УДК 551.583: 551.578.42 doi:10.15356/2076-6734-2015-2-60-68
О влиянии изменчивости параметров снежного покрова на промерзание грунта
© 2015 г. Н.И. Осокин, А.В. Сосновский, П.Р. Накалов
Институт географии РАН, Москва alexandr_sosnovskiy@mail.ru
On the influence of variability of snow cover parameters to the ground freezing
N.I. Osokin, A.V. Sosnovskiy, P.R. Nakalov
Institute of Geography, Russian Academy of Sciences, Moscow
Статья принята к печати 31 июля 2014 г.
Глубина промерзания грунта, толщина снежного покрова, температура грунта, термическое сопротивление снега, экстремальные значения.
Depth of soil freezing, extreme values, ground temperature, snow depth, thermal resistance of snow.
Глубина и скорость промерзания грунта определяются динамикой снегонакопления в первой половине холодного сезона. По данным маршрутных снегосъёмок на Европейской территории России и в Центральной Сибири рассмотрена динамика снегонакопления за два периода (1966-2000 и 2001-2010 гг.). Построены карты максимальных и минимальных значений отношения толщины снежного покрова в начальный период снегонакопления (до 1 января) к максимальной толщине снега за весь период холодного сезона. За последнее десятилетие (2001-2010) это отношение возросло на 10-20% в районах восточнее р. Лена, а на Европейской территории России и в бассейнах рек Обь и Енисей оно уменьшилось на 15-40%. Модельные расчёты показали, что различие в глубине промерзания грунта при разной динамике толщины снежного покрова может превышать 50%. Оценены внутригодовая изменчивость термического сопротивления снежного покрова и зависимость температуры грунта от толщины снежного покрова.
Depth and rate of the soil freezing are stronly determined by dynamics of snow accumulation during the first half of a cold season. Dynamics of snow accumulation over two periods (1966-2000 and 2001-2010) was analyzed using data of snow surveys performed on the European part of Russia and in basins of rivers Ob and Yenisei (Siberia). The ratio a of snow cover thickness measured for the first half of the cold season (untill January 1st) to the maximal thickness for the whole period is taken as a characteristic of the snow accumulation dynamics. Maps of the ratio a on the above areas had been constructed. During the last period (2001-2010) values of this ratio increased by 10-20% in regions to the East of the Lena river, and they decreased by 15-40% in the European part of Russia and in basins of rivers Ob and Yenisei. Model calculations did show that differences in the soil freezing depths under different conditions of the snow cover growth sometimes exceeded 50%. Interannual variability of the snow thermal resistance and the snow cover influence.
Введение
Толщина снежного покрова в значительной степени определяет возможную изменчивость глубины промерзания сезонно-мёрзло-го грунта и термический режим сезонно-талого грунта [1—3]. Наряду с изменением максимальной толщины снежного покрова, глубина промерзания грунта зависит также от внутригодо-вой динамики метеопараметров, в частности от динамики снегонакопления в первой половине холодного периода. Так, достаточно тонкий снежный покров в начале зимы и низкие температуры воздуха способствуют быстрому промерзанию грунта [9]. Поэтому к важным характеристикам относятся толщина снежного покрова в ноябре—декабре, когда в основном и происходит промерзание сезонно-талого слоя, и её соотношение с максимальной толщиной снежного покрова. В Центральной Якутии на фоне значительного повышения средней годовой температуры воздуха с 1975 по 2000 г. толщина снежного покрова уменьшилась, что существен-
но повысило устойчивость криолитозоны к потеплению климата [10].
Другой фактор, влияющий на термическое состояние почв и грунтов, — климатические изменения, при анализе которых мы будем рассматривать суммы положительных и отрицательных температур воздуха. По сравнению со средней температурой воздуха холодного периода эти суммы более адекватно описывают влияние климатических изменений на термический режим грунта. Так, при близких значениях средней отрицательной температуры холодного периода за 2001—2010 гг., равных соответственно -7,4 и -7,8 °С для гидрометеостанций (ГМС) Онега и Баренцбург (Шпицберген), суммы отрицательных температур составляют -1130 и -1910 °С [5], что обусловлено разной продолжительностью холодного периода.
Ещё один важный фактор, в значительной степени влияющий на изменчивость глубины промерзания сезонно-мёрзлого грунта и термический режим сезонно-талого грунта, — комбинация экстремальных параметров температуры
воздуха и толщины снежного покрова в начале холодного периода. Задачи наших исследований — анализ изменчивости динамики снегонакопления и температуры воздуха и оценка их влияния на глубину промерзания сезонно-мёрзлого грунта.
