Содержание к диссертации
Введение
1. Современные и ожидаемые в будущем изменения климата суб Лрктической области. 12
1.1. Методы прогноза климата и особенности их применения в суб-Арктических регионах. 12
1.2. Прямые и косвенные индикаторы изменения климата холодных регионов. 22
1.3. Прогноз температуры на основе анализа современных данных наблюдений. 38
1.4. Сравнение модельных и эмпирических прогнозов изменения климата для криолитозоны северного полушария и оценка точности. 44
2. Математическое моделирование вечной мерзлоты в условиях изменения климата. 49
2.1. Равновесные модели взаимодействия вечной мерзлоты и климата. 50
2.2. Динамическое моделирование взаимодействия вечной мерзлоты и климата. 55
2.3. Методика расчетов и оценка точности геокриологических моделей. 60
3. Прогноз изменения вечной мерзлоты и оценка геокриологических рисков для ландшафтов и инфраструктуры районов Крайнего Севера в условиях антропогенного потепления. 67
3.1. Геокриологические факторы влияния на ландшафты и инженерную инфраструктуру Крайнего Севера. 67
3.2. Изменение климата и вечная мерзлота: учет влияния растительности. 73
3.3. Изменение распространения вечной мерзлоты и глубины сезонного протаивания при потеплении. 79
3.4. Оценка геокриологических опасностей для природных ландшафтов и инженерной инфраструктуры районов Крайнего Севера. 94
Заключение и основные выводы. 98
- Прямые и косвенные индикаторы изменения климата холодных регионов.
- Динамическое моделирование взаимодействия вечной мерзлоты и климата.
- Изменение климата и вечная мерзлота: учет влияния растительности.
- Оценка геокриологических опасностей для природных ландшафтов и инженерной инфраструктуры районов Крайнего Севера.
Введение к работе
Около 67% территории современной России расположено в районах распространения многолетнемерзлых пород. К многолстнемерзлым породам, часто называемым вечной мерзлотой, относят слои грунта и горные породы, температура которых не поднимается выше О °С на протяжении двух или более последовательных лет. Все районы распространения многолетнемерзлых пород объединены понятием криолитозона. В криолитозоне имеется развитая инфраструкгура, значительная часть которой обслуживает нужды добывающей промышленности. Помимо протяженных транспортных магистралей, мостов, нефтепроводов, линий электропередач, взлетно-посадочных полос, морских и речных портов, в России, в отличие от других суб-Арктических государств, имеются крупные города (Якутск, Норильск, Воркута) и населенные пункты, построенные на вечной мерзлоте. Большинство сооружений в криолитозоне построены на свайных фундаментах, использующих в качестве основания мерзлый грунт.
Климатическое потепление вызывает деградацию вечной мерзлоты, под которой понимается совокупность процессов, приводящих к увеличению температуры мерзлого грунта, более глубокому сезонному протаиванию и сокращению площади распространения приповерхностных многолетнемерзлых пород (при этом в более глубоких слоях температура пород может еще длительное время оставаться отрицательной). Вместе с тем криолитозона, северные ландшафты и растительность обладают некоторой устойчивостью по отношению к воздействиям внешних факторов, и, в частности, климата. Имеющиеся в этой системе обратные связи частично компенсируют первоначальное воздействие, однако лишь до тех пор, пока его величина не превышает некоторого порогового значения. По достижении этого значения система теряет устойчивость и переходит в новое состояние.
Потеря устойчивости криолитозоны может иметь многие неблагоприятные социальные, экономические и экологические последствия. В ближайшие несколько десятилетий изменение климата может привести к уменьшению прочностных свойств многолетнемерзлых грунтов, что, в свою очередь, вызовет уменьшение несущей способности фундаментов и повреждение или же разрушение построенных на них сооружений. Деформации и аварии трубопроводов, проходящих через вечную мерзлоту, могут сопровождаться выбросами в окружающую среду нефтепродуктов. На неосвоенных участках криолитозоны могут развиваться деструктивные геоморфологические процессы, вызывая просадки грунта и значительно изменяя северные ландшафты. Возникающие при этом проблемы требуют незамедлительного и всестороннего изучения, поскольку они ставят под угрозу экологическую безопасность районов Крайнего Севера.
Предмет исследования. Предметом исследования данной диссертационной работы является устойчивость криолитозоны, ландшафтов и инженерной инфраструктуры Крайнего Севера в условиях глобального изменения климата.
История исследований. Исследования связи вечной мерзлоты и климата имеют достаточно длительную историю. Первые попытки описать распространение вечной мерзлоты были сделаны еще в конце 19 столетия, когда русский климатолог Г.И. Вильд теоретическим путем установил, что южная граница криолитозоны должна быть расположена вблизи изотермы средней годовой температуры воздуха -2 С (Вильд, 1882). Впоследствии эти работы были продолжены Л.А. Ячевским (Ячсвский, 1889), А. Хргианом (Хргиап, 1937), А.И. Воейковым (Воейков, 1949; Воейков, 1952) и другими исследователями, которые создали основы теории формирования вечномерзлых пород и их связи с климатом. Дальнейшие исследования, продолжающиеся до настоящего времени, были направлены на изучение истории формирования криолитозоны, на получение данных о распространении вечной мерзлоты, ее температуре, глубине залегания, глубине сезонного протаивания и на построение геокриологических карт.
