Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,279
DESCRIPTION OF THE CARBON CYCLE IN THE GLOBAL CLIMATE MODEL
Введение
В статье представлена глобальная модель, которая описывает изменения массы углерода в растительности и почве, уровень влагосодержания почвенного слоя, а также потоки энергии, влаги и углерода между поверхностью Земли и приземным воздухом. Ее можно отнести к моделям средней сложности, так как в ней не учитываются различные типы растительности. Применение эффективного численного метода позволяет моделировать поведение системы на длительном интервале времени и выполнять масштабные расчеты в сочетании с трехмерной моделью климата средней подробности.
Модель объединяет в себе элементы простой блочной модели и упрощенной модели динамики углерода, интегрируя в едином механизме потоки и массу углерода. В отличие от традиционных подходов, где отдельно рассматриваются формирование потоков углерода и описание его запасов, здесь эти процессы представлены в единой системе. По этой причине в модели отсутствует описание различных типов растительности, землепользования, пожаров, антропогенных выбросов, мерзлоты, азотного цикла.
Цель исследования – создать всеобъемлющую модель цикла углерода на конечно-разностной сетке 72 на 72 элементов одинаковой площади, которая будет отражать продукционные процессы в лесных экосистемах с учетом годичных колебаний основных климатических показателей, анализ поведения модели при потенциальных будущих вариациях климатических параметров и оценку влияния лесных массивов на годичные колебания концентрации углерода в атмосфере.
Материалы и методы исследования
В рамках исследования модель углеродного цикла [1] рассматривается совместно с моделью климата для атмосферы и Мирового океана на единой глобальной расчетной сетке, что предполагает, в отличие от [1], учет взаимного влияния модельных климатических характеристик на растительность и обратное влияние характеристик растительности на климат через альбедо и влажность суши и особенностей испарения влаги почвы [2]. По сравнению с работой [2] использована более точная расчетная сетка, увеличено пространственное разрешение и проведены новые численные эксперименты в режиме сезонного хода моделируемых характеристик климата и биоты. При описании основных течений в океане [2, 3] используются уравнения в аппроксимации Буссинеска, которые учитывают постоянность плотности воды в уравнениях для горизонтальных компонент импульса и в уравнении неразрывности, роль силы Кориолиса и турбулентную вязкость. Для вычисления распределения давления воды по глубине считается адекватным уравнение гидростатического равновесия. Указанные динамические зависимости дополняются уравнениями адвективного и вихревого переноса тепла и солей в океане. Модель океана дополняется уравнением состояния, связывающим плотность морской воды с ее температурой и соленостью. На верхней границе океана моделируется влияние ветра, а также учитываются потоки тепла и влаги из атмосферы. Модель океана подробно описана в [3].
При описании атмосферных процессов применяется энерго- и влагобалансовая модель [3]. В ней определяются температура и удельная влажность приземной атмосферы. Соответствующее уравнение отражает баланс между поступающей и уходящей радиацией, обменом теплом между атмосферой и поверхностью земли (включая турбулентные потоки), выделением латентного тепла при осадках, а также упрощенное представление горизонтальных процессов переноса. Источники изменения удельной влажности в модели задаются такими факторами, как осадки, испарение и сублимация с поверхности земли.
Расчеты производятся в режиме среднесуточной инсоляции с учетом ее сезонных изменений. При данном допущении и однослойной почве принято приближение, что температура почвы достигает баланса быстрее, чем временной шаг для расчетов модели поверхности [3, 4]. В рамках модели принимаются во внимание следующие процессы и эффекты:
– влияние пространственного и сезонного распределения солнечной радиации и альбедо атмосферы и поверхности;
– наличие примеси и влаги в атмосфере;
– влияние теплового излучения, определяемого температурой подстилающей поверхности и атмосферы;
– влияние процессов испарения и выпадения осадков.
Влагосодержание почвы определяется как разница между количеством выпавших осадков и объемом испарившейся влаги.
В рассматриваемой модели углеродного цикла [1, 2] предусмотрено два основных резервуара накопления углерода на суше: растительность (CV) и гумус (CS). Предполагается, что растительность усваивает углерод из атмосферы посредством фотосинтеза (P) и выделяет в процессе дыхания растений (RV). Растительность перемещает углерод в почву через опад (L), а почва возвращает его в атмосферу посредством почвенного дыхания (RS).
Соответствующие балансные уравнения выглядят следующим образом:
,
.
Нетто-фотосинтез P задается соотношением [2, 5]:
,
которое представляет собой произведение четырех функциональных зависимостей. Они фиксируют влияние следующих факторов: концентрации CO2 (f1(CO2)), водного потенциала (f2(WS)), температуры атмосферы (f3(Ta)) и фотосинтетической активности биомассы (fV). Константа k обозначает базовую скорость нетто-фотосинтеза листвы.
Зависимость нетто-фотосинтеза листвы от температуры основывается на максимальной скорости карбоксилирования Рубиско, с дополнительным ограничением при отрицательных температурах [5]. Фотосинтетическая активность растений способна адаптироваться к доминирующим температурным условиям [6, 7]. В особых бореальных лесах она может достигать оптимального уровня при относительно низких температурах и в зависимости фотосинтеза от уровня влагосодержания в модельных уравнениях. Для определения фотосинтетической активности в модели используются две температурные функции с двумя пиками. Они позволяют учесть особенности реакции растительности полярных и средних широт. Два пика были предложены на основе рассмотрения сведений о массе углерода в растительности [7] в зависимости от географической широты [8]. Альбедо подстилающей поверхности зависит от ее типа и особенностей растительности и массы углерода в почве [9].
