Уменьшение неопределенности оценок последствий изменений климата в регионах России за счет оптимального построения ансамблевой климатической проекции

Будут развиты методы построения ансамблевых климатических проекций для оценки последствий изменений климата на крупнорегиональном уровне на основе оптимального выбора гидродинамических моделей из семейства CMIP5. Будет разработана система критериев для оценки качества моделей в контексте изучения наиболее характерных и значимых для конкретных регионов России последствий изменений климата, составлен перечень таких ключевых последствий и определяющих их климатических показателей и индексов. Критерии будут основаны на сравнении полученных в модельных расчетах для 20 и начала 21 века статистик региональных климатических характеристик со статистикой, полученной обработкой данных наблюдений, а также на способности моделей реалистично воспроизводить взаимосвязь изменений приземного давления, осадков и температуры воздуха. В качестве сравниваемых характеристик будут использованы различные показатели термического режима и увлажнения, в наибольшей степени влияющие на главные региональные климатозависимые процессы и природные системы, уровень климатического воздействия на которые близок к критическому. Соответствующая концепция критического уровня воздействия и методы его расчета были разработаны авторами в предшествующем проекте РФФИ ОФИ-ц 09-05-13544. В ходе проекта будет составлен более полный перечень регионально-значимых климатических показателей и индексов, а также регионально-значимых модельных критериев, характеризующих взаимосвязь изменений термического режима и осадков, по которым будут тестироваться модели. Для этого будет проведен анализ опубликованных данных о чувствительности природных систем на территории России и их близости к критическому уровню климатического воздействия. Разработанные критерии будут применены для тестирования и ранжирования моделей семейства CMIP5. В итоге будет разработан алгоритм оптимального отбора моделей и построен ряд ансамблевых проекций для крупных биоклиматических регионов России с учетом результатов тестирования, региональной специфики климатозависимых процессов и определяющих их климатических показателей и индексов.

Был составлен перечень ключевых климатических параметров и индексов, определяющих состояние растительного покрова, объектов криосферы и гидрологические процессы в регионах России. В него вошли температурные характеристики (среднегодовая, сезонные температуры воздуха, минимальная и максимальная годовые температуры, годовая амплитуда, суммы температур за теплый и холодный периоды), суммы осадков за сезоны, год, за теплый и холодный периоды, индексы тепло- и влагообеспеченности. Была получена оценка погрешности воспроизведения гидродинамическими моделями CMIP5 наблюдаемых трендов этих параметров, в ходе которой данные наблюдений и модельные расчеты осреднялись по регионам, характеризуемым однородностью современных климатических изменений, после чего сравнивались между собой. На территории России было выделено 14 таких регионов. Были отобраны модели с наименьшими погрешностями, и на их основе построена ансамблевая климатическая проекция для территории России с учетом региональной специфики климатозависимых процессов и определяющих их климатических показателей и индексов. Был проведен анализ совместных региональных (осредненным по однородным регионам) изменений осадков, давления и температуры воздуха на основе данных срочных наблюдений и расчетов с 3-х часовым шагом по гидродинамической модели INMCM4 института Вычислительной математики РАН. Он показал, что корреляции количества осадков с суммами падения давления, как правило, весьма высоки в холодный период и резко уменьшаются в летние месяцы, когда в континентальных областях процесс осадкообразования в значительной степени связан с конвекцией. Исключение составляют регионы, находящиеся под выраженным влиянием атлантической циркуляции, где осадки связаны с динамическими факторами на протяжении всего года, и регионы со сложным горным рельефом, где ощущается влияние муссонной циркуляции Тихого океана. В Западной Сибири корреляции высоки весь год. Связь осадков с изменчивостью поля температуры в зимнее время не была обнаружена. В бесснежный период года выраженная отрицательная связь осадков с ростом температуры прослеживается практически для всех регионов. Преведенный тест подтвердил внутренню согласованность описываемых моделью изменений осадков, температуры и давления. Был проведен сравнительный анализ ансамблевых проекций и индивидуальных моделей, по результатам которого была получена оценка предсказуемости (степени неопределенности) ключевых климатозависимых процессов в регионах России. В качестве метрики предсказуемости различных параметров использовался разброс модельных оценок в сочетании с точностью воспроизведения данного параметра в исторический период и их последующие изменения, предсказываемые моделями. Анализ показал, что предсказуемость всех исследованных климатических параметров (температурные характеристики и суммы осадков) в большинстве регионах России достаточно высокая, т.е. разброс межмодельных оценок внутри ансамбля примерно совпадает с величиной естественной изменчивости воспроизводимой величины. Исключение составляют горные регионы, где большое разнообразие локальных процессов формируют местный климат, плохо описываемый моделями. В результате выполнения проекта была получена исчерпывающая информация о неопределенности проекций моделей CMIP5 в регионах России, был разработан и реализован метод ее уменьшения на основе тестирования индивидуальных моделей и формирования оптимального ансамбля. Все полученные результаты и данные тестирования доступны в вэб-приложении проекта http://permafrost.su/gcm.html