ИСТИНА

Целью работы является моделирование процессов, протекающих в деятельном слое, в частности, для расчета потоков тепла и других субстанций в приземном слое, термического режима водных объектов, с использованием новых перспективных моделей, которые позволят изучить физику процессов происходящих в экосистемах Сибири с оценкой их вклада в формирование климата всего Северного полушария. Задачей исследования является создание инструмента, позволяющего оценить вклад внутренних водоемов Сибири в формирование климата Северного полушария, а также обратное влияние климатической системы на данные водоемы. Для этого, в модель общей циркуляции атмосферы и океана Института вычислительной математики (ИВМ) РАН будет встроена модель водоема LAKE, разработанная в МГУ имени М.В.Ломоносова, а также подробная цифровая карта внутренних водоемов суши. Будут проведены численные эксперименты по оценке влияния водоемов на компоненты энергетического баланса подстилающей поверхности и метеорологический режим приземного слоя воздуха в условиях современного климата с региональным акцентом на Западную Сибирь.

В настоящее время, в климатических моделях, апробированных на Северном полушарии большая часть процессов, протекающих в активном слое, особенно относящихся к его гидрологической компоненте, параметризуются, либо рассчитываются с явными упрощениями. В большинстве известных моделях прогноза погоды и климата, таких как GME/COSMO (Mironov 2012), CLIMo (Kheyrollah 2012), HIRLAM (Rontu 2012) и т.д. используется модель водоема FLake. Данная модель достаточно точно воспроизводит температуру поверхности воды, потоки тепла и импульса в атмосферу, но при этом явно не восстанавливает профиль температуры в водоеме, так как не решает уравнение теплопроводности в общем виде, представляя этот профиль параметрически в виде верхнего перемешанного слоя и термоклина. Это не позволяет явно воспроизводить вертикальное перемешивание. В свою очередь, поскольку механизм перемешивания водоема является ключевым при моделировании биохимических циклов в озере, использование в дальнейшем данной модели для расчетов потоков CH_4 , CO_2 , O_2 с водоемов представляется нецелесообразным. В единственной российской совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана INMCM4 считается, что ячейка поверхности суши может содержать следующие ее типы: растительность, открытая почва, снег и внутренние водоемы. В модели температура поверхности суши, а также потоки явного и скрытого тепла для указанных четырёх типов поверхности, вычисляются отдельно. Расчёт потоков для случая внутреннего водоема, как и для случая капель воды, захваченных растительностью, происходит исходя из предположения, что влажность воздуха над поверхностью равна насыщенной, но слой воды не имеет собственной дополнительной теплоёмкости. Кроме того, почва, расположенная под различными типами поверхности внутри модельной ячейки сетки, имеет одни и те же вертикальные профили температуры, влажности, концентрации льда. Это довольно грубое приближение для водоемов, поскольку характер вертикального теплообмена в них кардинально отличается от такового в почве.  По существу такая же физическая параметризация используется для всех переувлажненных территорий, таких как болота и тундра летом. Это приводит к недооценке роли данных экосистем северных регионов в формировании как минимум регионального климата. В связи с этим встаёт вопрос о достоверности проводимых нами численных экспериментов по моделированию климата с использованием модели WRF(в случаи downscaling) (Богомолов 2009), поскольку в общедоступной версии этой модели внутренние водоемы явно не описываются. Это особенно важно, если областью исследования являются заболоченные территории Западной Сибири, с разветвленной гидрологической сетью. Выходом из сложившейся ситуации является корректная оценка роли переувлажненных территорий в формировании климата региона, а именно энергетического баланса приземного слоя, стока рек, эмиссии парниковых газов посредством использования более подробных математических моделей деятельного слоя суши, являющихся, в свою очередь, неотъемлемой частью климатической модели. Для учета теплоёмкости водоемов, турбулентного характера теплообмена в них и их участия в формирования потоков скрытого и явного тепла в атмосферу необходимо включение в климатическую модель параметризации термогидродинамики озера и подробной цифровой карты внутренних водоемов, учитывая, что недавно стали доступны данные не только по пространственному распределению водоемов, но и по их глубине. Для достижения поставленных целей и задач нами была интегрирована в существующую совместную модель общей циркуляции атмосферы и океана ИВМ РАН (Володин и др., 2010), поддерживаемую и разрабатываемую Е.М. Володиным, модель озера, разработанную В.