ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 6, с. 736-753
УДК 551.513:519.6
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АТМОСФЕРЫ И КРИОЛИТОЗОНЫ
© 2009 г. Е. Е. Мачульская*'**, В. Н. Лыкосов***
*Научно-исследовательский вычислительный центр МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991 Москва, Ленинские горы, стр. 4 E-mail: km@ufn.ru **Гидрометеорологический научно-исследовательский центр РФ 123242 Москва, Большой Предтеченский пер., 11-13 ***Институт вычислительной математики РАН 119333 Москва, ул. Губкина, 8 E-mail: lykossov@inm.ras.ru Поступила в редакцию 03.10.2008 г., после доработки 23.01.2009 г.
В работе с помощью одномерной модели тепловлагопереноса в почве и взаимодействия ее с атмосферой проведен анализ основных факторов, определяющих тепловой режим грунтов, характерный для холодных регионов. На основе численных экспериментов с глобальной моделью общей циркуляции атмосферы исследовано влияние этих факторов на состояние многолетней мерзлоты и современного климата в целом. Показано, что уменьшение коэффициента теплопроводности верхнего слоя почвы, который можно интерпретировать как слой неразложившихся растительных остатков и мха, приводит к значительному увеличению площади, занятой многолетней мерзлотой. Введение зависимости коэффициента теплопроводности от фазового состояния воды в грунте также увеличивает площадь, занятую многолетней мерзлотой, и уменьшает глубину слоя ее сезонного протаивания на этой территории. Установлено также, что чем больше относительное количество воды, которое может находиться в грунте в переохлажденном состоянии, тем выше его температура, больше глубина деятельного слоя и меньше площадь, занятая многолетнемерзлыми породами.
1. ВВЕДЕНИЕ
Криосфера, т.е. географическая оболочка Земли, включающая в себя все объекты, к которым имеет отношение вода в твердом состоянии, является одним из важнейших компонентов климатической системы. Ее влияние на приземные потоки тепла и влаги, облачность, осадки, атмосферную и океаническую циркуляции порождает различные следствия и обратные связи, играющие существенную роль в формировании климата, в том числе в его отклике на антропогенное воздействие. Крио-литозона как часть криосферы в пределах верхнего слоя земной коры (в частности, "вечная мерзлота") является одной из наиболее чувствительных компонент природной среды. Территория, занимаемая многолетнемерзлыми породами, составляет в настоящее время около четверти всей поверхности суши [1] и около 80% (включая области глубокого сезонного промерзания) в России [2]. Согласно модельным оценкам, именно высокие широты будут наиболее чувствительны к глобальному потеплению [3, 4], причем данные наблюдений свидетельствуют о том, что в настоящее время эти прогнозы уже оправдываются [5]. В результате климатических изменений следует ожидать сокращения пло-
щади, занятой многолетней мерзлотой [6], увеличения глубины сезонного оттаивания мерзлоты [7], а также увеличения площади таликов и исчезновение неглубокой мерзлоты в ряде районов [8], что, в свою очередь, повлияет на термические и гидрологические процессы на суше в этих и прилегающих районах. Таяние многолетней мерзлоты и повышение температуры верхних слоев почвы приведет к росту интенсивности разложения органических остатков и, как следствие, к повышению эмиссии диоксида углерода (или эмиссии метана) из почвы в атмосферу [9], что, в свою очередь, может усилить парниковый эффект. Последствия, которые может вызвать деградация вечной мерзлоты, чаще всего оцениваются как неблагоприятные или даже опасные для человека [10, 11].
Все вышесказанное обосновывает необходимость исследования взаимосвязей, существующих между криолитозоной и другими компонентами климатической системы, с тем чтобы выявить механизмы их взаимодействия и иметь возможность прогнозировать состояние многолетней мерзлоты в условиях меняющегося климата. Для этих целей можно использовать математические модели, которые в настоящее время существуют в довольно
большом количестве и по степени своей сложности иерархически упорядочены. Наиболее простым методом является построение различных мерзлотных индексов [12], связывающих параметры мерзлых грунтов (например, температуру на определенной глубине или глубину сезонного слоя протаивания) с атмосферными параметрами (среднегодовой температурой воздуха, суммой положительных температур, количеством осадков), которые берутся либо из данных наблюдений, либо рассчитываются по глобальным климатическим моделям. С помощью таких полуэмпирических соотношений можно определить южную границу распространения мно-голетнемерзлых пород [13]. Географические различия свойств почв и растительности могут вносить существенную неопределенность в результаты расчетов по этим соотношениям, но поскольку они нетребовательны к вычислительным ресурсам, то мерзлотные индексы можно рассматривать в качестве "первого приближения" при оценке динамики вечной мерзлоты.
