Оценка качества воспроизведения термического режима озер блоком деятельного слоя суши модели Земной системы ИВМ РАН с помощью спутниковых данных MODIS

В настоящее время наблюдается увеличение температуры воздуха на большей части поверхности планеты, а также рост содержания парниковых газов в атмосфере [IPCC, 2013]. Было показано, что в последнее время температура поверхности воды в озерах также сильно возрастает (в среднем, на 0.034 градуса в год с 1985 до 2009 года) [O'Reilly et al., 2015]. Озера играют важную роль в глобальном цикле углерода, поэтому улучшение их воспроизведения в климатических моделях является актуальной задачей.

Данная работа направлена на то, чтобы проверить качество воспроизведения температурного режима озер в модели Земной системы Института вычислительной математики РАН [Дымников, Лыкосов, и Володин, 2015] на фактических данных. Для выполнения поставленных задач были произведены расчеты значений температуры водной поверхности озера с использованием блока деятельного слоя суши модели ИВМ РАН-МГУ, в который ранее была включена модель озера LAKE [Stepanenko et al., 2016, Bogomolov, 2016].

В качестве внешнего воздействия для модели были использованы данные реанализа ERA-Interim для основных метеорологических величин (температура воздуха, влажность, осадки, скорость и направление ветра, давление, коротковолновая и длинноволновая радиация) за период 1985-2017 гг. Для сравнения с модельными расчетами были использованы массивы месячных значений температуры воды на поверхности озера. Спутниковые данные по температуре поверхности получены с помощью сканирующего спектрорадиометра MODIS, установленного на спутнике TERRA. Для определения температуры поверхности использовалась методика, изложенная в работе [MacCallum, 2012]. При построении маски озера учитывались только те пиксели, которые надёжно расположены на поверхности озера и не захватывают участки берега. Также использовались данные радиометров ATSR и AATSR из архивов ARC-Lake [Sharma et al., 2015] и MICROS.

С помощью модели деятельного слоя ИВМ РАН-МГУ были проведены расчеты для озер Балхаш, Танганьика, Таймыр, Большое Медевежье озеро, Ладожское озеро, Онежское озеро, Венерн, Виннипег и Верхнее. Анализ результатов позволил определить, что среднемесячные значения температуры воды на поверхности летом в модели завышены, в среднем, на 2-3⁰С. Во всех озерах температура хуже воспроизводится моделью весной, чем осенью - это можно связать с тем, что дата схода льда в модели наступает раньше, чем в действительности, поэтому в модели происходит более ранее нагревание поверхности воды, чем в реальности. В озере Байкал летом наблюдается занижение температуры на 5-10⁰С, что может быть связано с грубым воспроизведением вертикального теплообмена в озере из-за занижения в модели глубины перемешанного слоя.

Схема деятельного слоя суши ИВМ РАН-МГУ является частью глобальной климатической модели ИВМ РАН. Для реалистичного воспроизведения взаимодействия климата с водными экосистемами суши важно правильное воспроизведение температурного и биогеохимического режима озер. Из проведенного сравнения рассчитанной моделью ИВМ РАН-МГУ температуры поверхности крупнейших озер со спутниковыми данными можно заключить, что термический режим озер воспроизводится в целом верно, но стоит обратить внимание на воспроизведение дат схода и образования ледостава, а также на воспроизведение глубины перемешанного слоя в глубоких водоемах.

Работа поддержана Российским научным фондом, грант №17-17-01210.