения. Другие внешние факторы учесть не удалось из-за отсутствия понимания механизмов их воздействия на климатическую систему.
Важность вопроса о природе потепления заключается в том, что если современное потепление климата действительно связано преимущественно с антропогенными выбросами углекислого газа, тогда потепление будет продолжаться, а если в современном потеплении главную роль играют природные факторы, тогда надо исследовать эти факторы и учитывать их в прогностических моделях.
Первое сомнение в безоговорочной антропогенной природе современного потепления основано на исторических фактах о климатах прошлого за много столетий, согласно которым подобные и более сильные потепления климата наблюдались много раз в прошлом и каждый раз позднее сменялись похолоданием. По данным академика В.М. Котлякова концентрация парниковых газов и глобальная температура в прошлом изменялись согласовано, как это следует из анализа ледяных кернов за много столетий, а содержание газов в атмосфере действительно резко возросло за последние 100 лет, но современные изменения температуры не выходят за рамки ее естественных исторических флуктуаций в доиндустриальную эпоху.
Регулярные инструментальные наблюдения за температурой воздуха по многим регионам Земли имеются преимущественно не ранее чем с конца ХIХ века и точно известно, что на этом интервале произошло уже две волны глобального потепления. Но в центральной Англии сведения о температуре известны с ХVII века, там можно проследить изменения за 350 лет. Согласно этим данным в температуре всегда проявлялись долгопериодные колебания. В доиндустриальную эпоху в ХVII-XIX веках по данным наблюдений в центральной Англии наблюдалось три полных волны вековых колебаний климата, а во второй половине ХХ века в Англии, как и в глобальной температуре, началась фаза потепления четвертой волны, которая достигла максимума к концу ХХ века, но далее наступила пауза. Что будет дальше? До сих пор за фазой потепления следовала фаза понижения температуры. Теперь этого не будет? Если экстраполировать природные колебания, то в предстоящие десятилетия следует ожидать переход к фазе понижения температуры, а если верна антропогенная гипотеза, тогда потепление продолжится.
Второе сомнение в безоговорочной антропогенной природе современного потепления возникает при оценках точности вычисления вклада антропогенного СО2 в потепление с учетом общего баланса СО2 на границе океан-атмосфера. Концентрация СО2 в атмосфере подвержена природным колебаниям. По известным законам физики, в зависимости от температуры верхнего слоя океана, СО2 или усиленно растворяется в океане при похолодании или выделяется из океана в атмосферу при потеплении. По данным академика Р.И. Нигматулина величины природных межсезонных потоков СО2 из океана в атмосферу и из атмосферы в океан в 60-80 раз превышают выбросы СО2 в результате человеческой деятельности. Можно ли быть уверенным, что существующие несовершенные модели океана с такой исчерпывающей точностью описывают состояние верхнего слоя океана, чтобы правильно оценить баланс естественных длительных колебаний концентрации СО2 и оценить влияние исключительно антропогенной добавки СО2 в изменения климата? С учетом процессов перехода СО2 из океана в атмосферу и обратно изменение концентрации СО2 в атмосфере можно рассматривать как следствие потепления климата, а не как его причину. Признавая наличие антропогенной составляющей в современных изменениях климата, нельзя отбрасывать наличие естественных колебаний климата, которые всегда были и остаются. По мнению академика В.М. Котлякова «Каковы бы ни были антропогенные изменения климата, они накладываются на его естественные вариации, масштаб которых все еще сильно превосходит влияния, обусловленные эмиссией парниковых газов. . . . Понимание и предсказание последствий роста концентрации парниковых газов в атмосфере (так называемое глобальное потепление вследствие парникового эффекта) требует понимания естественной изменчивости природных процессов, на которые накладывается антропогенное влияние».
По данным наблюдений на полутора тысячах метеорологических станциях России во ВНИИГМИ-МЦД были выполнены исследования вклада повышения концентрации СО2 во второй половине ХХ веке в изменения температуры воздуха. Проводились статистические эксперименты, в которых на основе специальных выборок и обобщений нивелировались влияния адвекции тепла, парникового эффекта водяного пара и облачности в изменениях температуры воздуха на разных широтах и в разных сезонах, и оценивалась зависимость оставшихся изменений температуры от радиационного баланса у поверхности земли. После исключения перечисленных природных факторов, изменения радиационного баланса и температуры могли происходить, в основном, из-за изменения концентрации СО2 в атмосфере. Оказалось, что вклад СО2 в общую изменчивость температуры воздуха составил около 25%. Данные наблюдений подтвердили факт влияния повышенной концентрации парниковых газов на климат, но одновременно показали, что оценки физико-математических моделей о доминирующей роли усиления парникового эффекта в потеплении климата во второй половине ХХ века были сильно завышены.
Природные колебания климата должны иметь свою причину. В качестве одного из возможных внешних факторов изменений климата всегда рассматривается солнечная активность. Климат Земли является, прежде всего, результатом воздействия Солнечной энергии при существующих астродинамических параметрах Земли. Поэтому первыми двумя условиями постоянства климата является сохранение светимости Солнца и параметров орбиты Земли. На самом деле ни то ни другое не остается строго постоянным, наблюдаются малые вариации. Вначале 1980-х гг. была обнаружена переменность солнечной постоянной с амплитудой 0,1-0,2% , связанная с 11-летним солнечным циклом. При высокой солнечной активности на Солнце увеличивается число пятен (солнечные пятна - темные образования), от площади которых в некоторой мере зависит солнечная постоянная. Возможными причинами циклической переменности солнечной постоянной могут быть также изменения диаметра Солнца. По данным Х.И. Абдусаматова изменения солнечной постоянной составляют 0.07%. Вопрос о влиянии столь малых вариаций солнечной постоянной остается дискуссионным и сводится к вопросу о чувствительности климатической системы к таким вариациям.
Изменением светимости Солнца не исчерпывается явление, которое называют изменением солнечной активности. Солнце также является источником потоков заряженных солнечных частиц, и модулятором потоков космических лучей, которые воздействуют на магнитосферу и верхнюю атмосферу Земли, особенно в высоких широтах, и способны создавать возмущения в атмосферной циркуляции с вытекающими последствиями для погоды и климата.
Не менее важную роль в вариациях климата играет количество поглощенной радиации поверхностью Земли. С астрономической точки зрения поглощение Землей пришедшей Солнечной энергии определяется, прежде всего, углом падения солнечных лучей на поверхность Земли, который зависит от угла наклона Земной оси к эклиптике. В результате взаимодействия Земли с Луной и планетами возникают вариации в параметрах орбитального движения Земли и наклона Земной оси. При этом изменяются условия поглощения солнечной радиации, изменяется длительность сезонов и, соответственно, изменяется суммарный за год приток солнечного тепла в климатическую систему. Астродинамические условия - основа формирования радиационных составляющих климата планеты. Вариации в параметрах орбитального движения Земли и наклона Земной оси могут сопровождаться не только радиационными, но и динамическими возмущениями во всех оболочках Земли. Земля всегда испытывает переменные повторяющиеся гравитационные воздействия со стороны других тел Солнечной системы. В результате таких воздействий составляющие движения Земли никогда не остаются постоянными. Возмущения могут сильно отличаться по величине и иметь разный временной масштаб от нескольких дней до многих тысячелетий. Вопрос заключается в том, являются ли эти вариации настолько существенными, чтобы заметно влиять на состояние климата Земли.
Физико-математические модели являются желанной целью решения проблемы прогноза изменений климата, но на сегодняшний день пока не удается достаточно точно описать все процессы и учесть все факторы, влияющие на климат. Главная причина- недостаточность наших знаний о климатической системе.
В условиях, когда нет ясности в факторах, влияющих на состояние климата и в механизмах их влияния, полезными оказываются статистические исследования с целью выявления закономерностей пространственно-временных изменений характеристик климата и последующей экстраполяции.