Предполагается, что осадки переходят в твердое состояние, если температура атмосферы и почвы опускается ниже −5°C [2]. Снежный покров сохраняется до тех пор, пока температура не поднимется выше этого значения. В настоящей работе существенное внимание уделяется влиянию альбедо снежного покрова, вычисляемому в климатическом блоке комплексной модели, при этом более сложные термодинамические связи, включая фазовые переходы, игнорируются. В процессе калибровки модели, описывающей процессы в наземной растительности, были использованы данные, соответствующие доиндустриальной эпохе, когда концентрация углекислого газа в атмосфере составляла 278 ppm [10].
Результаты исследования и их обсуждение
Установлено, что параметры углеродного цикла в разработанной модели согласуются с уровнем CO2 в атмосфере доиндустриального периода – 278 ppm. При таких условиях математические выражения, описывающие циркуляцию углерода, приближаются к линейным зависимостям, что позволяет адаптировать модель к различным значениям посредством нескольких расчетных симуляций. Для настройки модели были взяты данные наблюдений [10], в частности значения 120 ГтС в год для нетто-фотосинтеза и 60 ГтС в год для остальных потоков. Путем корректировки параметров модели и последующего применения итеративного подхода удалось устранить незначительные отклонения от линейности. Проведенное моделирование позволило определить глобальные параметры:
– фотосинтез – 119,2 ГтС в год;
– дыхание растительности – 57,9 ГтС в год;
– дыхание листвы и почвы – 61,3 ГтС в год.
Глобальные запасы углерода в растительности составляют 437 ГтС, а в почве – 1317 ГтС. Реакция модельных уравнений на изменяющиеся климатические условия проверяется путем сопоставления с пространственными наблюдениями, так как каждая точка пространственной сетки соотносится с различными комбинациями климатических факторов, что позволяет оценить адекватность модели.
Анализ показал, что ключевые показатели модели достигают стабильного состояния в течение 2000 лет модельного периода. Это фиксируется эволюцией среднегодовых характеристик климата и глобальными запасами углерода в почве и растительности (рис. 1) [11, 12]. При этом скорость изменения указанных показателей не превышает 5 % при продолжении расчетов.
Рис. 1. Среднегодовое содержание углерода в растительности за 2000 лет Примечание: составлен автором по результатам данного исследования
Расчеты показали, что наибольший запас углерода в растительности наблюдается на территории Американского материка в районе экватора, распространяясь до 50 градусов широты (рис. 2). Выявлены два пика растительности, которые соответствуют расположению тропических и бореальных лесов, что коррелирует с эмпирическими данными [13].
Вероятно, неидеальное описание растительности связано с тем, что расчет модели ведется от «нулевой точки». Для получения более реалистичного распределения растительности необходимо проводить вычисления с использованием реальных исходных условий [14, 15]. На основе модельного описания динамики углерода рассчитываются изменения альбедо земной поверхности, уровня шероховатости и температуры верхнего слоя подстилающей поверхности, глубины снежного покрова и влажности почвы (рис. 3–5).
Рис. 2. Среднегодовое распределение углеродных запасов в растительном покрове Примечание: составлен автором по результатам данного исследования
Рис. 3. Среднегодовая температура верхнего слоя суши Примечание: составлен автором по результатам данного исследования
Рис. 4. Среднегодовая толщина снежного покрова Примечание: составлен автором по результатам данного исследования
Рис. 5. Среднегодовая относительная влажность почвы Примечание: составлен автором по результатам данного исследования
Заключение
С целью расширения возможностей получения новых результатов моделирования глобальной климатической системы, предложено использование климатической модели средней сложности, которая включает блок энерго- и влагобалансовой модели атмосферы и блок трехмерной термохалинной модели Мирового океана, совместно с разработанной глобальной моделью биогеохимического цикла углерода растительности. Модель построена на глобальной расчетной сетке с разрешением 72x72 ячейки одинаковой площади и учитывает продукционные процессы в лесных экосистемах, а также сезонные изменения глобальных климатических показателей. В модели отсутствует описание различных типов растительности, землепользования, пожаров, антропогенных выбросов, мерзлоты, азотного цикла, что связано с ее применением в качестве отдельного блока в модели глобального климата.
В ходе численных экспериментов было достигнуто состояние устойчивого равновесия объединенной модели. Результаты свидетельствуют о том, что усредненные показатели глобального климата приходят в это состояние примерно за 2000 лет. В данной конфигурации модель достигает численно устойчивого стационарного режима.
Представлены временные и пространственные характеристики климатических параметров и показателей динамики углерода в наземной растительности. Установлено существование двух максимумов концентрации растительности, которые отвечают расположению тропических и бореальных лесов, что согласуется с данными полевых наблюдений.
Conflict of interest
Financing
Библиографическая ссылка
Пархоменко В.П. ОПИСАНИЕ ЦИКЛА УГЛЕРОДА В ГЛОБАЛЬНОЙ МОДЕЛИ КЛИМАТА // Современные наукоемкие технологии. 2026. № 7. С. 148-153;URL: https://top-technologies.ru/en/article/view?id=40870 (дата обращения: 12.08.2026).