Чувствительности нульмерной климатической модели и ее обратные связи в контексте проблемы управления погодой и климатом Земли
Ключевые слова:
геофизическая кибернетика, геоинженерия, манипулирование и управление климатом, оптимальное управление, чувствительность, обратные связиАннотация
Антропогенные изменения климата обуславливают необходимость разработки методов противодействия глобальному потеплению. Манипулирование притоком солнечной радиации к климатической системе за счет создания искусственных аэрозольных облаков в стратосфере является одним из возможных геоинженерных способов стабилизации климата. Оценка эффективности подобных мероприятий выполняется обычно на основе численного моделирования вне рамок теории оптимального управления без строгой формулировки целевого функционала. В статье рассмотрена энергобалансовая климатическая модель нулевой размерности и проанализированы ее основные свойства, важные с точки зрения построения оптимальных систем управления климатом и погодой. На основе данной модели оценено влияние целенаправленных манипуляций притоком солнечной радиации на среднеглобальную приземную температуру. Поскольку полученные оценки согласуются с результатами ранее выполненных исследований, представленная модель может служить основой для разработки физически обоснованных способов управления климатом и погодой, используя методы геофизической кибернетики.Литература
1. 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 / Edited by Stocker T.F. et al. // Cambridge University Press. 2013. 1535 p.
2. Bengtsson L. Geo-engineering to confine climate change: is it at all feasible? // Climatic Change. 2006. vol. 77. no. 3-4. pp. 229–234.
3. Crutzen P.J. Albedo enhancement by stratospheric sulfur injections: a contribution to resolve a policy dilemma? // Climatic Change. 2006. vol. 77. no. 3-4. pp. 211–220.
4. Wigley T.M. A combined mitigation/geoengineering approach to climate stabilization // Science. 2006. vol. 314. pp. 452–455.
5. Robock A., Marquardt A., Kravitz B., Stenchikov G. Benefits, risks, and costs of stratospheric geoengineering // Geophysical Research Letters. 2009. vol. 36. L19703.
6. Shepherd J. Geoengineering the climate: Science, governance and uncertainty // London. Royal Society. 2009. 98 p.
7. MacCracken M.C. On the possible use of geoengineering to moderate specific climate change impacts // Environmental Research Letters. 2009. vol. 4. pp. 1–14.
8. MacMartin D.G. et al. Dynamics of the coupled human-climate system resulting from closed-loop control of solar geoengineering // Climate Dynamics. 2014. vol. 43. no. 1. pp. 243–258.
9. Ming T. et al. Fighting global warming by climate engineering: Is the Earth radiation management and the solar radiation management any option for fighting climate change? // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014. vol. 31. pp. 792–834.
10. Будыко М.И. Метод воздействия на климат // Метеорология и гидрология. 1974. № 2. С. 91–97.
11. Latham J. Control of global warming? // Nature. 1990. vol. 347. pp. 339–340.
12. Израэль Ю.А. Эффективный путь сохранения климата на современном уровне – основная цель решения климатической проблемы // Метеорология и гидрология. 2005. № 10. С. 5–9.
13. Robock A. Volcanic eruptions and climate // Reviews of Geophysics. 2000. vol. 38. no. 2. pp. 191–219.
14. Елисеев А.В., Мохов И.И. Модельные оценки эффективности ослабления и предотвращения глобального потепления климата в зависимости от сценариев контролируемых аэрозольных эмиссий в стратосферу // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2009. Т. 45. № 2. С. 232–244.
15. Пархоменко В.П. Моделирование стабилизации глобального климата управляемыми выбросами стратосферного аэрозоля // Математическое моделирование и численные методы. 2014. № 2. С. 115–126.
16. Kravitz B. et al. Climate model response from the Geoengineering Model Intercomparison Project (GeoMIP) // Journal of Geophysical Research. 2013. vol. 118. pp. 8320–8332.
17. Гаскаров Д.В., Киселев В.Б., Солдатенко С.А., Юсупов Р.М. Введение в геофизическую кибернетику // СПб: СПбГУВК. 1998. 165 c.
18. Soldatenko S., Yusupov R. On the possible use of geophysical cybernetics in climate manipulation (geoengineering) and weather modification // WSEAS Transactions on Environment and Development. 2015. vol. 11. pp. 116–125.
19. Soldatenko S., Yusupov R. The determination of feasible control variables for geoengineering and weather modification based on the theory of sensitivity in dynamical systems // Journal of Control Science and Engineering. 2016. vol. 2016. Article ID 154762. 9 p.
