Изменения климата за 15 лет: прогнозы и реальность

Кадр из фантастического фильма Роланда Эммериха «Послезавтра» («The Day After Tomorrow»). Фильм рассказывает о глобальных климатических катастрофах, начавшихся после того, как растаял лед полярных шапок и масса пресной воды, поступившей в океан, остановила систему глобальной циркуляции. (Фото с сайта www.kinogid.ru)
Кадр из фантастического фильма Роланда Эммериха «Послезавтра» («The Day After Tomorrow»). Фильм рассказывает о глобальных климатических катастрофах, начавшихся после того, как растаял лед полярных шапок и масса пресной воды, поступившей в океан, остановила систему глобальной циркуляции. Реальные данные о системе глобальной циркуляции см. здесь. Комментарии к этому фильму автора обсуждаемой статьи Стефана Рамсторфа см. здесь. (Фото с сайта www.kinogid.ru)

В 90-е годы XX столетия были предложены довольно совершенные, как казалось их создателям, математические модели, позволяющие прогнозировать состояние климата на Земле в ближайшие десятилетия. Недавно группа ученых из разных стран сравнила эти прогнозы с тем, что реально происходило за последние 15 лет. Выяснилось, что хорошо были предсказаны изменения содержания в атмосфере углекислого газа и приемлемо — ход температуры. Оба эти показателя возрастали в соответствии с ранее выявленными трендами. А вот средний уровень Мирового океана рос быстрее, чем ожидалось. С 1990-го по 2005 год он увеличился примерно на 4 см, а предсказывалось прибавление только на 2 см.

Для того чтобы предсказать ожидающие нас климатические изменения, ученые опираются на довольно сложные математические модели. А модели строят на основе того, что уже наблюдалось в предшествующие годы, и на понимании взаимосвязей физических процессов, происходящих на поверхности нашей планеты. Нужно знать, к примеру, как связаны между собой содержание в атмосфере парниковых газов и температура, или как от температуры зависит состояние крупнейших ледников (а они могут не только таять при потеплении, но и нарастать, например в центральных районах Гренландии и Антарктиды, поскольку там начинает выпадать больше осадков). Состояние ледников, в свою очередь, прямо сказывается на уровне Мирового океана. Чем больше воды на планете связано во льдах, тем ниже уровень океана.

Сопоставить предсказания моделей, предложенных в 1990-е годы, с тем, что действительно произошло за последние 15 лет, решила группа ученых из разных стран во главе со Стефаном Рамсторфом (Stefan Rahmstorf) из Потсдамского института изучения влияния климата (Potsdam Institute for Climate Impact Research, Германия). За основу были взяты сценарии, предложенные Межправительственной группой экспертов по изменению климата (IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change). Хотя прогнозы эти были опубликованы в 2001 году, основывались они на данных, полученных до 1990 года, и не учитывали более поздних наблюдений. Результаты сопоставления реальности с модельными расчетами суммированы Рамсторфом и его коллегами в статье, опубликованной недавно в журнале Science.

Изменения содержания в атмосфере СО2 (вверху), средней температуры на поверхности Земли (в середине) и среднего уровня Мирового океана (внизу) с 1973 года по настоящее время. Тонкие сплошные линии — реальные данные, толстые сплошные — усредненные реальные данные, показывающие основной тренд. Пунктирными линиями обозначены данные прогнозов и даваемые при этом доверительные интервалы (области, закрашенные серым цветом). Изменения температуры и уровня океана даны как отклонения от линии тренда в месте пересечения ею отметки 1990 года (принято за нуль). Рис. из обсуждаемой статьи в Science
Изменения содержания в атмосфере СО2 (вверху), средней температуры на поверхности Земли (в середине) и среднего уровня Мирового океана (внизу) с 1973 года по настоящее время. Тонкие сплошные линии — реальные данные, толстые сплошные — усредненные реальные данные, показывающие основной тренд. Пунктирными линиями обозначены данные прогнозов и даваемые при этом доверительные интервалы (области, закрашенные серым цветом). Изменения температуры и уровня океана даны как отклонения от линии тренда в месте пересечения ею отметки 1990 года (принято за нуль). Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Как видно из приведенных в статье (и воспроизведенных здесь) графиков, динамика содержания углекислого газа (верхняя панель) с 1990 года хорошо соответствовала предсказанному тренду. Данные по СО2 взяты из длинного ряда измерений, проведенных геофизической обсерваторией на горе Мауна-Лоа (см. также Mauna Loa Observatory) на Гавайских островах. А поскольку это всё же Северное полушарие, то средние значения для всего Земного шара должны быть чуть меньше в силу незначительной, но устойчиво сохраняющейся разницы между северной и южной половинками нашей планеты (в Южном полушарии содержание СО2 несколько ниже).