Публикации:

Шерстюков Б.Г.. Изменения, изменчивость и колебания климата. Изд. ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД», Обнинск 2011, 293с. (монография) http://meteo.ru/component/docman/doc_download/106-izmeneniya-izmenchivost-i-kolebaniya-klimata?Itemid=

Шерстюков Б.Г., Салугашвили Р.С. Новые тенденции в изменениях климата Северного полушария Земли в последнее десятилетие. – Труды ГУ ВНИИГМИ-МЦД, вып.175, 2010. С.43-51. http://meteo.ru/component/docman/doc_download/75-novye-tendentsii-v-izmeneniyakh-klimata-severnogo-polushariya-zemli-v-poslednee-desyatiletie?Itemid=

Шерстюков Б.Г. Оценки точности статистической модели изменений климата по данным на территории России. – Труды ГУ ВНИИГМИ-МЦД, вып.175, 2010. С.20-32. http://meteo.ru/component/docman/doc_download/73-otsenki-tochnosti-statisticheskoj-modeli-gu-vniigmi-mtsd-izmenenij-klimata-po-dannym-meteorologicheskikh-nablyudenij-na-territorii-rossii?Itemid=

Шерстюков Б.Г. Оценки точности физико-математических моделей ECHAM4, HadCM3 и CGCM2 по данным на территории России. – Труды ГУ ВНИИГМИ-МЦД, вып.175, 2010. С.3-19. http://meteo.ru/component/docman/doc_download/72-otsenki-tochnosti-fizikomatematicheskikh-modelej-echam4-hadcm3-i-cgcm2-po-dannym-na-territorii-rossii?Itemid=

Шерстюков Б.Г. Региональные и сезонные закономерности изменений современного климата. Изд. ГУ ВНИИГМИ-МЦД, 2008, -246с. (монография) http://meteo.ru/publish_tr/monogr2/monogr2.htm

Переведенцев Ю.П. Шерстюков Б.Г. Об изменении климата Земли в современный период. - Материалы VII Республиканской научной конференции «Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан». – Казань. -2007. С.146-147.

Шерстюков Б.Г. Парниковый эффект и изменение теплообмена между океаном и атмосферой как факторы современных изменений климата. //Труды ВНИИГМИ-МЦД. -2007. -вып.173. c.3-37. http://meteo.ru/publish_tr/trudy173/st1.pdf

Шерстюков Б.Г. Сезонно-широтные особенности парникового эффекта на территории России.// Метеорология и гидрология. -2007. -№12, с.21-28.

Шерстюков Б.Г. Долгосрочный прогноз месячной и сезонной температуры воздуха с учетом периодической нестационарности. // Метеорология и гидрология. -2007. -№9. С.14-26.

Шерстюков Б.Г. Метод прогноза климата на предстоящие два десятилетия на основе экстраполяции ритмов. //Труды ВНИИГМИ-МЦД. -2007. -вып.173. c.221-235. http://meteo.ru/publish_tr/trudy173/st16.pdf