20. Soldatenko S. Weather and climate manipulation as an optimal control for adaptive dynamical systems // Complexity. 2017. vol. 2017. Article ID 4615072. 12 p.
21. McGuffie K., Henderson-Sellers A. The climate modelling primer // Wiley. New York. 2014. 456 p.
22. Karper H., Engler H. Mathematics and climate // SIAM. Philadelphia. 2013. 295 p.
23. Rosenwasser E., Yusupov R. Sensitivity of automatic control systems // CRC Press. Boca Raton. FL. 2000. 436 p.
24. Myhre G. et al. New estimates of radiative forcing due to well mixed greenhouse gases // Geophysical Research Letters. 1998. vol. 25. no. 14. pp. 2715–2718.
25. Rahmstorf S. Anthropogenic climate change: Revisiting the facts. In: Global warming looking beyond Kyoto // Brooking Institution Press. Washington. DC. 2008. pp. 34–53.
26. Hansen J. et al. Climate sensitivity: Analysis of feedback mechanisms // Climate Processes and Climate Sensitivity. Wiley. New York. 1984. pp. 130–163.
27. Hansen J. et al. Low-cost long-term monitoring of global climate forcings and feedbacks // Climatic Change. 1995. vol. 31. no. 1. pp. 247–271.
28. Hansen J. et al. Earth's energy imbalance: Confirmation and implications // Science. 2005. vol. 308. pp. 1431–1435.
29. Hansen J. et al. Climate change and trace gases // Philosophical Transactions of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2007. vol. 365. pp. 1925–1954.
30. Stephens G.L. Cloud feedbacks in the climate system: a critical review // Journal of Climate. 2005. vol. 18. no. 1. pp. 237–273.
31. Roe G. Feedbacks, timescales, and seeing red // Annual Review of Earth and Planetary Science. 2009. vol. 37. pp. 93–115.
32. Budyko M.I. The effect of solar radiation variations on the climate of the earth // Tellus. 1969. vol. XXI. pp. 611–619.
33. Tung K.K. Simple climate modelling // Discrete and Continuous Dynamical Systems. Series B. 2007. vol. 7. no. 3. pp. 651–660.
34. Meinshausen M. et al. The RCP greenhouse gas concentrations and their extensions from 1765 to 2300 // Climatic Change. 2011. vol. 109. pp. 213–241.
35. Hansen J. et al. Efficacy of climate forcing // Journal of Geophysical Research. 2005. vol. 110. D18104. pp. 1–45.
36. Lenton T.M., Vaughan N.E. The radiative forcing potential of different climate geoengineering options // Atmospheric Chemistry and Physics. 2009. vol. 9. pp. 5539–5561.
2. Bengtsson L. Geo-engineering to confine climate change: is it at all feasible? // Climatic Change. 2006. vol. 77. no. 3-4. pp. 229–234.
3. Crutzen P.J. Albedo enhancement by stratospheric sulfur injections: a contribution to resolve a policy dilemma? // Climatic Change. 2006. vol. 77. no. 3-4. pp. 211–220.
4. Wigley T.M. A combined mitigation/geoengineering approach to climate stabilization // Science. 2006. vol. 314. pp. 452–455.
5. Robock A., Marquardt A., Kravitz B., Stenchikov G. Benefits, risks, and costs of stratospheric geoengineering // Geophysical Research Letters. 2009. vol. 36. L19703.
6. Shepherd J. Geoengineering the climate: Science, governance and uncertainty // London. Royal Society. 2009. 98 p.
7. MacCracken M.C. On the possible use of geoengineering to moderate specific climate change impacts // Environmental Research Letters. 2009. vol. 4. pp. 1–14.
8. MacMartin D.G. et al. Dynamics of the coupled human-climate system resulting from closed-loop control of solar geoengineering // Climate Dynamics. 2014. vol. 43. no. 1. pp. 243–258.
9. Ming T. et al. Fighting global warming by climate engineering: Is the Earth radiation management and the solar radiation management any option for fighting climate change? // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014. vol. 31. pp. 792–834.
10. Будыко М.И. Метод воздействия на климат // Метеорология и гидрология. 1974. № 2. С. 91–97.
11. Latham J. Control of global warming? // Nature. 1990. vol. 347. pp. 339–340.
12. Израэль Ю.А. Эффективный путь сохранения климата на современном уровне – основная цель решения климатической проблемы // Метеорология и гидрология. 2005. № 10. С. 5–9.
