WSibIso

  • Увеличить размер
  • Размер по умолчанию
  • Уменьшить размер
Главная Изотопное моделирование

Изотопное моделирование

       Модель общей циркуляции атмосферы ECHAM5 представляет собой 5-ое поколение МОЦА разработанных в Институте Макса Планка в Гамбурге (Германия). Она была тщательно протестирована в современных условиях (см. например Roeckner et al., 2003, 2006) и использована в последних оценках МГЭИК (Randall et al., 2007). Что касается гидрологического цикла в ECHAM5, и модельные количество осадков и полное содержание водяного пара в атмосфере в целом совпадают с наблюдаемыми величинами за исключением 10-15% расхождения в тропиках (Hagemann et al., 2006).

       Для явного моделирования содержания молекул HDO и H218O, модель ECHAM5 была расширена модулем изотопного состава воды в модели гидрологического цикла (данная версия модели называется здесь и далее ECHAM5-wiso) в соответствии с работами Joussaume et al. (1984), Jouzel et al. (1987), Hoffmann et al. (1998) и Werner et al.(2002). Модель ECHAM5-wiso вычисляет детальные изменения изотопного состава в течение всего гидрологического цикла, от испарения из океанов через конденсацию облаков и осадки (дождь и снег) до поверхностного стока вод. Первые современные запуски моделирования выявили, что результаты моделирования с помощью ECHAM-wiso находятся в хорошем согласии с доступными измерениями изотопного состава воды в осадках и водяном паре, которые были выполнены в сети станций GNIP (МАГАТЭ/ВМО, 2006), как на годичном так и сезонном временном масштабе. Благодаря последним достижениям, как в росте вычислительных возможностей, так и в развитии вычислительных алгоритмов, модель ECHAM5-wiso может работать на достаточно мелкой сетке, вплоть до 75×75 км, с полным глобальным покрытием.

      Чтобы обеспечить надежное сравнение результатов моделирования с помощью МОЦА и наземных и спутниковых измерений HDO в атмосфере, предлагается в данном проекте (WsibIso) выполнить моделирование моделью ECHAM5-wiso с очень высоким пространственным разрешением в режиме длительного моделирования для периода с 1990 года по настоящее время. В данном режиме моделирования, модельное состояние атмосферы постоянно релаксирует в направлении заранее определенных опорных состояний атмосферы, определенных в экспериментальном наборе состояний (ERA-Interim) (Dee et al., 2011). Это позволяет быть уверенным, что особенности синоптического масштаба в рамках ECHAM5-wiso соответствуют наблюдаемой атмосферной циркуляции, а также модельный изотопический состав в выпадении осадков в заданный календарный период может быть непосредственно сравнен с измерениями наземных и спутниковых спектрометров за тот же период. В дополнение, моделирование за последние 20 лет позволит обнаружить возможные изменения в гидрологическом цикле и изотопном составе в Западной Сибири произошедшие вследствие повышения концентрации парниковых газов в атмосфере.

       Модельный анализ будет нацелен на моделирование содержания HDO в атмосфере над Западной Сибирью и сравнительный анализ модельных и измеренных данных с учетом того, что данные будут ограничены безоблачными условиями в атмосфере. Сравнение данных будет нацелено на выявление представительности данных, полученных в УАФС, для использования их для всего региона Западной Сибири (наземный фурье-спектрометр против данных GOSAT или другого спутника).

       Все предложенные вычисления на основе ECHAM5-wiso и сравнение данных являются очень затратными с точки зрения вычислительных ресурсов и будут выполнены на суперкомпьютере NEC-SX8, обслуживаемом персоналом AWI в суперкомпьютерном центре Германского Климатического Вычислительного Центра (DKRZ).

       Стабильные изотопомеры воды были недавно учтены в последней версии МОЦА LMDZ4, разработанной в Лаборатории Метеорологической Динамики (LMD) (Hourdin et al., 2006). Это атмосферный компонент Института Пьера Симона Лапласа (IPSL) (Marti et al., 2005) более общей модели поверхности-океана-атмосферы CMIP3 (Meehl et al., 2007). Полная модель LMDZ решает уравнения в конечных разностях на трехмерной сетке Эйлера. В стандартной конфигурации для дискретизации вертикальной оси используется 19 уровней давления, которые соответствуют 70 м в пограничном слое и около 2 км в тропопаузе. Динамическое и физическое содержание данной модели было полностью переработано с тех пор как Joussaume et al. (1984) впервые встроили изотопные модели в ранние версии МОЦА LMD.

       Интересной особенностью этой МОЦА является возможность растяжения сеток (Hourdin et al., 2006), позволяющая проводить исследования, как на глобальном, так и на региональном масштабе. Возможности моделирования изотопического состава в LMDZ-iso были оценены на различных временных масштабах, для современных изотопических пространственных и сезонных распределений и для изменчивости изотопного состава на временных масштабах от синоптических до многолетних. Эти симуляции включали в себя учет наблюдаемых месячных температур поверхности моря с 1979 года по 2007 год, а для того, чтобы оценить изотопическое моделирование более строгим образом, моделирование было сопоставлено с ретроспективным метеорологическим анализом (Risi et al., 2010). Поскольку определенные усилия были вложены в представление в модели процесса повторного испарения капли (Bony et al., 2008), определенной внимание было уделено оценке равновесия между каплей и водяным паром с использованием данных некоторых станций по водяному пару и осадкам (Risi et al., 2010). Данные авторы также уделили внимание оценке избыточного дейтерия, содержание которого чувствительно к кинетическому фракционированию особенно при повторном испарении дождя. Наконец, авторы оценили изотопические распределения для двух предшествующих климатических эпох для которых доступны изотопические данные: последнего максимума оледенения (21000 лет назад) и в среднем Голоцене (6000 лет назад).

       В данном проекте предполагается использовать модель LMDZ-iso для детального моделирования современных условий в регионе Западной Сибири. Усилия будут сосредоточены на сравнении модельных и измеренных поверхностных данных (водяной пар и осадки) и вертикальных распределений как модельных, так и восстановленных по спутниковым данным. Одной из особенностей LMDZ-iso является возможность отследить происхождение воздушных масс, что важно для интерпретации изотопических распределений в терминах климатических параметров. Данная изотопическая модель будет также использована для моделирования циркуляции в более теплых климатических условиях.