М. Степаненко (Степаненко и др., 2011). Кроме того, к модели INMCM4 подключена маска суши, состоящая из 14 типов, созданная нами с использованием цифровой карты внутренних водоемов для всего Земного шара. На данный момент совместная модель общей циркуляции атмосферы и океана INMCM4 имеет разрешение в блоке атмосферы 2х1.5 градуса по долготе и широте, соответственно, и 21 уровень по вертикали, в океанском блоке 1х0.5 градуса по долготе и широте и 40 уровней по вертикали. Модель использовалась для численных экспериментов в рамках программы CMIP5 (Coupled Models Intercomparison Project 5), и ее результаты среди других моделей приведены в 5-м Оценочном докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) (IPCC, 2013). Одномерная модель водоема, развиваемая в НИВЦ МГУ (Степаненко и др., 2011), включает явное описание процессов тепловлагообмена в слоях воды, льда, снега, нижележащей почвы. Во всех слоях решаются уравнения переноса-диффузии с источниками на многослойной численной сетке. Используется k-epsilon параметризация турбулентности для описания перемешивания в водной толще. Для использования в районах с вечной мерзлотой в модели предусмотрена возможность фазовых переходов влаги в почве. Важно также и то, что модель содержит блок процессов образования, переноса и эмиссии метана, что позволит в перспективе в рамках климатической модели ИВМ РАН оценивать влияние эмиссий метана с внутренних водоемов на изменение климата, активно дискутируемое в современной литературе. Модель неоднократно использовалась в сравнениях с другими одномерными моделями и данными наблюдений (Stepanenko et al., 2010; Stepanenko et al., 2013; Stepanenko et al., 2014; Thiery et al., 2014). Созданная цифровая карта водоемов включает в себя два двумерных массива на сетке климатической модели: доля площади ячеек, занятая водоемами суши, и средняя глубина водоемов в ячейке. В основе данной карты лежит банк данных, состоящая из порядка 14 000 пресноводных озер и данным по глубинам (Kourzeneva, E. 2012.). Существующая маска типов суши для модели INMCM4 включала в себя 13 типов (Wilson & Henderson-Sellers 1985), 13-ый тип, соответствовал так называемым «переувлажненным территориям», которые включали в себя и озера. На основе полученной цифровой карты водоемов и маски суши модели INMCM4 была сформирована новая маска, содержашая процентное содержание уже 14 типов, где 14-ым типом являются озера, распределение которых получено на основе созданной ранее цифровой карты озер. При этом, из тринадцатого типа была исключена доля озер и добавлена в 14 тип. Другие же типы были откорректированы с использованием весовой функции. В старой маске существовало 1018 ячеек, включающих озера, в новой - 2422 ячейки. Данная маска получена с использованием разработанного нами пакета программ на основе языка FORTRAN. Данный пакет программ позволяет формировать маски с добавлением нового типа и коррекции существующих типов с использованием весовой функции. В данный момент проводятся расчеты с климатической моделью ИВМ РАН по оценке влияния включения водоемов на потоки явного и скрытого тепла на подстилающей поверхности и метеовеличины в приземном слое для условий современного климата. Это позволит отладить корректность подключения модели водоема, а также наметить пути дальнейших совместных работ по данной тематике в рамках будущих проектов. 1. Mironov D., Ritter B., Schulz J.,Buchhold M., Lange M., Machulskaya E. 2012. Parameterisation of sea and lake ice in numerical weather prediction models of the German Weather Service.  Tellus A 2012, 64, 17330, DOI: 10.3402/tellusa.v64i0.17330. 2. H. Kheyrollah Pour, C. Duguay, A. Martynov, L. C. Brown. 2012. Simulation of surface temperature and ice cover of large northern lakes with 1-D models: a comparison with MODIS satellite data and in situ measurements. Tellus A 2012, 64, 17614, DOI: 10.3402/tellusa.v64i0.17614. 3. L. Rontu, K. Eerola, E. Kourzeneva, B. Vehviläinen. 2012. Data assimilation and parametrisation of lakes in HIRLAM. Tellus A 2012, 64, 17611, DOI: 10.3402/tellusa.v64i0.17611. 4. Богомолов В.Ю., Гордов Е.П., Крупчатников В.Н. Моделирование региональных полей метеорологических величин с высоким пространственным шагом. Горный информационно-аналитический бюллетень, 2009, Выпуск Кузбасс-2, с. 50-53 . Pr 50, 66. 5. Володин Е.М., Дианский Н.А., Гусев А.В. Воспроизведение современного климата с помощью совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана INMCM 4.0. Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2010. Т. 46. № 4. С. 448-466. 6. В.М. Степаненко, Е.Е. Мачульская, М.В. Глаголев, and В.Н. Лыкосов. Моделирование эмиссии метана из озер зоны вечной мерзлоты. Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 47(2):275–288, 2011. 7. IPCC. 2013. Working Group I Contribution to the IPCC Fifth Assessment Report (AR5), Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Intergovernmental Panel on Climate Change, Geneva, Switzerland. 8. V.M. Stepanenko, A. Martynov, S. Goyette, X. Fang, M. Perroud, and D. Mironov. First steps of a lake model intercomparison project. Boreal Environment Research, 15:191–202, 2010. 9. V.M. Stepanenko, A. Martynov, K.D. Johnk, Z.M. Subin, M. Perroud, X. Fang, F. Beyrich, D. Mironov, and S. Goyette. A one-dimensional model intercomparison study of thermal regime of a shallow, turbid midlatitude lake. Geosci Model Dev, 6:1337–1352, 2013. 10. Stepanenko Victor, Klaus D. Johnk, Machulskaya Ekaterina, Perroud Marjorie, Subin Zack, Nordbo Annika, Mammarella Ivan, and Mironov Dmitri. Simulation of surface energy fluxes and stratification of a small boreal lake by a set of one-dimensional models. Tellus, Series A: Dynamic Meteorology and Oceanography, 66, 2014. 11. Kourzeneva, E., Asensio, H., Martin, E. and Faroux, S. 2012. Global gridded dataset of lake coverage and lake depth for use in numerical weather prediction and climate modeling. Tellus A. 64, 15640. DOI: 10.3402/tellusa.v64i0.15640. 12. Wilson M.F., Henderson-Sellers A. A global archive of land cover and soils data for use in general circulation climate models. J. Climatology 1985, V5, N119-143.