Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1. Модель климата INM-CM4-8 имеет самую маленькую равновесную чувствительность к учетверению концентрации СО2 среди всех климатических моделей, участвовавших в CMIP6. Она составляет 3.6 градуса. Диапазон изменения равновесной чувствительности для всех моделей CMIP6 составляет 3.6-11.2 градуса. Известно, что непосредственной причиной такого разброса является различная реакция облачности на глобальное потепление. Однако, конкретные механизмы, определяющие различную реакцию облачности, оставались неисследованными. В настоящей работе они были исследованы. Эксперименты с различными версиями климатической модели, где каждый из этих механизмов был включен или выключен, позволяют оценить их влияние на равновесную чувствительность. В проведенных экспериментах равновесная чувствительность менялась от 3.6 до 8.1 градуса. Наибольший вклад в увеличение чувствительности и уменьшение облачности при глобальном потеплении вносят два механизма. Это рост при росте температуры диссипации облачности вследствие перемешивания с ненасыщенным окружением, и уменьшение генерации нижней облачности, расположенной в атмосферном пограничном слое. При включении этих механизмов общее количество облаков уменьшается с 63% в контрольном доиндустриальном эксперименте до 57% в эксперименте с учетверением СО2, и чувствительность такой модели высока. Если эти механизмы отключены, то существенного изменения облачности при потеплении не происходит, и чувствительность такой модели низка. 2. Выполнены сравнения аэрозольных оптических толщин (АОТ) сульфатного аэрозоля, полученных по данным модели климата INM-СM4-8, с АОТ по данным реанализов CAMS и MERRA-2 для различных сезонов года за 2005 г. Показано, что старая версия данных АОТ сульфатного аэрозоля в модели существенно отличается от данных АОТ, полученных по реанализам. Завышение значений АОТ в южном полушарии в районах, удаленных от источников выбросов связано с неточным заданием эмиссий диметилсульфида (ДМС) - сульфатного аэрозоля естественного происхождения. Для решения этой проблемы в модель были внесены следующие изменения: были использованы современные данные по концентрациям ДМС; изменена параметризация потока ДМС; также уточнено гравитационное осаждение для низких температур и внесены уточнения в величины коэффициентов вымывания для конвективной и крупномасштабной облачности. В результате, уточненные значения аэрозольной оптической толщины в целом стали гораздо лучше согласоваться с данными реанализов. На основании уточненных в ходе работы АОТ сульфатного аэрозоля рассчитаны его радиационные эффекты на ВГА, которые имеют значительные пространственные и сезонные вариации. Наибольшие по абсолютной величине значения радиационного эффекта (до 4-5 Вт м-2) отмечаются над восточными районами Китая. Среднеглобальное годовое значение радиационного эффекта сульфатного аэрозоля составило -0.36 Вт м-2. Это близко к величинам, полученным в IPCC 2013, где величина радиационного форсинга сульфатного аэрозоля за счет антропогенных выбросов лежит в диапазоне от -0.13 до -0.61 Втм-2 с медианой -0.34 Вт м-2 согласно модельному эксперименту AEROCOM II для периода с 1850 по 2010 гг. (Myhre et al., 2013). 3. Проведена настройка параметров черного углерода в аэрозольном блоке модели INMCM5. Показано улучшение в воспроизведении среднеклиматических характеристик жизненного цикла черного углерода данной моделью по сравнению с предыдущей версией. Показана адекватность полученных среднеглобальных радиационных характеристик, связанных с черным углеродом (прямого радиационного форсинга, оптической толщины аэрозоля) средним данным по ансамблю моделей из проекта AEROCOM. 4. Разработана численная модель атмосферного пограничного слоя на динамических адаптивных сетках. Вычислительная технология позволяет подстроить сеточное разрешение модели с учетом суточного хода атмосферы и при минимальных вычислительных затратах воспроизвести тонкие устойчиво-стратифицированные пограничные слои в климатических моделях.