На графике хорошо видны также ежегодные небольшие, но в высшей степени регулярные колебания содержания СО2, возникающие как результат сезонных изменений в активности наземной растительности. Интенсивный фотосинтез растений в конце весны и летом приводит к тому, что СО2 в воздухе снижается и достигает минимума в начале осени. Процессы же, ведущие к поступлению углекислого газа в атмосферу, в отличие от фотосинтеза, продолжаются круглый год: это и дыхание всех организмов (в первую очередь бактерий и грибов, разлагающих основную массу отмершего органического вещества), и сжигание человеком топлива. Именно поэтому сезонный максимум содержания СО2 в атмосфере приходится на начало весны.

Среднегодовая температура (средняя панель графика) возрастает, совершая при этом некие колебания, которые трудно предсказать, поскольку они являются результатом случайного стечения разных обстоятельств в динамике атмосферы и океанических течений. За 16 лет, начиная с 1990 года, средняя температура на Земле возросла на 0,33°C. Эта величина, в общем соответствует прогнозам модели IPCC, но находится у верхней границы коридора допустимых значений.

Центральная линия возможного тренда изменения температуры была рассчитана в модели исходя из того, что при увеличении содержания СО2 в атмосфере в два раза температура возрастет на 3°, а крайние значения доверительных интервалов (границы «коридора неопределенности») соответствуют возрастанию средней температуры на 1,7° и 4,2° при удвоении концентрации СО2 в атмосфере. Возможно, что некоторое расхождение между прогнозом модели и действительностью связано с тем, что углекислый газ на самом деле оказывает более сильный эффект на температуру, чем ожидалось. Другое возможное объяснение — следствие недооценки охлаждающего воздействия аэрозолей, которые могут быть как естественного происхождения, так и образованные в результате хозяйственной деятельности человека (см.: Аэрозоли в атмосфере Земли, а также Atmospheric aerosols: what are they, and why are they so important?). Наконец, не исключено, что некоторое отклонение наблюдаемых величин от прогнозируемых объясняется внутренней вариабельностью самой климатической системы, следствием неизвестной нам динамики взаимодействия ее компонентов.

Наименее удовлетворительным оказался прогноз уровня Мирового океана (нижняя панель графика). За последнее время этот уровень возрастал заметно быстрее, чем предполагалось моделью IPCC. Реальное увеличение (по данным спутниковых измерений) с 1993-го по 2006 год составило в среднем 3,3 ± 0,4 мм за год, тогда как модель в качестве наиболее вероятной величины давала менее 2 мм за год. Авторы статьи отмечают, что рост уровня океана за последние 20 лет был более быстрым, чем за любое двадцатилетие в течение предшествующих 115 лет. Наблюдавшиеся значения соответствуют крайним цифрам, которые даны в модели как маловероятные и связанные с так называемой «неопределенностью в состоянии льда на суше». И хотя основной вклад в подъем уровня океана вносит простое тепловое расширение водной массы при увеличении глобальной температуры, значительную и, видимо, недооцененную роль играет и таяние ледников. Впрочем, самые последние публикации на эту тему (см. также Таяние ледников Антарктиды и Гренландии почти не сказывается на уровне Мирового океана, «Элементы», 09.04.2007) вроде бы свидетельствуют о незначительном влиянии таяния ледников Гренландии и Антарктиды на уровень океана.

Авторы приходят к заключению, что к научным прогнозам изменения климата следует отнестись со всей серьезностью. Ход содержания углекислого газа в атмосфере и изменения были предсказаны достаточно хорошо. А в случае с уровнем океана (наименее удовлетворительный вариант прогноза) действительность оказалась более угрожающей, чем предсказывалось.

Источник: Stefan Rahmstorf, Anny Cazenave, John A. Church, James E. Hansen, Ralph F. Keeling, David E. Parker, Richard C. J. Somerville. Recent Climate Observations Compared to Projections // Science. 2007. V. 316. P. 709.

Cм. также:
1) Stefan Rahmstorf. The Thermohaline Ocean Circulation (очень хороший текст с полезными гиперссылками, рассказывающий о глобальной океанической циркуляции, «петле Брокера»).
2) Таяние ледников Антарктиды и Гренландии почти не сказывается на уровне Мирового океана, «Элементы», 09.04.2007.
3) От глобального потепления спасет закопаемое топливо, «Элементы», 14.03.2007.
4) 300 миллионов лет назад углекислого газа в атмосфере было гораздо больше, чем сейчас, «Элементы», 12.01.2007.

