Лёд и Снег • 2012 • № 2 (118)
УДК 551.345
Климатические изменения и динамика многолетнемёрзлых грунтов на архипелаге Шпицберген
© 2012 г. Н.И. Осокин, А.В. Сосновский, П.Р. Накалов, Р.А. Чернов, И.И. Лаврентьев
Институт географии РАН, Москва osokinn@mail.ru
Статья принята к печати 8 декабря 2011 г.
Изменения климата, математическое моделирование, мерзлота, сезонное протаивание и промерзание, снежный и моховой покров, температура почвогрунтов.
Climate change, mathematical modeling, permafrost, seasonal freezing and thawing, snow and moss cover, soil temperature.
На Западном Шпицбергене, по данным метеостанции Баренцбург, средняя положительная температура воздуха в период 1985-201 1 гг. (с июня по сентябрь) увеличивалась на 0,02 °С/год, а с 2002 по 2011 г. она снижается на 0,03 °С/год. Средняя отрицательная температура воздуха (с октября по май) за указанные периоды росла с интенсивностью 0,09 и 0,20 °С/год соответственно. Сохраняется тенденция роста максимальной толщины снежного покрова. В 2007-2009 гг. она достигала 2 м, что ухудшило условия промерзания грунта. При максимальной толщине снежного покрова 0,5 м температура грунта на глубине 1 м достигает -6 °С, а при толщине 2 м составляет -1 °С. Летом нагреванию грунта препятствует моховой покров. При его толщине в 10 см глубина протаивания грунта снижается более чем на 80%. Зимой моховой покров существенно не влияет на промерзание и охлаждение грунта, так как коэффициент теплопроводности мха в зимний период соответствует коэффициенту теплопроводности снега плотностью более 400 кг/м3. Результаты математического моделирования и численных экспериментов показали, что при существующих метеорологических условиях и отсутствии мохового покрова возможно образование талика.
На температурный режим и глубину протаивания многолетнемёрзлых грунтов влияют как внешние факторы — метеопараметры и снежный покров, так и внутренние — влажность и теплофизические свойства этих грунтов. Задачи настоящего исследования — проанализировать изменчивость метеорологических условий (по данным метеостанции Баренцбург) и характеристик поверхностных покровов, а также оценить возможные вариации глубин промерзания и протаивания на архипелаге Шпицберген. Выполненные работы показали, что при отсутствии мохового покрова и наличии почти двухметрового слоя снега при существующем климатическом режиме температура грунта на глубине 1 м не опускается ниже -1,5 °С. При такой небольшой отрицательной температуре грунта даже в случае незначительных климатических изменений возможны образование таликов, снижение прочности грунта и потеря его устойчивости на склоне, что, в свою очередь, будет способствовать формированию оползней.
Динамика метеорологических параметров
Климатические условия на архипелаге Шпицберген характеризуются относительно небольшими колебаниями положительной температуры воздуха и частыми и существенными колебаниями отрицательной температуры. Для анализа динамики температуры воздуха по каждому году наблюдений была определена сумма положительных и отрицательных температур воздуха. По этим значениям устанавливалась среднесуточная температура
воздуха за периоды с положительной (четыре месяца) и отрицательной (восемь месяцев) температурой. Вклад положительных температур воздуха из-за оттепелей в холодное время года в сумму положительных температур составляет несколько процентов. Обработка данных по метеостанции Баренцбург позволила установить, что за 27-летний период (1985—2011 гг.) тренды описываются следующими зависимостями (рис. 1): для положительной температуры — Тт = 0,0215* - 38,723; Я2 = 0,1032; для отрицательной температуры — Т = 0,0926* - 193,86; Я2 = 0,1583, где Тл иТ — соответственно средняя температура воздуха за периоды с положительной и отрицательной температурой воздуха, °С; * изменяется от 1985 до 2011 г.; Я — коэффициент корреляции.
Тренды положительной и отрицательной температуры воздуха за 2002—2011 гг. описываются следующими зависимостями (* изменяется от 2002 до 2011 г.): Тл = -0,0297* + 63,976; Я2 = 0,0319; Т = 0,2021* - 413,49; Я2 = 0,1633.
Тренды средней положительной температуры воздуха показывают, что за последние 27 лет (1985—2011 гг.) рост температуры составил 0,58 °С, тогда как за последние десять лет (2002—2011 гг.) она понизилась на 0,3 °С. Рост средней отрицательной температуры воздуха (согласно трендам) за указанные периоды составляет 2,5 и 2,0 °С соответственно. Средняя положительная температура воз-
Средняя температура воздуха с 2002 по 2011 г.
Рис. 1. Средняя температура воздуха за периоды:
1 — с положительной температурой воздуха; 2 — за год; 3 — с
отрицательной температурой воздуха
Fig. 1. Average air temperature for the periods:
1 - with positive air temperature; 2 - annual; 3 - with negative air
temperature
Годы Средняя температура воздуха, °С
положительная отрицательная годовая
2002 5,0 -9,6 -4,1
2003 4,2 -9,1 -5,8
2004 4,2 -9,6 -4,4
2005 4,2 -8,1 -3,4
2006 4,8 -5,3 -2,3
2007 4,1 -6,9 -3,0
2008 3,8 -6,8 -3,8
2009 4,2 -8,8 -3,7
2010 3,6 -6,3 -4,1
2011 5,2 -8,9 -3,4
2001-2010 4,3 -7,8 -3,9
Рис. 2. Толщина снежного покрова (кривая) и тренд (пунктир) Fig. 2. The thickness of snow cover (a curve) and the trend (dotted)
духа за 1992-2001 гг. равна - 4,1 °С, а отрицательная -9,3 °С; для 2002-2011 гг. эти величины соответственно равны 4,3 и -7,9 °С. Средняя положительная температура воздуха за 2002-2011 гг. имеет небольшой отрицательный тренд -0,03 °С/год, а средняя отрицательная температура воздуха растёт с интенсивностью 0,20 °С/год.
