Оценка влияния парниковых газов и атмосферного аэрозоля на коротковолновую и длинноволновую радиацию для условий безоблачного неба

Газово-аэрозольный состав атмосферы определяет особенности радиационного баланса в атмосфере и связанные с этим климатические изменения. В исследовании обсуждаются антропогенно обусловленные вариации содержания важнейших парниковых газов (углекислого газа (CO₂), озона (O₃)), а также атмосферного аэрозоля. Приводятся оценки их радиационного воздействия (форсинга, RF) в различных геофизических условиях. На основе современной радиационной модели ECRAD оценивались величины RF рассматриваемых антропогенных примесей за последние 20 лет относительно их доиндустриального уровня для разных сезонов года на примере московского региона. Определены особенности вертикальных профилей радиационного воздействия в коротковолновом и длинноволновом спектральных диапазонах и их величины на нижней (НГА) и верхней границах атмосферы (ВГА) в зависимости от высоты Солнца и альбедо поверхности при учете сезонных вариаций концентраций примесей и без их учета. Для теплого периода при низком альбедо поверхности общее антропогенное радиационное воздействие (RF ^Total) c учетом сезонных вариаций всех рассматриваемых примесей отрицательно, в целом составляет –8,33 Вт/м² на НГА и –1,35 Вт/м² на ВГА. Существенную роль в отрицательном радиационном воздействии играет характерный для умеренных широт слабопоглощающий аэрозоль. В холодный период года RF ^Total составляет –0,08 Вт/м² на НГА и +0,38 Вт/м²  на ВГА. Положительная величина общего RF на ВГА формируется за счет положительного радиационного воздействия аэрозоля из-за его поглощательных свойств и влияния высокого альбедо снежной поверхности, а также за счет положительного RF углекислого газа. Обнаружена нелинейная зависимость величин радиационного воздействия рассматриваемых примесей от высоты Солнца и альбедо поверхности. Изменение cкорости радиационного нагрева (ΔHR) за счет антропогенных изменений парниковых газов и аэрозоля на ВГА закономерно отрицательна в оба сезона года. В то же время эта величина положительна на НГА (порядка 0,45 К/сут. в теплый и 0,25 К/сут. в холодный сезоны), главным образом, за счет небольшого поглощения аэрозолем в нижних слоях тропосферы. При этом скорость радиационного нагрева за счет СO₂ положительна, но невелика.

1. Володин Е.М., Кострыкин С.В. Аэрозольный блок в климатической модели ИВМ РАН. Метеорология и гидрология // Метеорология и гидрология. 2016. № 8. С. 5–17.

2. Горбаренко Е.В. Экстремумы и основные тенденции в многолетней изменчивости радиационных параметров атмосферы города Москвы // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. Геогр. 2022. № 6. С. 90–103

3. Климат Москвы в условиях глобального потепления / под ред. А.В. Кислова. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2017. 288 с.

4. Плахина И.Н., Махоткина Е.Л. Аэрозольно-радиационный форсинг в атмосфере. Обзор современных данных // Ученые записки Российского гос. гидрометеорологического ун-та. 2008. № 6. С. 20–37.

5. Тимофеев Ю.М., Васильев А.В. Теоретические основы атмосферной оптики. СПб.: Наука, 2003. 474 с.

6. Тимофеев Ю.М., Виролайнен Я.А., Поляков А.В. Оценки вариаций радиационного форсинга для углекислого газа в последнее столетие и в будущем // Оптика атмосферы и океана. 2019. Т. 32. № 10. С. 856–859. DOI: 10.15372/AOO20191009.

7. Чубарова Н.Е., Незваль Е.И., Беликов И.Б. и др. Климатические и экологические характеристики московского мегаполиса за 60 лет по данным Метеорологической обсерватории МГУ // Метеорология и гидрология. 2014. № 9. С. 49–64.

8. Чубарова Н.Е., Рублев А.Н., Троценко А.Н. и др. Вычисление потоков солнечного излучения и сравнение с результатами наземных измерений в безоблачной атмосфере // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 1999. Т. 35. № 2. С. 222–239.

9. Austin J., Horowitz L.W., Schwarzkopf D.M. et al. Stratospheric Ozone and Temperature Simulated from the Preindustrial Era to the Present Day, Journal of Climate, 2013, vol. 26(11), р. 3528–3543, DOI: 10.1175/JCLID-12-00162.1.

10. Chen W.-T., Hong L., Seinfeld J.H. Future climate impacts of direct radiative forcing of anthropogenic aerosols, tropospheric ozone, and long-lived greenhouse gases, Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2007, vol. 112, iss. D14.