Алексей Гиляров


6
Показать комментарии (6)
Свернуть комментарии (6)

  • PavelS  | 19.05.2007 | 02:11 Ответить
    Я не спец, но не доверяю выводам статьи. И вот почему. Рост содержания СО2 почти линеен (в среднем по годам), а линию начертить может любой школьник. В итоге "Ход содержания углекислого газа в атмосфере и изменения были предсказаны достаточно хорошо." Прогноз СО2 таки ошибся в характерную сторону: прогноз у них более линеен, чем реальность. С температурой сложнее, по этой причине всё на грани правдоподобия, а уровень мирового океана рос заметно нелинейно, и прирост почти вдвое увеличился после 1990-го, а у них на модели опять почти прямая.

    Так что мой вывод: модель реально строит прямую, а если что-то происходит сверх прямой, то их модель не работает. Ну и толку от таких "моделей"?

    Имхо графики приведены к 0 - и это правильно. Так же надо было бы вычесть влияние первой производной, а остаток увеличить в масштабе - и все недостатки модели были бы очевидны.
    Ответить
    • Алексей Гиляров > PavelS | 19.05.2007 | 14:21 Ответить
      Поскольку в этом институте в Потсдаме работают в основном математики (в частности последние годы жизни там проработал и наш крупнейший специалист по моделированию в экологии - Юрий Свирежев, к сожалению, недавно скончавшийся - см.:
      http://www.pik-potsdam.de/institute/in-memoriam-yuri-svirezhev), то думаю, что с производными у них все Ок! А модели вовсе не линейные результаты предсказывают. Это видно на графиках. И все же лучше такие модели, чем отсутствие каких-либо. И последнее - статья не говорит, что те модели были самыми наилучшими. Задача авторов - сопоставить то, что предсказывалось, с тем, что получилось.
      Ответить
      • PavelS > Алексей Гиляров | 19.05.2007 | 23:24 Ответить
        "модели вовсе не линейные результаты предсказывают" - судя по графикам я этого в упор не вижу. Реальные данные прыгают вообще очень случайно, осреднённые тоже заметно не линейны, а данные прогнозов в целом очень линейны, и я не наблюдаю такого, чтобы они были бы точнее прямой.

        Вообще, я тоже математик по образованию, и думаю что надо мыслить в терминах математики: чтобы оценивать модель, надо ввести некую меру её качества. ИМХО снеднеквадратическое отклонение модели от реальных замеров очень хорошо подходит на эту роль. Ошибка моделей в терминах этой меры того же порядка, что и ошибка линейного прогноза. Отсюда мой вывод: пока что у них мало что получается, т.е. получается то, что можно спрогнозировать и просто "на пальцах", а что "на пальцах" не выходит, у них и по модели не выходит тоже.

        зы: мне на много интересней был график вот в этой статье
        http://elementy.ru/news/430366
        Этот график заметно не линеен и ИМХО хорош.
        Ответить
        • Алексей Гиляров > PavelS | 20.05.2007 | 15:21 Ответить
          Я думаю, Вам надо связаться с автором статьи в "Сайенс", Стефаном Рамсторфом (Stefan Rahmstorf) и запросить у него подробности. Если Вам нужен полный текст обсуждаемой статьи, то напишите мне на и-мейл через редакцию ЭЛЕМЕНТОВ и я перешлю пдф. Кроме того, насколько я понимаю, доступна и сама исходная модель. Критику Вы можете послать прямо в Сайенс, а на ЭЛЕМЕНТАХ мы отразим дискуссию! Я же не берусь защищать или критиковать эти модели, т.к. не достаточно компетентен в данной области.
          Ответить
  • Alex  | 21.05.2007 | 10:32 Ответить
    Интересно, какими именно приборами меряется температура, как проверяется их абсолютная точность и какова ошибка измерений? Думаю абсолютная точность вполне соизмерима с величиной эффекта (0.33 градуса за 16 лет), хотя в наличии тренда сомневаться вроде бы не приходится. А как с потеплением на высотах в атмосфере? Несколько лет назад я оказался на семинаре в Германии, где заявлялось, что на высотах в 60 км никакого изменения температуры не наблюдается.

    Как меряется уровень океана? Не меняется ли форма Земли (геопотенциала) из-за таяния полярных льдов?
    Ответить
    • zg > Alex | 22.05.2007 | 15:14 Ответить
      http://elementy.ru/news/430511
      http://elementy.ru/news/430494
      http://elementy.ru/news/430461
      http://elementy.ru/news/430451 (пример дыр в рассчётах)
      http://elementy.ru/news/430432

      судя по новостям, 16 лет тому назад, вообще, не могли точно что-либо рассчитать, а тем более предсказать. Думаю, что выводы основывались в основном на многолетних наблюдениях. Но у таких наблюдений есть один недостаток - длина цикла. Если наблюдения велись меньше двух циклов, то предсказать как будут развиваться события нельзя.
      Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»