Тренд среднегодовой температуры воздуха на Западном Шпицбергене свидетельствует о её росте с 1985 по 2011 г. с интенсивностью 0,11 °С/год. Для сравнения отметим, что на территории России наиболее высокие тренды температуры воздуха (до 0,08 °С/год) характерны для южных районов Сибири, а наиболее низкие (менее 0,03 °С/год) - для европейского Севера России, а также севера Средней и Восточной Сибири [1]. Согласно работе [5], пределы роста температуры воздуха на европейском Севере России с 1965 по 2005 г. составляют 0,018-0,050 °С/год. В работе [6] в результате статистической обработки данных по 75 метеостанциям за 1965— 2005 гг. получен тренд изменения среднегодовой температуры воздуха для европейского Севера России 0,026 °С/год. Сравнение с этими данными показывает,
что тренд среднегодовой температуры воздуха на архипелаге Шпицберген в несколько раз больше по сравнению с районами европейского Севера России.
Средние значения температуры воздуха за периоды с положительной и отрицательной температурами воздуха и среднегодовое значение за последние 10 лет даны в таблице, из которой видно, что в 2010 г. было наиболее холодное лето за последние десять лет. При этом температура холодного периода была выше средней за 10 лет на 1,5 °С. В холодный период года происходят частые оттепели, которые способствуют увеличению плотности снежного покрова.
Линейный тренд толщины снежного покрова на метеостанции Баренцбург с 1984 по 2011 г. показывает её снижение на 0,4 см/год (рис. 2). В 2007—2009 гг., согласно материалам этой метеостанции, снежный покров достигал максимальной толщины, равной 2 м. Динамика толщины снежного покрова с 2002 г. по 2011 г. задаётся трендом И = 2,9758х - 5796,2; Я2 = 0,1614. Он показывает рост толщины снежного покрова за последние десять лет на 3 см/год. Сдвиг времени установления снежного покрова относительно перехода среднесуточной температуры воздуха через 0 °С изменяется от 0 до 30 сут и составляет в среднем 11 сут.
Температура грунта по данным измерений
Считается, что субаэральные многолетнемёрзлые породы занимают на архипелаге Шпицберген около 40% площади. При этом геокриологические условия архипелага изучены недостаточно [2]. Сотрудники отдела гляциологии Института географии РАН на протяжении ряда лет проводят мониторинг температурного режима сезонноталого слоя и динамики его толщины на разных абсолютных высотах. Температуру талого грунта до уровня распространения многолетней мерзлоты измеряют в скважинах с шагом 20 см. Для пробивки скважин в грунте используют металлический щуп. После измерения температуры установившегося режима глубина скважины увеличивается. Ландшафт местности позволяет
Рис. 3. Температура грунта зимой 2007—2008 гг. при максимальной толщине снежного покрова до 0,5 м (а) и 2 м (б) на глубине 0 м (1) и 1 м (2)
Fig. 3. Soil temperature in the winter of 2007—2008 with a maximum snow thickness up to 0.5 m (a) and 2 m (б) at depths of 0 m (1) and 1 m (2)
практически одновременно измерять температурный режим с перепадом высот от 70 до 360 м над ур. моря.
В конце летнего периода в случае похолоданий температурный режим в верхней части грунта становится неустойчивым, поэтому для получения трендов, показывающих глубину протаивания и уровень залегания многолетней мерзлоты, рассматривалась температура грунта на глубине более 0,5 м. Установлено, что на высотах 70 и 90 м над ур. моря глубина протаивания грунта достигает 2,7 и 1,6 м соответственно. Это обусловлено тем, что на высоте 70 м в месте измерений толщина плотного мха печёночника составляла 2—3 см и он не препятствовал протаиванию грунта. На высоте 90 м толщина мха была порядка 5 см и он был менее теплопроводен. Температура грунта на глубине 20 см в первой половине августа 2010 г. (высота 70 м над ур. моря) составляла 7 °С и изменялась практически линейно по глубине до 0 °С на верхней кровле многолетней мерзлоты. На высоте 90 м над ур. моря температура грунта на глубине 20 см была около 5 °С, что обусловлено, в частности, наличием мохового покрова.
Серия измерений температуры грунта выполнена с помощью термохрон, которые помещали на один год в грунт на глубину до 1 м. Запись температуры грунта велась с шагом 4 ч. Результаты измерений, выполненных на разных высотах над уровнем моря, показали, что при максимальной толщине снежного покрова 2 м
минимальная температура грунта на глубине 1 м составляет —1 °С (рис. 3, б), тогда как при толщине снега до 0,5 м температура достигает —6 °С (см. рис. 3, а). При этом темпе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.