В последние десятилетия в связи с происходящим изменением климата исследования вечной мерзлоты приобрели новую направленность. Важной общей задачей является изучение последствий антропогенного потепления для природной среды, экономики и социальной сферы. Такие исследования в первую очередь необходимы для разработки экономических и политических стратегий адаптации к предстоящему потеплению. Особую озабоченность вызывают неблагоприятные и катастрофические последствия, многие из которых требуют незамедлительных мер, направленных на их минимизацию. К такого рода последствиям можно отнести и обусловленную потеплением деградацию вечной мерзлоты. На Всемирной конференции по изменению климата, проходившей осенью 2003 года в Москве, была сформулирована позиция России, согласно которой требуется дальнейшее изучение последствий потепления, в особенности тех, которые непосредственно затрагивают национальные интересы страны. Подчеркивалось, что в силу географического положения России большая часть ее природных ресурсов находится в районах Крайнего Севера, и проблемы изучения вечной мерзлоты, поддержания расположенной на ней инфраструктуры и обеспечения экологической безопасности в условиях изменения климата следует относить к числу наиболее приоритетных научных задач.
Современное состояние исследований. Анализ данных наблюдений свидетельствует о продолжающемся увеличении средней глобальной температуры воздуха (Folland and Karl, 2001). По оценкам Международной Группы Экспертов по Изменению Климата (часто цитируемой по англоязычной аббревиатуре IPCC), рост глобальной температуры в 20 веке превысил ее изменения за последнюю тысячу лет и составил 0,6 °С; период с 1991 по 2000 год был самым теплым десятилетием, а 1998 год - самым теплым годом за полтора века наблюдений (Houghton et ai, 2001). Имеющиеся прогнозы свидетельствуют о возможности дальнейшего увеличения глобальной температуры воздуха на несколько градусов в течение 21 столетия. Конкретные оценки различаются между собой, однако большинство прогнозов по моделям теории климата предсказывают более сильное потепление высоких широт северного полушария по сравнению с другими регионами мира (Cubasch and Meehl, 2001). Аналогичный вывод следует и из анализа данных наблюдений (Анисимов и Белолуцкая, 2003; Анисимов и Поляков, 1999; Anisimov, 2001; Folland and Karl, 2001; Serrczee/a/.,2000).
Увеличение средней годовой температуры воздуха в арктических и субарктических регионах может превышать среднюю глобальную величину в 2-3 раза. По этой причине изучение последствий изменения климата в северных регионах несомненно относится к числу задач, решение которых возможно и необходимо уже в настоящее время. Предстоящее потепление приведет прежде всего к изменению природных ландшафтов и экосистем Крайнего Севера (Анисимов и др., 2003). Среди природных последствий потепления Арктики одним из наиболее важных можно считать воздействие на вечную мерзлоту. Многолетнемерзлые породы занимают в настоящее время приблизительно 24% площади суши в северном полушарии, что составляет около 22.8x10( км". Ослабление прочностных свойств вечной мерзлоты при потеплении и развитие деструктивных геокриологических процессов представляют серьезную угрозу для -сооружений, равно как и для населения районов Крайнего Севера. Несмотря на очевидную актуальность этой проблемы, многие ее аспекты требуют дальнейшего изучения.
На первый взгляд, качественная картина изменения вечной мерзлоты в условиях глобального потепления представляется достаточно ясной. Более высокая температура воздуха как в зимний, так и в летний период будет способствовать увеличению температуры мерзлых грунтов и более глубокому сезонному протаиваппю. На периферийных участках но достижении некоторой критической глубины протаивания произойдет отрыв мерзлых толщ от поверхности, вечная мерзлота перейдет в реликтовую форму, над ней образуется талый слой, толщина которого со временем будет увеличиваться, и над этим слоем возникнет слой сезонного промерзания. Аналогичные процессы могут иметь место не только вблизи южной границы, но и на отдельных участках в зонах прерывистого и даже сплошного распространения мпоголстнемерзлых пород, где местные условия способствуют глубокому сезонному протаиванию. В результате произойдет сокращение площади распространения приповерхностной вечной мерзлоты, часть ее перейдет в реликтовую форму, а там, где она сохранится, увеличится глубина сезонного протаивания. В ряде исследований были даны количественные оценки этих процессов (Анисимов, 1989; Анисимов и Скворцов, 1989; Гарагуля и Ершов, 2000; Гречищев, 1997; Молькентин и др., 2001) и на основании модельных расчетов построены геокриологические карты отдельных участков криолитозоны (Sazonova and Romanovsky, 2003; Stendel and Christensen, 2002), территории России (Анисимов, 1990; Лннсимов, 1994; Лнисимов и Нельсон. 1993; Величко и Нечаев, 1992; Малевский-Малевич и др., 2000; Малевский-Малевич и Надежина, 2002; Малевский-Малевич и др., 1999; Павлов, 1997; Anisimov. 1989; Malevsky-Malevich et al., 2001; Nelson and Anisimov, 1993) и всего северного полушария (Анисимов и Нельсон, 1997; Анисимов и Нельсон, 1998; Анисимов и др., 1999; Anisimov и Nelson, 1997; Anisimov ct al., 1997) для нескольких модельных прогнозов изменения климата.