11. Chubarova N.E., Sviridenkov M.A., Smirnov A. et al. Assessments of urban aerosol pollution in Moscow and its radiative effects, Atmos. Meas. Tech., 2011, vol. 4, p. 367–378, DOI: 10.5194/amt-4-367-2011.

12. Chubarova N.E., Vogel H., Androsova E.E. et al. Columnar and surface urban aerosol in the Moscow megacity according to measurements and simulations with the COSMO-ART model, Atmos. Chem. Phys., 2022, vol. 22, p. 10443–10466, DOI: 10.5194/acp-2022-83.

13. Heald C.L., Ridley D.A., Kroll J.H. et al. Contrasting the direct radiative effect and direct radiative forcing of aerosols, Atmospheric Chemistry and Physics, 2014, vol. 14(11), p. 5513–5527, DOI: 10.5194/acp-14-5513-2014.

14. Hersbach H., Bell B., Berrisford P. et al. The ERA5 global reanalysis, Quarterly Journal of the Meteorological Society, 2020, vol. 146, DOI: 10.1002/qj.3803.

15. Hogan R.J. ECRAD radiation scheme: User Guide, European Centre for Medium Range Weather Forecasts, Reading, UK, 2022.

16. Hogan R.J., Bozzo A.A. flexible and efficient radiation scheme for the ECMWF model, Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 2018, 10, DOI: 10.1029/2018MS001364.

17. Iacono M.J., Delamere J.S., Mlawer E.J. et. al. Radiative forcing by long-lived greenhouse gases: Calculations with the AER radiative transfer models, Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2008, vol. 113, iss. D13, DOI: 10.1029/2008JD009944.

18. Inness A., Ades M., Agustí-Panareda A. et al. The CAMS reanalysis of atmospheric composition, Atmospheric Chemistry and Physics, 2019, vol. 19(6), DOI: 10.5194/acp-19-3515-2019.

19. IPCC, 2007: Climate Change 2007: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change R.K. Pachauri, A. Reisinger (eds.), IPCC, Geneva, Switzerland, 104 p.

20. IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, T.F. Stocker, D. Qin, G.-K. Plattner et al. (eds.), Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 1535 p., DOI: 10.1017/CBO9781107415324.

21. IPCC, 2022: Climate Change 2022: Impacts, Adaptation, and Vulnerability. Contribution of Working Group II to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, H.-O. Pörtner, D.C. Roberts, M. Tignor et al. (eds.), Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA, 3056 p., DOI: 10.1017/9781009325844.

22. Myhre G., Aas W., Cherian R. et al. Multi-model simulations of aerosol and ozone radiative forcing due to anthropogenic emission changes during the period 1990–2015, Atmos. Chem. Phys., 2017, vol. 17, p. 2709–2720, DOI: 10.5194/acp-17-2709-2017.

23. Ohneiser K., Ansmann A., Witthuhn J. et al. Self-lofting of wildfire smoke in the troposphere and stratosphere: simulations and space lidar observations, Atmos. Chem. Phys., vol. 23, p. 2901–2925, DOI: 10.5194/acp-23-2901-2023.

24. Prša A., Harmanec P., Torres G. et al. Nominal Values for Selected Solar and Planetary Quantities: IAU 2015 Resolution B3, Astron J., 2016, 152:41, DOI: 10.3847/00046256/152/2/41.

25. Rémy S., Kipling Z., Flemming J. et al. Description and evaluation of the tropospheric aerosol scheme in the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) Integrated Forecasting System (IFS-AER, cycle 45R1), Geosci. Model Dev., 2019, vol. 12, p. 4627–4659, DOI: 10.5194/gmd-12-4627-2019.

26. Ren T., Ping Y., Jian W. et al. Performance of Cloud 3D Solvers in Ice Cloud Shortwave Radiation Closure Over the Equatorial Western Pacific Ocean, Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 2022, vol. 14(2), DOI: 10.1029/2021MS002754,2022.

27. Röttenbacher J., Ehrlich A., Müller H. et al. Evaluating the Representation of Arctic Cirrus Solar Radiative Effects in the IFS with Airborne Measurements, EGUsphere [preprint], 2024, DOI: 10.5194/egusphere-2024-281.

28. Монреальский протокол. URL: https://www.un.org/ru/documents/decl_conv/conventions/montreal_prot.shtml (дата обращения 10.05.2023). A ERONET Data Synergy Tool. URL: https://aeronet.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/bamgomas_interactive (дата обращения 10.05.2023).

29. ECMWF Radiation Scheme Home. URL: https://confluence.ecmwf.int/display/ECRAD (дата обращения 15.05.2023). Section 2.1.5.7. Aerosols and Greenhouse Gasesm URL: https://confluence.ecmwf.int/display/FUG/Section+2.1.5.7+Aerosols+and+Greenhouse+Gases (дата обращения 15.05.2023).