Разработанная учеными Института водных проблем (ИВП) РАН модель SWAP может прогнозировать, как изменения климата скажутся на величине снегозапасов России. В основу модели легло физико-математическое описание процессов тепло- и влагообмена, происходящих в системе «грунтовые воды – почва – растительный/снежный покров – приземный слой атмосферы». Моделью могут пользоваться в своей работе специалисты в области гидрологии, метеорологии, климатологии.
SWAP (Soil – Water – Atmosphere – Plants) вошла в тройку лучших моделей, участвующих в международном эксперименте ESM-SnowMIP (The Earth System Models – Snow Models Intercomparison Project). Участники оценивали прогресс в моделировании формирования снежного покрова за последние два десятилетия. Всего было представлено 26 моделей различной степени сложности из разных стран мира.
Снежный покров играет большую роль в климатической системе и гидрологическом цикле планеты. В районе высоких и средних широт он представляет собой своеобразный водный буфер: накапливает атмосферные осадки зимой и теряет их весной в процессе снеготаяния. Снежный покров регулирует составляющие водного баланса и определяет годовой ход речного стока. От его толщины зависит степень промерзания почв. Это, в свою очередь, влияет на проникновение в почву талых вод и осадков, а, следовательно, и на сток. Пик весеннего половодья во многом определяется величиной снегозапасов, накопленных к началу весеннего снеготаяния. Поэтому ученым важно оценить, как изменение климата в XXI веке скажется на продолжительности залегания снежного покрова и величине снегозапасов. Особенно это актуально для такой снежной страны, как Россия.
Физико-математическая модель SWAP разработана в лаборатории физики почвенных вод ИВП РАН. Она реализована в виде компьютерной программы на Фортране, которую можно использовать на любом компьютере, где установлена какая-либо версия этого языка.
«Снежный» блок модели описывает формирование снегозапасов на поверхности суши: как для низкой растительности, которая в зимнее время находится под слоем снега, так и для высокой, когда снежный покров формируется под пологом леса.
Для расчетов необходима следующая информация: суточные или срочные значения метеорологических характеристик (температура и влажность воздуха, приходящие потоки коротковолновой и длинноволновой радиации, скорость ветра, атмосферные осадки и давление воздуха), а также параметры подстилающей поверхности (почвы и растительного/снежного покрова). Точность расчета зависит от качества информационного обеспечения. Длительность расчета для одной площадки зависит от расчетного шага по времени, продолжительности расчетного периода и характеристик компьютера (для одной площадки расчет с суточным шагом по времени для 50-летнего периода занимает несколько секунд на компьютере среднего уровня). Результаты расчетов записываются в файл в текстовом формате, далее научный сотрудник может их самостоятельно обрабатывать (например, в Excel).
Заведующий лабораторией физики почвенных вод ИВП РАН, доктор биологических наук Евгений Гусев отметил, что модель SWAP уже принимала участие в ряде международных проектов и показала хорошие результаты. Одним из последних проектов стал ESM-SnowMIP. Здесь ученые проводили расчеты различных характеристик снежного покрова для 10 площадок (7 полевых и 3 лесных), на которых имелись многолетние наблюдения за метеорологическими характеристиками и характеристиками снежного покрова. Площадки расположены в разных странах и в различных природных условиях. Результаты модельных расчетов организаторы проекта сопоставляли с соответствующими данными наблюдений. Впоследствии результаты были опубликованы в трех коллективных статьях в международных журналах.
«Нам было очень приятно узнать, что наша модель SWAP оказалась в числе лучших. Это хорошо видно на рисунке (а), где модели расположены в порядке возрастания ошибки расчета снегозапасов. Чем левее расположена на графике модель, тем лучше ее результаты. SWAP по воспроизведению снегозапасов занимает третье место среди 26 моделей, принимавших участие в эксперименте», — отметила ведущий научный сотрудник ИВП РАН, соавтор модели SWAP Ольга Насонова.
Как пояснила ученая, названия моделей на рисунке не обозначены из этических соображений.
В настоящее время научный коллектив лаборатории работает над оценкой качества воспроизведения моделью SWAP динамики характеристик снежного покрова на полевых и лесных участках России. Для этого ученые используют данные снегомерных станций, на которых проводились наблюдения за состоянием снежного покрова. После этого можно будет перейти к прогностическим расчетам. Конечная цель работы — сценарное прогнозирование изменений характеристик снежного покрова на территории нашей страны до конца XXI века с учетом возможного изменения климата.
Модель SWAP разрабатывалась с середины 90-х при финансировании со стороны Академии наук, Российского научного фонда и Минобрнауки России.
Результаты опубликованы, в частности, в работе Scientific and Human Errors in a Snow Model Intercomparison DOI: 10.1175/BAMS-D-19-0329.1 и других.