Такой сценарий в общих чертах подтверждается имевшими место на протяжении 20 века регрессиями и трансгрессиями вечной мерзлоты, следовавшими с некоторым запозданием за периодами потепления ЗОх годов и похолодания 50х (Anisimov el al., 2002). Вместе с тем реальная картина может заметно отличаться от данной схемы за счет влияния снежного покрова, гидрологических и почвенных факторов, и в особенности растительности. Как известно, снег оказывает отепляющее воздействие, увеличивая температуру поверхности почвы и сглаживая резкие температурные колебания. Некоторое увеличение осадков, прогнозируемое в условиях будущего климата, может, таким образом, усилить первоначальный эффект потепления. Влияние гидрологических факторов на вечную мерзлоту более сложно. Вода и лсд проводят тепло лучше, чем сухая почва, поэтому увеличение влажности и льдистости почвы приводит к росту теплооборотов как в теплый, так и в холодный период года. Значительная часть тепла расходуется на фазовые переходы, и однозначную зависимость между влажностью почвы и глубиной сезонного протапвания установить сложно. Несомненно лишь, что улучшение условий инфильтрации и дренирования способствует увеличению глубины сезонного протаивания вечной мерзлоты. И, наконец, растительность, в особенности низший мохово-лишайниковый слой, по-видимому, играет наибольшую роль в регуляции взаимодействия изменяющегося климата и вечной мерзлоты, являясь мощным теплоизолятором, свойства которого меняются в течение года.
Существующие модели вечной мерзлоты упрощенно учитывают влияние перечисленных выше факторов. В ряде случаев, как, например, это имеет место для растительного покрова, не учитываются их изменения в процессе потепления. Это является одной из возможных причин имеющихся в настоящее время достаточно значительных расхождений между результатами модельных расчетов обусловленной изменением климата динамики вечной мерзлоты и данными ее мониторинга.
Цель диссертационной работы. Целью диссертации является разработка методологии оценки природных опасностей, связанных с деградацией многолетнемерзлых грунтов, и построение на ее основе прогностических карт, характеризующих геокриологические риски для природных ландшафтов и инфраструктуры в области распространения вечной мерзлоты.
Для достижения данной цели были решены следующие конкретные задачи, разработан метод оценки достоверности теоретических прогнозов климата для суб-Арктической области, основанный на построении эмпирической регрессионной модели и региональном сравнении получаемых с ее помощью результатов с расчетами по моделям общей циркуляции атмосферы и океана; разработаны блоки динамической и стационарной моделей, учитывающие влияние изменения растительности на термический режим вечной мерзлоты и на снегонакопление в процессе потепления;
созданы базы климатических, почвенных и растительных данных, необходимые для проведения расчетов по моделям вечной мерзлоты в масштабе криолитозоны Северного полушария;
построены сценарии изменения растительного покрова в Арктике, соответствующие модельным сценариям изменения климата; получены прогнозы изменения площади распространения и глубины сезонного протаивания вечной мерзлоты для интервалов времени вблизи 2030, 2050 и 2080гг. по нескольким климатическим сценариям с учетом изменений растительности;
разработан метод прогноза геокриологических опасностей, связанных с деградацией вечной мерзлоты, основанный на расчетном индексе; построены прогностические карты геокриологических опасностей для природных ландшафтов и для инфраструктуры районов распространения вечной мерзлоты в условиях изменения климата.
Личный вклад автора диссертации в решение перечисленных задач состоял в сборе и анализе данных, разработке теоретической концепции и программных алгоритмов реализации эмпирической модели климата, моделей вечной мерзлоты и метода оценки геокриологических опасностей, в построении сценариев изменения растительности Арктики, в проведении расчетов по моделям и построении прогностических карт, в написании (совместно со своим научным руководителем) научных статей и подготовке докладов на Российских и международных конференциях.
Методы исследования. Перечисленные задачи решаются с использованием метода регрессионного анализа, на основе которого строится эмпирическая модель климата, метода математического моделирования и технологий Геоинформационных систем (ГИС). Отбор имеющихся теоретических прогнозов изменения климата осуществляется путем их сравнения с независимыми оценками, полученными но регрессионной эмпирической модели климата. ГИС-технологии используются для географической привязки различного рода данных, для пространственного обобщения результатов расчетов и для построения прогностических карт.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из трех глав, введения и заключения, содержит 24 рисунка и 7 таблиц, список цитируемой литературы состоит из 137 наименований.
В первой главе обсуждается вопрос о достоверности результатов расчетов по моделям общей циркуляции атмосферы и океана, в особенности для области севернее 60° широты, и излагаются принципы построения эмпирической модели климата. Различные прогнозы климата, полученные путем расчетов по теоретическим моделям, сравниваются с прогнозом, построенным автором на основании анализа длительных рядов измерений температуры воздуха на глобальной сети метеостанций. В результате такого сравнения автором обосновывается выбор прогнозов изменения климата по пяти различным теоретическим моделям, которые в наибольшей степени соответствуют современным климатическим изменениям, наблюдаемым в суб-Арктической области.
Вторая глава диссертации посвящена описанию математических моделей, на основе которых можно рассчитать параметры вечной мерзлоты, такие как температура и глубина сезонного протаивания,- в условиях современного и будущего климата. Эти два параметра представляют наибольший интерес. Они определяют интенсивность многих геоморфологических процессов и прочностные свойства мерзлых грунтов, а следовательно, устойчивость северных ландшафтов и инженерных сооружений на вечной мерзлоте в условиях изменения климата.
13 третьей главе проводится сравнение прогнозов распространения многолетнемерзлых пород и глубины сезонного протаивания по континентам северного полушария для нескольких сценариев климата будущего; рассматриваются последовательные этапы сокращения площади распространения приповерхностной вечной мерзлоты для временных срезов вблизи 2030, 2050 и 2080 годов. Отдельный раздел посвящен роли неклиматических факторов, регулирующих (ограничивающих пли же усиливающих) влияние изменения климата на вечную мерзлоту, важнейшим среди которых является растительный покров. В расчетах по моделям вечной мерзлоты впервые учитываются изменения растительного покрова в процессе потепления и обусловленные этим изменения теплоизолирующего воздействия на вечную мерзлоту самого покрова, а также снега, накопление которого зависит от высоты растительности. Рассматривается разработанная автором методика оценки природных опасностей, связанных с деградацией вечной мерзлоты. Обсуждается ее применение для оценки устойчивости ландшафтов и инженерной инфраструктуры в районах распространения вечной мерзлоты при ослаблении ее прочностных свойств в условиях антропогенного потепления. Данная методика применяется для расчета прогностических карт, характеризующих степень геокриологических рисков для природных ландшафтов Крайнего Севера и инфраструктуры.