Оценка влияния экстремальной динамики снегонакопления и отрицательных температур воздуха на промерзание грунта
Мы рассматриваем влияние динамики снегонакопления и отрицательных температур воздуха на теплофизический режим приповерхностной части многолетнемёрзлых пород на основе математического моделирования. Распределение температуры в мёрзлом слое горной породы рассчитывалось с учётом зависимости её теплоёмкости и теплопроводности от температуры и фазового состава (влажность/льдистость). Движение границ мёрзлого и талого грунта определялось из условия Стефана. Деформация грунта и миграция влаги не учитывались. На верхней границе грунта (снежного покрова) задавалось условие теплообмена с атмосферой, а на нижней вводился геотермический поток тепла. Распределение температуры в снежном покрове описывается уравнением теплопроводности Фурье с переменными во времени теплофизически-ми параметрами снега. В мёрзлой и талой зонах распределение температуры описывается уравнениями теплопроводности и зависимостью соответствующих параметров грунта от его температуры и влажности. На контакте снег—грунт принимается граничное условие, задающее равенство температур и потоков тепла. На границе мёрзлого и талого грунта — границе промерзания — принимаются температура начала замерзания грунта и условие Стефана [4, 11].
Расчёты проводились для суглинка влажностью 25% и плотностью 1400 кг/м3. При решении задачи Стефана по уравнению теплопроводности Фурье с источником тепловыделения (за счёт замерзания части воды в промерзающей части грунта) определялись распределение температуры и тепловой поток на границе мёрзлого и талого грунта. Затем по уравнению Стефана рассчитывался очередной шаг по времени, в течение которого фронт промерзания перемещается в следующий узел пространственной сетки [12].
70 140 210
Сутки
Рис. 1. Динамика некоторых параметров:
а — толщина снега; б — отрицательная температура воздуха: при максимальной толщине снежного покрова на 70-е сутки (1), на 140-е сутки (2), на 210-е сутки (3); при минимальной отрицательной температуре воздуха на 210-е сутки (4), на 140-е сутки (5), на 70-е сутки (6) Fig. 1. Dynamics of the parameters: a - snow depth; б - negative air temperature: with maximal snow depth on the 70th day (1), 140th day (2), 210th day (3); with minimal negative air temperature on the 210th day (4), 140th day (5), 70th day (6)
При расчётах приняты экстремальные варианты динамики температуры воздуха и толщины снежного покрова (рис. 1). При этом максимальные значения толщины снега, снегозапаса и термического сопротивления при разной динамике снегонакопления одинаковы. Эти варианты отличаются средними за холодный период значениями толщины, плотности и термического сопротивления снежного покрова. Расчёты проведены при разной динамике снегонакопления: при максимальной толщине снежного покрова, приходящейся на моменты времени 70, 140 и 210 суток (см. рис. 1, а), и минимальной отрицательной температуре воздуха -30 °С на те же моменты времени (см. рис. 1, б). При расчётах максимальная толщина снежного покрова принималась равной 90 и 45 см.
Средняя суточная температура холодного периода в рассмотренных случаях составля-
Таблица 1. Максимальная глубина промерзания грунта при разной толщине снежного покрова и динамике климати-
ческих параметров
Время (сутки), приходящееся на: Максимальная глубина промерзания грунта %тах, м Отношение максимальной глубины промерзания грунта £тах при разных значениях Ттт1-„ и тктах к значению велИЧИны %тах (тТт1п = 140 суг-.; ТИтах = 210 ^
минимальную температуру воздуха Тттп максимальную толщину снежного покрова тктах при толщине снежного покрова Ьтах, см
90 45 90 45
210 70 0,80 1,07 0,64 0,61
210 140 0,92 1,27 0,74 0,72
210 210 1,08 1,54 0,87 0,88
140 70 0,89 1,17 0,71 0,66
140 140 1,06 1,45 0,85 0,82
140 210 1,25 1,76 1 1
70 70 0,97 1,27 0,78 0,72
70 140 1,20 1,64 0,96 0,93
70 210 1,42 1,98 1,14 1,13
ла около -15 °С. Продолжительность холодного периода принималась равной 210 суткам. Результаты расчётов при разной динамике снегонакопления и температуре воздуха представлены в табл. 1. При минимальной температуре воздуха на момент времени тТтЫ = 140 (70)-е сутки и естественном ходе снегонакопления, когда максимальное значение толщины снежного покрова Нтах = 90 см приходится на конец зимы (т,тах = 210 сут.), максимальная глубина промерзания составит £тах = 1,25 (1,42) м. При экстремальной динамике снегонакопления (при выпадении основной части твёрдых осадков в первой половине зимы — тНтах = 70 сут.) величины £тах составят 0,89 (0,97) м. Отличие в глубине промерзания при разной динамике снегонакопления будет равно порядка 40 (47)%.
При естественном распределении температуры воздуха (т ТтЫ = 140 сут.) и наибольшей толщине снежного покрова в конце холодного периода глубина промерзания для снежного покрова толщиной 90 и 45 см равнялась 1,25 и 1,76 м соответственно. Если основное количество твёрдых осадков выпадет в первой половине зимы, то увеличивается среднее термическое сопротивление снежного покрова и уменьшается глубина промерзания на 29 и 34% при толщине снега Нтах равной 90 и 45 см соответственно. Более значительные отличия в глубине промерзания отме
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.