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Исследована взаимосвязь равновесной чувствительности и величины естественных колебаний климата в различных версиях модели климата ИВМ РАН. Показано, что величина естественных колебаний климата в версии модели, имеющей чувствительность 1.8 К примерно такая же, как и в версии модели, имеющей чувствительность 3.8 К, как на межгодовом временном масштабе, так и при 5-летнем и 10-летнем осреднении. Это не соответствует результатам Nijsse et al. (2019), Cox et al. (2018), где показано, что в моделях с высокой чувствительностью величина естественных колебаний климата заметно больше, чем в моделях с низкой чувствительностью. В то же время, изменения в параметризации облачности атмосферного пограничного слоя могут существенно влиять на естественные колебания климата, связанные с Эль-Ниньо, в также с тихоокеанским декадным колебанием (ТДК), но не влиять существенно на чувствительность к СО2. Воспроизведение величины Эль-Ниньо и ТДК в новой версии модели близко к наблюдаемым величинам, хотя в версии модели INM-CM4-8 изменчивость, связанная с Эль-Ниньо занижена в 1.5 раза, а изменчивость, связанная с ТДК, занижена в 3 раза. Влияние происходит вследствие изменения разности температур поверхности между востоком и западом Тропического Тихого океана. Исследовано пространственное распределение коэффициента радиационно-облачной обратной связи в версиях модели климата с разной чувствительностью. Результаты сравниваются с оценкой величины радиационно-облачной обратной связи по данным спутниковых наблюдений CALIPSO. Показано, что CRF для версий с чувствительностью 2.9 и 3.8 больше всего соответствуют оценке по данным наблюдений. Показано, что введение стохастики в параметризацию облачности не влияет существенно на равновесную чувствительность модели климата, а также на воспроизведение среднеклиматическогго состояния. Исследование прямого радиационного эффекта сульфатного аэрозоля, а также его влияния на радиацию за счет облачно-аэрозольного взаимодействия проводились по данным численных экспериментов с помощью модели ИВМ РАН. Выявлены значительные пространственные и сезонные вариации прямого аэрозольного радиационного эффекта (RFE). В целом RFE за счет естественного сульфатного аэрозоля составляет 20%, однако отмечаются значительные вариации этой величины по месяцам. Особенно усиливается роль естественной компоненты сульфатного аэрозоля в январе, когда ее доля в суммарной величине достигает 37%.Среднеглобальный радиационный эффект антропогенного сульфатного аэрозоля составляет -0.36 Втм-2 и практически не меняется по сезонам года. Возможные причины несогласованности модельной аэрозольной оптической толщины с данными аэрозольного реанализа CAMS в районе Китая и в районах высоких широт северной Евразии в зимние месяцы связаны с неточным пространственным воспроизведением осадков в модели, что приводит к различиям в АОТ за счет разных по интенсивности процессов вымывания аэрозоля. В то же время сами данные CAMS могут обладать большей неопределенностью в этих регионах. Проведены численные эксперименты по оценке влияния облачно-аэрозольного взаимодействия на радиационный режим у поверхности Земли и на верхней границе атмосферы для условий доиндустриального периода (1850 г.) и периодов с высокой и низкой концентрацией сульфатного аэрозоля (соответственно 1980 и 2005 г.).Показано, что учет облачного-аэрозольного взаимодействия в модели улучшает на 10-20 Втм-2 согласие расчетов радиационного баланса на верхней границе атмосферы (R_ВГА) с данными реанализа ERA-INTERIM. Наблюдается также заметное изменение R_ВГА в 2005 г. относительно 1980 г. за счет эффектов облачно-аэрозольного взаимодействия в теплый период года, особенно в регионах, где отмечаются тренды сульфатного аэрозоля. Учет облачно-аэрозольного взаимодействия в модели привел к выраженному росту величины облачного пропускания суммарной радиации у поверхности Земли (CQ) в 2005 году относительно 1980 г.