Заключительная часть содержит выводы по результатам диссертации.
На защиту выносятся следующие теоретические положения.
Метод оценки адекватности теоретических прогнозов изменения климата для отдельных регионов и широтных зон, основанный на построении регрессионной модели по данным длительных измерений температуры воздуха и сравнении получаемых с ее помощью результатов с расчетами по моделям теории климата.
Динамическая и стационарная математические модели вечной мерзлоты, учитывающие обратные связи в системе атмосфера - снег - растительный покров -многолетнемерзлый грунт в регуляции воздействия изменения климата на термический режим и глубину сезонного протаивания мерзлых грунтов.
Метод прогноза природных опасностей, связанных с деградацией вечной мерзлоты, основанный на расчетном индексе.
Прогностические карты геокриологических опасностей для природных ландшафтов и инфраструктуры районов распространения вечной мерзлоты . для середины 21 века.
Благодарности. Автор выражает признательность своему научному руководителю, д.г.н. О.А. Анисимову, за постоянное внимание к работе, ценные замечания и консультации, сотрудникам и коллегам из отдела исследования изменений климата Государственного гидрологического института и географического факультета Университета штата Делавер, США, за предоставление архивов климатических данных, необходимых для проведения расчетов. Особую благодарность автор выражает В.Ю. Полякову за его помощь в обьединеиии алгоритмов моделей вечной мерзлоты и баз климатических, почвенных, растительных и мерзлотных данных в единую информационно - вычислительную систему ГеоИнф, работа с которой значительно облегчает и ускоряет проведение расчетов и решение отдельных научных задач. Различные этапы данной работы выполнялись при поддержке Фонда гражданских исследований и развития США (проект RG1-2075, 2000-2001) и Национального Научного Фонда Нидерландов (NWO, проект 047.011.2001.003).
Прямые и косвенные индикаторы изменения климата холодных регионов.
Для выяснения вопроса о вековых изменениях климата в отдельных регионах можно обратиться к данным измерений температуры воздуха на сети метеостанций. В настоящее время имеются несколько репрезентативных глобальных архивов температуры воздуха с месячным разрешением. Одним из наиболее полных является архив Национального климатического центра США, разработанный Т.Петерсоном и Р.Возе (GHCN) (Peterson and Vose, 1997). Этот архив содержит данные более 7000 метеостанций за период наблюдений порядка 100 лет, достаточно хорошо документирован и неоднократно подвергался доработкам с целью контроля и улучшения качества данных (Peterson et ai, 1998). Недостатками этого архива является то, что каждая станция имеет свой период наблюдений, не все ряды являются однородными и имеется достаточно большое количество пропусков в данных. С учетом этих обстоятельств было выбрано около 700 репрезентативных станций с периодом однородных наблюдений не менее 100 лет, на основе которых были рассчитаны вековые изменения температуры воздуха для 30-градусных широтных зон в северном полушарии. Показанные на рисунке 1.3 отклонения средней годовой температуры воздуха от нормы за период 1951-1975 г. свидетельствуют о том, что вековые изменения были наибольшими в области, расположенной к северу от 60 широты.
Обращает на себя внимание и то, что в этой области современное потепление началось уже в середине 60-х годов, т.е. почти на десятилетие раньше, чем в умеренных и низких широтах. Представляет интерес вопрос о том, вызвано ли современное потепление антропогенными факторами (Анисимов // др., 2003). В качестве альтернативных гипотез можно рассматривать влияние естественных периодичностей, имеющих различную природу, от изменения параметров планетарной орбиты и цикличности в интенсивности приходящего солнечного излучения, до частоты извержения вулканов (Борзенкова и Брук, 1989) и различного рода крупномасштабных осцилляции барического поля, таких как Эль-Ниньо, Северо-атлантическое и Арктическое колебание, способных вызвать длительные изменения температуры воздуха континентального масштаба (Груза и др., 1999). Такие периодические процессы оказывают влияние на климатическую систему, при этом в результате их воздействия как региональная, так и глобальная температура может в течение некоторого времени изменяться на несколько десятых долей градуса, которые и принимают за пределы естественной изменчивости.
Поскольку произошедшее с начала 20 века потепление имеет сопоставимый порядок величины, требуются независимые свидетельства того, что оно было обусловлено не только естественной изменчивостью, по и действием непериодических факторов. Простейший способ состоит в осреднении глобальной температуры воздуха за интервалы времени порядка одного или нескольких десятилетий. Это позволяет исключить влияние многих естественных периодичностей, полный цикл которых меньше интервала осреднения. Результаты такого осреднения, свидетельствующие о наличии тренда изменения температуры воздуха в 20 веке, хорошо известны (Анисимов и др., 1999; Анисимов и Поляков, 1999; Ефимова и Строкина, 1998; Anisimov, 2001). Значительно больший интерес представляет анализ региональных трендов, для выявления которых также можно использовать метод последовательного осреднения по десятилетиям. Для проведения таких расчетов была использована выборка из 1862 станций с однородными наблюдениями из архива среднемесячных температур GHCN. Были рассчитаны отклонения средней годовой, зимней и летней температуры воздуха от нормы, за которую принимались соответствующие средние значения за период 1951-1975 годы. Результаты таких расчетов показаны на рисунке 1.4.