13. Robock A. Volcanic eruptions and climate // Reviews of Geophysics. 2000. vol. 38. no. 2. pp. 191–219.
14. Елисеев А.В., Мохов И.И. Модельные оценки эффективности ослабления и предотвращения глобального потепления климата в зависимости от сценариев контролируемых аэрозольных эмиссий в стратосферу // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2009. Т. 45. № 2. С. 232–244.
15. Пархоменко В.П. Моделирование стабилизации глобального климата управляемыми выбросами стратосферного аэрозоля // Математическое моделирование и численные методы. 2014. № 2. С. 115–126.
16. Kravitz B. et al. Climate model response from the Geoengineering Model Intercomparison Project (GeoMIP) // Journal of Geophysical Research. 2013. vol. 118. pp. 8320–8332.
17. Гаскаров Д.В., Киселев В.Б., Солдатенко С.А., Юсупов Р.М. Введение в геофизическую кибернетику // СПб: СПбГУВК. 1998. 165 c.
18. Soldatenko S., Yusupov R. On the possible use of geophysical cybernetics in climate manipulation (geoengineering) and weather modification // WSEAS Transactions on Environment and Development. 2015. vol. 11. pp. 116–125.
19. Soldatenko S., Yusupov R. The determination of feasible control variables for geoengineering and weather modification based on the theory of sensitivity in dynamical systems // Journal of Control Science and Engineering. 2016. vol. 2016. Article ID 154762. 9 p.
20. Soldatenko S. Weather and climate manipulation as an optimal control for adaptive dynamical systems // Complexity. 2017. vol. 2017. Article ID 4615072. 12 p.
21. McGuffie K., Henderson-Sellers A. The climate modelling primer // Wiley. New York. 2014. 456 p.
22. Karper H., Engler H. Mathematics and climate // SIAM. Philadelphia. 2013. 295 p.
23. Rosenwasser E., Yusupov R. Sensitivity of automatic control systems // CRC Press. Boca Raton. FL. 2000. 436 p.
24. Myhre G. et al. New estimates of radiative forcing due to well mixed greenhouse gases // Geophysical Research Letters. 1998. vol. 25. no. 14. pp. 2715–2718.
25. Rahmstorf S. Anthropogenic climate change: Revisiting the facts. In: Global warming looking beyond Kyoto // Brooking Institution Press. Washington. DC. 2008. pp. 34–53.
26. Hansen J. et al. Climate sensitivity: Analysis of feedback mechanisms // Climate Processes and Climate Sensitivity. Wiley. New York. 1984. pp. 130–163.
27. Hansen J. et al. Low-cost long-term monitoring of global climate forcings and feedbacks // Climatic Change. 1995. vol. 31. no. 1. pp. 247–271.
28. Hansen J. et al. Earth's energy imbalance: Confirmation and implications // Science. 2005. vol. 308. pp. 1431–1435.
29. Hansen J. et al. Climate change and trace gases // Philosophical Transactions of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2007. vol. 365. pp. 1925–1954.
30. Stephens G.L. Cloud feedbacks in the climate system: a critical review // Journal of Climate. 2005. vol. 18. no. 1. pp. 237–273.
31. Roe G. Feedbacks, timescales, and seeing red // Annual Review of Earth and Planetary Science. 2009. vol. 37. pp. 93–115.
32. Budyko M.I. The effect of solar radiation variations on the climate of the earth // Tellus. 1969. vol. XXI. pp. 611–619.
33. Tung K.K. Simple climate modelling // Discrete and Continuous Dynamical Systems. Series B. 2007. vol. 7. no. 3. pp. 651–660.
34. Meinshausen M. et al. The RCP greenhouse gas concentrations and their extensions from 1765 to 2300 // Climatic Change. 2011. vol. 109. pp. 213–241.
35. Hansen J. et al. Efficacy of climate forcing // Journal of Geophysical Research. 2005. vol. 110. D18104. pp. 1–45.
36. Lenton T.M., Vaughan N.E. The radiative forcing potential of different climate geoengineering options // Atmospheric Chemistry and Physics. 2009. vol. 9. pp. 5539–5561.
Опубликован
2017-05-31
Как цитировать
Солдатенко, С. А., & Юсупов, Р. М. (2017). Чувствительности нульмерной климатической модели и ее обратные связи в контексте проблемы управления погодой и климатом Земли. Труды СПИИРАН, 3(52), 5-31. https://doi.org/10.15622/sp.52.1
Раздел
Теоретическая и прикладная математика
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями:
Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу (Смотри The Effect of Open Access).