в областях с отрицательным трендом аэрозоля и к уменьшению CQ в областях с его положительным трендом (Китай). Эти результаты лучше согласуются с величинами CQ, рассчитанными по данным реанализа ERA-INTERIM и модели реконструкции. Проведена модификация почвенно-снежного блока глобальной климатической модели ИВМ РАН. В новой схеме снежный слой рассматривается как многокомпонентная среда, состоящая из пористого снега, жидкой воды и ледяной крошки, образующейся при замерзании жидкой воды. Отдельно рассматривается эволюция каждой компоненты снежного слоя, а затем средние характеристики всего слоя - плотность и радиус кристалла получаются суммированием с весами по всем компонентам. В этом заключается главное отличие от старой схемы, где снег рассматривался как однокомпонентная среда постоянной плотности. Предварительные эксперименты с климатической моделью ИВМ РАН по воспроизведению снежного покрова в северном полушарии показали, что модифицированная схема приводит к улучшению описанию площади снежного покрова в переходные сезоны и некоторому ухудшению описанные водно-эквивалентной толщины снега в течении зимнего сезона. Разработана параметризация альбедо снега загрязненного черным углеродом, учитывающая зависимость альбедо снега от характерного размера снежных кристаллов, концентрации ЧУ в снегу, солнечного зенитного угла. В основе данной параметризации лежат интерполяционные формулы, полученные при аппроксимации данных радиационной модели переноса излучения в снегу (SNICAR). В результате построенная параметризация обеспечивает хорошую точность при расчете альбедо снега и при этом существенно выигрывает в быстродействии по сравнению с использованием для аналогичной цели радиационной модели. Для расчета концентрации черного углерода в снегу на основании данных по толщине снежного покрова, потока талой воды, потока черного углерода и осадков из атмосферы была использована балансовая модель. Совмещение параметризации альбедо и модели эволюции черного углерода в снегу позволили создать технологию расчета альбедо снега загрязненного черным углеродом по входным данным о снежном покрове и потоке аэрозольных частиц на поверхности. На основе данных моделирования с помощью климатической модели ИВМ РАН и разработанной технологии были получены оценки радиационного форсинга от загрязнения снега черным углеродом. Результаты расчетов, в целом, хорошо согласуются с аналогичными данными как модельных исследований, так и наблюдений. В перспективе данная технология может быть внедрена в климатическую модель ИВМ РАН с целью интерактивного расчета альбедо снега, загрязненного частицами черного углерода и других аэрозолей. При помощи локально-одномерной модели АПС проведены расчеты умеренно-устойчивого и сильно-устойчивого пограничного слоя атмосферы и выполнено сравнение результатов этих расчетов с данными, полученными при помощи численных экспериментов с вихрехреразрешающими моделями турбулентности. Показано, что наилучшие результаты дают параметризации, допускающие поддержание турбулентности при больших градиентных числах Ричардсона. Эти параметризации турбулентной диффузии при устойчивой стратификации были внедрены в климатическую модель ИВМ РАН. На основе сравнения с данными реанализа показано, что усовершенствованная модель турбулентности в пограничном слое уменьшает среднюю ошибку в воспроизведении современного климата в полярных широтах.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Усовершенствования в параметризации эволюции атмосферных аэрозолей, снежного покрова, атмосферного пограничного слоя и облачности, разработанные в первые два года проекта, включены в новую версию модели климата. С этой версией проведен численный эксперимент по воспроизведению изменений климата в 1850-2029г используя наблюдаемые сценарии изменения воздействий на климатическую систему. Проведен также контрольный эксперимент продолжительностью 180 лет, и эксперимент с учетверением концентрации СО2 продолжительностью 150 лет. Анализ воспроизведения современного климата старой и новой версией модели для 1980-2014г и сравнение с данными наблюдений и реанализов показывает, что интегральные систематические ошибки уменьшились для всех рассмотренных двумерных