Они свидетельствуют о том, что современное изменение климата имеет сложную региональную структуру, в которой, тем не менее, можно выделить устойчивые закономерности, прослеживаемые на протяжении последних тридцати лет. Прежде всего, обращает на себя внимание то, что картина современного потепления мало связана с широтной зональностью, и скорее характеризуется наличием сильных меридиональных градиентов с двумя ярко выраженными максимумами, расположенными в центральной Азии и на северо-западе Америки. В пределах северной широтной зоны на протяжении большей части года аномалии температуры воздуха различались не только по величине, но и по знаку. Так, на северо-востоке Канады и в западной части северной Атлантики происходило небольшое понижение температуры, которое продолжается и в настоящее время, главным образом в зимний период. Изменения на севере Европы и в Скандинавии за последние три десятилетия были невелики, в то время как потепление в Сибири и на Аляске было наиболее сильным. Данные по отдельным станциям, расположенным в этой зоне, свидетельствуют о том, что региональные тренды среднегодовой температуры воздуха за прошедшее столетие достигали 5С/100 лет. Недостаточное число пунктов наблюдений не позволяет сделать какие-либо определенные выводы об изменении климата в южном полушарии. В северном полушарии основные закономерности наблюдавшихся с середины 70-х годов изменений температуры воздуха таковы (Анисимов и Белолуцкая, 2003). Евразия. Наиболее заметным и устойчивым было потепление в Сибири, которое прослеживалось во все сезоны. За три десятилетия оно достигло юго-восточной Азии и европейской части континента. В восточной Европе и в Скандинавии потепление было не столь ярко выраженным, но устойчивым на протяжении всего рассматриваемого периода. В западной Европе изменения малы, при этом на юге и в Средиземноморье по данным отдельных станций имеется тенденция к небольшому похолоданию в течение всего года. Северная Америка. Данные свидетельствуют об устойчивом продолжающемся увеличении средней годовой температуры воздуха на Аляске и в центральной Канаде, которое к концу 20 столетия охватило все западное побережье США. Примечательно, что в зимний период изменения имели волнообразный характер с максимумом в 80-х и первой половине 90-х годов. В центральной и восточной частях континента колебания температуры были незначительны.
Некоторое зимнее похолодание вдоль всего восточного побережья, обнаруженное в 80-е годы, в последующий период прослеживается лишь в северной его части.Полученные результаты свидетельствуют о том, что над континентальной частью Сибири и, в меньшей степени, на Аляске тенденции изменения температуры воздуха достаточно устойчивы на протяжении трех десятилетий. В то же время во многих других регионах изменения температуры имеют более сложный характер, и зачастую невелики, что затрудняет их выявление. Таким образом, для выяснения вопроса об устойчивости и обусловленности наблюдаемых региональных изменений климата в большинстве случаев недостаточно лишь простого сравнения осредиенных за десятилетие значений температуры. Влияние, оказываемое на климат природными периодическими процессами, сложная региональная структура изменения температуры воздуха, а также недостаток данных в ряде труднодоступных регионов затрудняют выявления сигнала, связанного с глобальным антропогенным потеплением, на основе данных только лишь прямых измерений. Естественное расширение таких эмпирических исследований состоит в том, чтобы рассматривать совокупность природных процессов и явлений, обладающих большой инерционностью по отношению к изменениям климата, и таким образом, сглаживающих его периодические колебания. Обобщение комплекса косвенных индикаторов дает возможность изучать изменения климата на основе независимых наблюдений, которые включают в себя набор параметров, отличных от измеряемых на сети метеостанций. - Усилившееся-п конце 20 века глобальное потепление.совпало и во многом обусловило современные крупномасштабные изменения природной среды. Большие изменения произошли в высоких широтах северного полушария и проявились в сокращении площади многих горных ледников, снежного покрова, изменении дат ледостава и вскрытия рек, деградации вечной мерзлоты, уменьшении деловитости северных морей, сокращении площади и уменьшении толщины льдов Арктического океана. В наибольшей степени они затронули криосферу (Анисимов и др., 2003; Serrezee/a/.,2000).
Динамическое моделирование взаимодействия вечной мерзлоты и климата.
Динамическая модель имеет значительно более сложную структуру. Ее основу составляют два блока, обеспечивающие совместное решение уравнения энергетического баланса подстилающей поверхности, уравнения переноса тепла в слое снега и почве, и уравнения баланса влаги. В первом из них, который можно назвать гидрометеорологическим, на каждом временном шаге рассчитывается равновесная температура дневной поверхности, иод которой понимается поверхность снега или же при его отсутствии поверхность почвы. В этом блоке также рассчитывается текущее значение влажности почвы, которое затем используется для уточнения значений ее основных теплофизических характеристик по полуэмпирическим соотношениям, предложенным А.В. Павловым (Павлов, 1979). Во втором блоке решается задача переноса тепла в многослойной среде с меняющимися по глубине тсплофизическими параметрами и подвижными фазовыми фронтами. В общем случае это среда, состоящая из снежного покрова, растительности, органического слоя и двух слоев мерзлой почвы, между которыми расположен протаявший слой. В этом блоке на каждом временном шаге рассчитывается вертикальный профиль температуры и глубина фронтов фазовых переходов, или, иными словами, глубина протаивания или промерзания и мощность талого слоя, если таковой образовался в предшествующие годы. Основу гидрометеорологического блока составляют уравнения теплового и водного баланса. Уравнение теплового баланса имеет вид: В этом уравнении z. - положение границы раздела фаз с номером j; X и X м - коэффициенты теплопроводности талой и мерзлой почвы. Уравнение отражает тот факт, что скорость движения границы раздела фаз пропорциональна разности потоков тепла в талом и мерзлом слое и обратно пропорциональна затрачиваемому теплу фазового перехода.