Другим распространенным и перспективным методом является построение одномерных по вертикали математических моделей, основанных на различных балансовых соотношениях. Предложено большое количество аналитических решений уравнения теплопроводности (см. [14]), позволяющих рассчитать глубину слоя сезонного оттаивания, а также разработаны численные модели с упрощенным описанием термодинамических процессов, протекающих в мерзлых грунтах (например, [15]). Особый класс составляют модели, основанные на численном решении полных уравнений тепловлаго-переноса в почве (в частности, [16-18]) с учетом множества факторов, таких, например, как возможность существования воды в переохлажденном состоянии [19] и низкая теплопроводность мхов и растительных остатков, образующих верхний слой почвы [20, 21]. Этот подход стал весьма распространенным в последние годы, так как такие модели интересны и сами по себе, поскольку позволяют лучше понять механизмы тепловлагообмена в грунте, так и в качестве инструмента для глобальной диагностики состояния многолетней мерзлоты, например, в автономном режиме. При этом в качестве входной информации используются атмосферные параметры, полученные с помощью реанализа или в результате расчетов по моделям общей циркуляции атмосферы и совместным моделям атмосферы и океана в ходе экспериментов по воспроизведению современного климата или сценарных экспериментов по прогнозу климата на 21-е столетие (см., в частности, [22-26]).
Все вышеописанные подходы учитывают только одностороннее воздействие атмосферы на состояние многолетней мерзлоты, поскольку ее характе-
ристики рассчитываются диагностически. Как правило, обратное воздействие криосферы на атмосферу исследуется с помощью относительно простых моделей, которые не в состоянии поддерживать на протяжении длительного периода интегрирования стабильное существование модельной многолетней мерзлоты. Имеется лишь несколько работ, посвященных полному интерактивному моделированию климатической системы, при котором состояние многолетней мерзлоты не только диагностируется, но и, в свою очередь, оказывает влияние на атмосферу. Так, например, в статье [27] изучается влияние учета фазовых переходов воды в грунте на моделируемый современный и прогнозируемый климат, а в работе [28] исследовано влияние органического вещества в почве, обладающего свойствами, сильно отличающимися от свойств минерального скелета почвы (большая пористость, низкая теплопроводность и др.), на энергетический и гидрологический циклы в столбе почвы и в глобальной климатической системе. Подобных исследований к настоящему моменту проведено пока немного, однако именно они востребованы в качестве основного инструмента для корректного прогноза состояния криолитозоны в 21-м веке.
В настоящей работе представлены результаты расчетов с помощью модели общей циркуляции атмосферы Института вычислительной математики РАН, в которой ее атмосферная часть сопряжена с термодинамической моделью почвы, и, таким образом, воспроизводимый тепловой и влажностный режим модельной криолитозоны в полной мере реагирует на изменение атмосферных характеристик и сам оказывает воздействие на атмосферу. В частности, в данной работе изучаются факторы, ответственные за способность модели воспроизводить тепловой режим многолетнемерзлых почв и то обратное влияние, которое эти факторы оказывают на моделируемую климатическую систему. В данной статье в число таких факторов включены более высокая теплопроводность мерзлого грунта по сравнению с оттаявшим, низкая теплопроводность мохово-лишайникового покрова и существование воды в переохлажденном состоянии. Рассмотрены также некоторые дополнительные аспекты, обусловленные выбором глубины расчетной области для решения уравнений тепловлагопереноса в грунте. Работа построена следующим образом. Вначале с помощью одномерной модели тепловлагопереноса в почве и взаимодействия ее с атмосферой проводится анализ факторов, определяющих тепловой режим почв, характерный для холодных регионов (раздел 2). Затем на основе численных экспериментов с глобальной моделью общей циркуляции атмосферы в разделе 3 исследуется влияние этих факторов на состояние многолетней мерзлоты и воспро-
изведение современного климата в целом. В разделе 4 полученные результаты систематизированы в виде выводов.
2. ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ОДНОМЕРНОЙ
МОДЕЛЬЮ СИСТЕМЫ "ПОЧВА-СНЕГ-РАСТИТЕЛЬНОСТЬ-ПРИЗЕМНЫЙ СЛОЙ АТМОСФЕРЫ"
В работах [29, 30] представлены результаты ва-лидации одномерной модели деятельного слоя суши, разработанной в Институте вычислительной математики РАН. Для этого были использованы данные многолетних регулярных инструментальных наблюдений, проведенных на Валдайской научной станции и на различных метеостанциях Сибири (данные Валдайской станции были задействованы при проведении международного эксперимента по сравнению схем параметризаций подстилающей поверхности Р1ЬР8(2ф [31]). Показано, что модель хорошо воспроизводит межгодовую и межсезонную изменчивость температуры подстилающей поверхности и почвы на различных глубинах, а также высоты снежного покрова в разных климатических условиях. Ниже дано ее краткое описание.
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.