полей, а именно для приземной температуры воздуха, давления на уровне моря, осадков, уходящей на верхней границе атмосферы солнечной и инфракрасной радиации, высоты 500 гПа, компонент скорости ветра на высотах 200 и 850 гПа, температуры 850 гПа. Наиболее существенно уменьшились систематические ошибки, связанные с завышением температуры поверхности и нижней тропосферы в умеренных широтах южного полушария, завышением давления над северными умеренными широтами Тихого океана зимой, с завышением приземной температуры на юге Европы и в субтропиках США летом. В новой версии модели улучшилось воспроизведение температуры и скорости ветра в тропосфере и стратосфере. В частности, исчезло занижение температуры в тропической тропосфере, уменьшилось занижение температуры вблизи полярной тропопаузы. Эти улучшения связаны в первую очередь с улучшением воспроизведения облачности и ее радиационных свойств. Заметно улучшилось воспроизведение новой версией модели снежного покрова. Проведенные "одноколоночные" численные эксперименты с блоком поверхности суши, почвы и снежного покрова по протоколу ESM SnowMIP (Krinner et al. 2018) показывают, что в новой версии модели существенно лучше, чем в исходной версии, воспроизводится масса снега и его высота, измеренные на метеостанциях. В исходной версии происходило систематическое занижение массы снега, особенно в весенние месяцы, вследствие отсутствия механизма перезамерзания снега. В новой версии модели также улучшилось воспроизведение явления Эль-Ниньо, в частности его амплитуда стала близка к наблюдаемой. Показано, что равновесная чувствительность к удвоению концентрации СО2 в атмосфере составляет в новой версии модели около 3.5 градуса, что примерно в 2 раза больше, чем для исходной версии модели (1.8 градуса). Отличие достигается в основном за счет изменения параметризации облачности и реакции облачности на изменение температуры. В новой версии модели прямой радиационный форсинг антропогенного сульфатного аэрозоля составляет в начале 21 века около -0.3 Вт/м2, непрямой -0.75 Вт/м2. Это соответствует средним значениям оценок этих величин в 6-м ОД МГЭИК. В исходной версии модели значения прямого и непрямого радиационного форсинга антропогенного сульфатного аэрозоля составляли -0.5 и 0.0 Вт/м2 соответственно. Показано, что скорость эмиссии, масса и оптическая толщина основных аэрозолей в новой версии модели примерно соответствует результатам сравнения современных аэрозольных блоков климатических моделей CAMS3. Рассмотрено воспроизведение изменения климата в 1850-2021г новой версией модели. Показано, что его основные особенности, такие как относительно теплые 1940-50г, замедление или прекращение потепления в 1960-80г. и быстрое повышение температуры в 1990е годы получается в модель близко к наблюдениям, суммарное потепление с 1850г до настоящего момента составляет около 1.2 градуса, что также примерно соответствует наблюдениям. Следует отметить также быстрое ожидаемое потепление в 2023-2029г, примерно на 0.5 градуса. Интегральный баланс тепла на поверхности Земли в 2001-2020г, характеризующий неравновесность в климатической системе, по данным модели составляет около 0.6 Вт/м2. Это примерно соответствует оценке в 6-м ОД МГЭИК, которая составляет около 0.5-0.9 Вт/м2 (Том 1, гл.7, рис.7.2). В отличии от старой версии модели, в новой версии получаются такие региональные особенности изменения климата как уменьшение осадков в Сахели во время летнего муссона в 1970-80е годы, существенное повышение температуры на Европейской территории России в 2000-2020г по сравнению с 1980-1995г на 1.5-2 градуса и уменьшение летних осадков, при сохранении температуры практически неизменной в эти годы в Западной Сибири. Эти явления, по-видимому, связаны со значительным влиянием на климат антропогенных аэрозолей в 1970-1995г в Европе и с ослаблением этого влияния начиная со второй половины 90х годов. В целом, можно заключить, что в результате уточнения всех параметризаций создана новая версия модели, которая воспроизводит современный климат и его изменения ближе к реальности.