При проведении расчетов предполагается, что зимой льдистость почвы остается неизменной. Весной, когда за счет положительного радиационного баланса расчетная равновесная температура дневной поверхности становится положительной, начинается расчет снеготаяния, который осуществляется по следующей схеме. Временной шаг модели принудительно уменьшается до одних суток (обычно в зимний период достаточно задавать шаг по времени 10 дней). Температура дневной поверхности задастся равной нулю, и рассчитывается невязка уравнения теплового баланса. Полученная величина рассматривается как энергия, которая затрачивается на нагревание снежного покрова до нуля и на таяние снега, таким образом рассчитывается дневное снеготаяние. Принимается, что образующаяся при этом влага просачивается в верхний 10-ти сантиметровый слой почвы, где замерзает, увеличивая ее льдистость, или стекает, в случае если льдистость верхнего слоя почвы уже равна максимальной для данного типа почвы. Расчет продолжается до тех пор, пока весь снег не растает, после чего модель переходит в режим формирования сезониоталого слоя почвы.
Особенностью режима формирования сезониоталого слоя почвы является то, что в почвенном влагообменс участвует лишь доступная влага в протаявшем к данному дню слою почвы, что отличает данную модель от ее аналогов (Малевский-Малевич и др., 2000; Малевский-Малевич и Надежина, 2002; Малевский-Малевпч и др., 1999; Goodrich, 1978; Hinzman et ai, 1998; Waelbroeck, 1993), которые сразу после начала протаивания предполагают возможность влагообмена в верхнем метровом слое почвы. В результате модель более адекватно описывает динамику почвенного влагообмена, и теплофизические характеристики почвы, зависящие от се влагосодержания, определяются с большей точностью.
Главной особенностью методики проведения прогностических расчетов по равновесной и динамической геокриологическим моделям является обобщение входных данных и адаптация самих моделей к пространственному масштабу, соответствующему рассматриваемой задаче. Данная работа использует методику организации геокриологических расчетов, основанную па принципе иерархии природных геосистем, согласно которому крупные геосистемы, такие как ландшафты и местности, разделяются на более мелкие - урочища и фации, которые характеризуются значительной однородностью слагающих их компонентов, в частности, растительности, литологического строения грунтов, определяющих их способность к промерзанию и протаиванию, и однородностью локальных климатических условий. Геокриологические расчеты первоначально проводятся для таких элементарных геосистем, и затем обобщаются в процессе составления карт, обьединяющих информацию по большому числу таких элементов. Строгое применение такого подхода предполагает выделение элементарных геосистем исходя из признаков однородности слагающих их компонентов, однако такая классификация, охватывающая все необходимые для геокриологических оценок компоненты, для всего северного полушария в настоящее время не разработана. В данном исследовании пространственное разбиение имеет вид регулярной сетки с достаточно мелким шагом, 0,5 градуса по широте и долготе, что даст основания предполагать однородность геосистемных компонентов в большинстве ячеек пространственной сетки. Выбор такого пространственного разбиения во многом обусловлен наличием глобальной базы данных, содержащей многолетние нормы основных климатических переменных, данные о текстуре почвы и растительности (Global Ecosystems Database, 1992). Наличие таких данных, приведенных к единой сетке с высоким пространственным разрешением, позволяет провести идентификацию большинства входных параметров равновесных геокриологических моделей и создает предпосылки проведения расчетов для северного полушария и Земли в целом. Собственно расчет и построение на его основе прогностических геокриологических карт производится в соответствии с принципами построения растровых изображений в современных геоинформационных система. Модель последовательно применяется для каждой из элементарных ячеек размером 0,5 градуса по шпроте и долготе, покрывающих рассматриваемую территорию. В данной работе в качестве таковой использовалась вся область распространения вечной мерзлоты Северного полушария.
Изменение климата и вечная мерзлота: учет влияния растительности.
Совершенствование моделей и появление новых данных наблюдений в последнее десятилетие позволили значительно улучшить качество прогнозов изменения вечной мерзлоты в условиях будущего климата. Вместе с тем существуют принципиальные ограничения точности и уровня пространственно-временной детализации геокриологических прогнозов, связанные с неопределенностью исходных климатических данных и параметров моделей, описывающих влияние неклиматических факторов. Так, указанные в таблице 3.1 интервалы оценок расчетных параметров обусловлены неопределенностью прогнозов будущего климата. Среди неклиматических факторов наибольшую неопределенность создают льдистость грунта, которая часто не поддается надежной оценке, и растительность в силу того, что она сама может заметно изменяться под воздействием потепления. Этот вывод согласуется с результатами исследования, в котором на примере расчетов с использованием данных мерзлотного стационара Маррс-Сале сравнивалось воздействие на глубину сезонного протаивания температуры воздуха, высоты снежного покрова и толщины мохово-лишайникового (органического) слоя (Лписимов и др., 1999). Было показано, что в условиях Марре-Сале уменьшение толщины органического слоя с 10 см до 5 см эквивалентно увеличению средней годовой температуры воздуха на 2 С.
Существуют большие пробелы в понимании обратных связей в системе сезонно талый слой - растительность при изменении климата. Хотя значительная часть наблюдаемых изменений мощности сезонно-талого слоя может быть объяснена влиянием климата, остается не выясненной роль неклиматических факторов. Так, оставаясь в рамках концепции преобладающего влияния климата на изменение глубины сезонного протаивания, не удается дать удовлетворительную интерпретацию данных мерзлотных съемок в ряде областей криолитозопы (Brown ct al., 2000). В качестве примера можно привести хорошо изученный район Барроу (Аляска), находящийся в области сплошного распространения многолетнемерзлых пород. В середине 1960х и в 1990х годах там проводились детальные измерения мерзлотных и климатических характеристик. Несмотря на увеличение средней за десятилетие температуры воздуха за 30 лет почти на 2 С, глубина протаивания на многих участках уменьшилась (Nelson et al, 1998). Одно из наиболее ясных объяснений этого связано с растительностью. Обусловленное климатом изменение растительного покрова может как усилить, так и смягчить прямое влияние потепления на сезонно-талый слой, а в некоторых случаях даже изменить вектор этих изменений (Walker et al, 1998).
Прогностические оценки отклика растительного покрова на глобальное потепление часто основаны на предположении, что экосистема находится в равновесии с современным климатом и что реакцией растительного покрова будет простое широтное и высотное перемещение зон растительности (Sykes et al, 1996). Отмечены изменения границы тундры-, которая смещается к северу в среднем па 100 км при увеличении среднегодовой температуры воздуха на 1 С, и на ее место продвигаются леса. Но уже сегодня ясно, что биомы не будут просто перемещаться в северном направлении при глобальном потеплении, а напротив, ожидается специфическая сукцессия растительности при сочетании как аборигенных видов, так и видов внедряющихся с юга. Одним из важных результатов исследований, полученных в ходе Международного тундрового эксперимента (ГГЕХ) является то, что функциональные типы растений реагируют на экспериментальное потепление сходным образом как в отношении вегетативного роста, так и по фенологии (Molau and Alatalo, 1998). В отношении взаимодействия вечной мерзлоты и растительности наиболее важным является снижение роли мохообразных в растительном покрове, являющихся ключевым тином в формировании термоизолирующих свойств органического слоя над вечной мерзлотой (Chapin et al, 1995; Epstein et al, 2000).
Представляет интерес вопрос о том, каковы будут результаты прогностического моделирования вечной мерзлоты в случае если учесть в расчетах изменения растительного покрова. Для того чтобы задать реалистичный сценарий изменения растительности, необходимо оценить ее отклик на ожидаемое потепление. Для этого можно использовать данные, полученные в процессе натурного эксперимента, в ходе которого на протяжении длительного периода (на некоторых площадках более 15 лет) изучалась динамика растительности под воздействием искусственного нагревания в летний период (Cornelissen et al, 2001). Эксперимент проводился более чем на 10 мерзлотных площадках, расположенных на севере Швеции и на Аляске. В его ходе на экспериментальных площадках в течение теплого периода года поддерживалась температура воздуха на 2 - 4 С выше естественной. Проводилось сравнение динамики биомассы и видового состава тундровой растительности на экспериментальных и контрольных площадках, находящихся в естественных условиях. Помимо нагревания изучалось также воздействие обогащения почвы питательными элементами, такими как азот, калий, фосфор и магний. В целом условия эксперимента соответствовали изменениям природной среды, ожидаемым при климатическом потеплении к середине 21 века. Биомасса лишайников уменьшалась па всех площадках, подвергавшихся нагреванию, в то время как биомасса мхов на ряде площадок вначале несколько возрастала. Вместе с тем на обогреваемых площадках прослеживалась общая тенденция вытеснения мхов и лишайников сосудистыми растениями, такими как кустарник и древесные растения.
Данные этого эксперимента позволяют построить сценарий изменения растительности при увеличении температуры воздуха, предполагающий первоначальное увеличение биомассы (высоты и сомкнутости) растительного слоя, состоящего из мохово-лишайникового покрова и незначительные изменения видового состава. Затем, по достижении некоторой критической величины потепления, начинают преобладать процессы изменения видового состава, проявляющиеся в постепенном вытеснении и замещении мхов и лишайников сосудистыми растениями. На этом этапе имевший место ранее рост массы мхов и лишайников сменяется тенденцией ее уменьшения как за счет сомкнутости покрова, так и за счет высоты. В длительной перспективе система приближается к состоянию, при котором сомкнутость и толщина мохово-лишайникового слоя достаточно мала, и преобладают кустарничковыс и древесные растения. Для оценки влияния таких изменений растительности на вечную мерзлоту нами были проведены серии расчетов, в которых параметры органического слоя изменялись во времени в соответствии с указанным выше сценарием (Лнисимов и Белолуцкая, 2004). Было выделено четыре градации толщины органического слоя, 5, 10, 15 и 20 см. Предполагалось, что первоначально толщина мохового слоя равнялась 5 см для расчетных точек, относящихся к полярной пустыне, и 10 см для точек в арктической тундре. В прогностических расчетах первоначальная высота мха увеличивалась на 5 см с каждым градусом потепления в данной точке. По достижении 20 см высота мха начинала уменьшаться с такой же скоростью, при этом предполагалось, что мох вытесняется кустарником.
Предполагалось также, что указанные выше изменения растительности сопровождались изменениями снежного покрова, которые рассчитывались но следующей схеме. В случае, когда толщина органического слоя не превышала 10 см, высота снежного покрова принималась равной базовому значению, определяемому уравнением (2.3). При увеличении толщины органического слоя до 20 см высота снега задавалась на 10% больше базового значения, что соответствовало большей снегоудерживающей способности такого покрова. В случае же замещения мохово-лишайииковой растительности кустарниками, обладающими свойством задерживать и накапливать снег в процессе ветрового переноса, высота снега задавалась на 20% большей базового значения, при условии, что в среднем за зиму она не превышала характерной высоты кустарников (0,3 м для северной тундры и 0,5 м для южной тундры). Несмотря на очевидную условность такого сценария, он позволяет оценить порядок величины воздействия, оказываемого изменением растительности и связанных с этим изменений снежного покрова на вечную мерзлоту, а главное, сопоставить его с прямым воздействием увеличения температуры воздуха. Основные результаты расчетов таковы.
Оценка геокриологических опасностей для природных ландшафтов и инженерной инфраструктуры районов Крайнего Севера.
Можно предложить несколько различных методов, позволяющих предвидеть и в той или иной форме количественно оценивать влияние деградации вечной мерзлоты на существующую инфраструктуру. Очевидно, что они должны учитывать изменения основных параметров вечной мерзлоты в условиях прогнозируемого климата, в частности то, насколько они будут отличаться от начальных условий, заложенных в расчете конструкций. Для выявления областей, наиболее подверженных геокриологическим опасностям в связи с предстоящим изменением климата, и районирования территории России нами был разработан достаточно простой прогностический метод, основанный на применении расчетного индекса: U = ZnC, (3.1)
Здесь /,. - индекс природной геокриологической опасности, AZn - изменение глубины сезонного протаивания вечной мерзлоты, рассчитанное для заданного прогноза климата, и Ся. - процентное содержание льда в мерзлом грунте. Согласно (3.1), вероятность развития деструктивных геокриологических процессов приобретает наибольшую величину в случае когда мерзлый грунт содержит большое количество льда, и предстоящее изменение климата вызовет значительное увеличение глубины сезонного протаивания. В таких районах возможны осадки оттаивающего грунта за счет интенсивного термокарста. Изменение температуры грунта, которое является главным фактором, влияющим на его несущую способность, неявно учитывается при расчете изменения глубины протаивания.
При расчете индекса природной геокриологической опасности были использованы данные о процентном содержании льда в мерзлом грунте в узлах регулярной сетки с шагом 0.5 х 0.5 градуса. Эти данные представляют собой электронный вариант геокриологической карты Международной ассоциации мерзлотоведения (Brown et al., 1997). Необходимые для расчета индекса геокриологической опасности прогнозы изменения глубины сезонного протаивания вечной мерзлоты были получены при помощи стационарной геокриологической модели для нескольких сценариев изменения климата, результаты были рассмотрены в параграфе 3.3. На рисунке 3.9 показаны карты индекса природной геокриологической опасности для климатических условий середины 21 века, рассчитанные с использованием "среднего" климатического сценария GFDL, "максимального" сценария ЕСНАМ и наиболее консервативного сценария NCAR (рисунки а, б и в, соответственно). Весь диапазон изменения индекса разбит на три категории, которым соответствуют области с малой, средней и большой вероятностью развития деструктивных геоморфологических процессов, связанных с деградацией вечной мерзлоты. Карты на рисунке 3.9. заметно отличаются от широтно-зональных поскольку алгоритм расчета индекса природной геокриологической опасности учитывает орографию, растительность, и региональные особенности современного и прогнозируемого климата, а также неоднородное содержание льда в мерзлом грунте.
Природные ландшафты и инфраструктура районов Крайнего Севера обладают различной устойчивостью по отношению к изменениям климата. Существующая инфраструктура северных регионов адаптирована к современным мерзлотно-климатическим условиям. При оценке ее устойчивости целесообразно использовать несколько иной индекс, который можно назвать индексом геокриологического риска для инфраструктуры. От индекса природной геокриологической опасности он отличается лишь тем, что в формуле (3.1) изменение глубины протаивания выражено о долях от современной нормы. На рисунке 3.10 показана карта с распределением такого индекса, рассчитанного для середины 21 века по "среднему" сценарию GFDL. В области наибольших значений индекса геокриологического риска попадают Чукотка, бассейны верхнего течения Индигирки и Колымы, юго-восточная часть Якутии, значительная часть Западно-Сибирской равнины, побережье Карского моря, Новая Земля, а также часть островной мерзлоты на севере европейской территории. В этих районах имеется развитая инфраструктура, в частности газо- и нефтедобывающие комплексы, система трубопроводов Надым-Пур-Таз на северо-западе Сибири, Билибинская атомная станция и связанные с ней линии электропередач от Черского на Колыме до Певека на побережье Восточно-Сибирского моря. Деградация мерзлоты на побережье Карского моря может привести к значительному усилению береговой эрозии, за счет которой в настоящее время берег отступает ежегодно на 2-4 метра. Особую опасность представляет ослабление вечной мерзлоты на Новой Земле в зонах расположения хранилищ радиоактивных отходов. В то же время расчеты свидетельствуют о том, что на больших территориях Якутии и Западной Сибири запас надежности инженерных сооружений и построек па вечной мерзлоте, рассчитанных на эксплуатацию в современных климатических условиях, уменьшится незначительно. Геокриологические прогнозы позволяют заранее оценить риск возникновения аварийных ситуаций и принять необходимые меры для минимизации возможных негативных и катастрофических последствий. Изменения механических свойств грунта происходят в течение длительного времени и могут быть предсказаны. В инженерной геокриологии разработано большое число методов стабилизации фундаментов и оснований на вечномерзлых грунтах. Такие методы могут быть предложены как часть общей стратегии адаптации к предстоящим изменениям климата в северных регионах, направленной на минимизацию негативных последствий антропогенного потепления. Разработка конкретных рекомендаций применительно к отдельным районам и типам конструкций является одной из важных задач последующих исследований.
