УДК 551.525:551.345
Пространственные особенности и новые тенденции в изменениях термического состояния почвогрунтов и глубины их сезонного протаивания в зоне многолетней мерзлоты
А. Б. Шерстюков*, Б. Г. Шерстюков*
Проведено исследование изменений среднегодовой температуры почвогрунтов на глубине 320 см и глубины их протаивания на территории многолетней мерзлоты России за период 1963—2011 гг. Выявлены тенденции изменений указанных величин за последние пять десятилетий и отдельно — тенденции начала XXI в. Представлено краткое описание массива суточных значений температуры почвы на глубине до 320 см и массива расчетной глубины протаивания по метеорологическим станциям Российской Федерации, которые использовались в данном исследовании.
Ключевые слова: изменение климата, многолетняя мерзлота, глубина протаивания, температура почвы.
1. Введение
Глобальное потепление климата второй половины XX в. происходило неравномерно в разных регионах Земли. В России с середины 1960-х годов наблюдалось преимущественно потепление климата [4] с его позитивными и негативными последствиями. Одним из негативных последствий потепления является его влияние на состояние почвогрунтов в зоне многолетней мерзлоты, которая занимает более 65% территории России [10] и охватывает значительную часть Сибири и Дальнего Востока. В пределах многолетней мерзлоты России сосредоточено более 30% разведанных запасов всей нефти страны и около 60% природного газа. Там создана дорогостоящая и уязвимая инфраструктура: нефтегазопромысловые объекты, магистральные нефте- и газопроводы протяженностью тысячи километров [10]. Повышение температуры почвогрунтов влияет на устойчивость фундаментов инженерно-технических сооружений, на окружающую среду [2] и хозяйственную деятельность человека в зоне мерзлоты.
2. Постановка проблемы
В работах [5, 13, 14] была показана существенная пространственная неоднородность повышения температуры почвогрунтов в слое до 320 см во второй половине XX в. Из более поздних публикаций стало известно, что с начала XXI в. глобальное потепление климата замедлилось [1, 17—19].
* Всероссийский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации — Мировой центр данных; e-mail: artem@meteo.ru.
В работе [17] на основе анализа данных о приповерхностной температуре воздуха по метеорологическим станциям Северного полушария и данных о температуре поверхности океана в узлах географической сетки показано, что в Северном полушарии потепление климата второй половины XX в. сменилось в XXI в. тенденцией к похолоданию. На территории России за период 1999—2009 гг. отрицательные тренды (тенденции) изменения температуры -1,0 и -2,0°С за 10 лет были обнаружены в Западной Сибири [17].
С учетом новой тенденции в изменении температуры воздуха ставилась задача: по результатам наблюдений с учетом данных последних лет получить обновленные оценки длительных тенденций изменения температуры почвогрунтов на глубине до 320 см с пространственной детализацией по территории многолетней мерзлоты России, а также определить тенденции изменения температуры почвогрунтов в последнее десятилетие в связи с замедлением глобального потепления климата.
3. Исходные данные и методика исследований
В работе использовался авторский массив суточных значений температуры почвы на глубине до 320 см по метеорологическим станциям Российской Федерации. В массиве собраны данные о температуре почвы под естественным покровом на глубине 2, 5, 10, 15, 20, 40, 60, 80, 120, 160, 240, 320 см по 660 станциям России. Данные о температуре на указанных уровнях позволяют исследовать вертикальные профили температуры почвогрунтов и их изменения. При создании массива проводился статистический контроль качества исходных данных. Подробное описание массива, четырех применяемых методов контроля качества и сами данные можно найти на сайте ВНИИГМИ-МЦД: http://www.meteo.ru/data/164-soil-temperature. Описание более ранней версии массива представлено в работах [15, 16].
На основе обработки вертикальных профилей температуры почвогрунтов создан массив расчетной глубины сезонного протаивания почвогрун-тов в зоне мно голет ней мерзлоты по ме те о роло ги чес ким стан ци ям Российской Федерации. В массиве содержатся погодичные данные о глубине протаивания почвы по 107 станциям России в зоне многолетней мерзлоты. Глубиной протаивания в зоне многолетней мерзлоты считалась та расчетная глубина, на которой сезонный максимум температуры почвогрунтов принимал значение 0°С с дальнейшим переходом в область отрицательных значений.
Из закона Фурье о распространении тепла в твердой среде следует, что при передаче сезонных колебаний температуры от поверхности в глубину почвы амплитуда колебаний с глубиной затухает по экспоненциальному закону [7]. Это означает, что вертикальный профиль максимальных за год значений температуры на глубине формируется с убыванием вниз по экспо нен ци аль ному за ко ну. В ме тоди ке опреде ле ния расчет ной глуби ны сезонного протаивания почвогрунтов использованы экспоненциальная интерполяция и экстраполяция данных о сезонных максимумах суточных значений температуры почвы по измеренным значениям на фиксированных уровнях до глубины 320 см.
Для вычисления глубины протаивания на первом шаге определяли максимумы температуры почвы на каждом уровне за каждый год по каждой
станции. По выбранным на каждой глубине максимумам температуры вычислялась максимальная глубина протаивания в каждом году (глубина перехода от положительных максимальных значений температуры почво-грунтов к отрицательным). Однако наблюдения не всегда проводились на всех двенадцати горизонтах, указанных в сведениях об архиве. Наибольшее количество данных в архиве содержится для глубины 80, 160 и 320 см. В тех случаях, когда на самом нижнем уровне измерений (320 см) максимальная за год температура не опускалась ниже 0°С, выполнялась экстраполяция при вычислении глубины протаивания. Для предотвращения грубых погрешностей экстраполяция проводилась только до глубины 400 см. Если расчетное значение глубины протаивания превышало 400 см, то в архив заносилась константа отсутствия глубины протаивания 9999, означающая, что вычислить ее не удалось.
Главной характеристикой термического состояния мерзлоты является среднегодовая температура почвогрунтов, а ее многолетние изменения могут служить характеристикой изменений состояния мерзлоты [13]. Многолетнее изменение термического состояния почвогрунтов оценивалось величиной линейного тренда среднегодовой температуры за 1963—2011 гг. в пересчете на 10 лет. В отдельных случаях анализировался полиномиальный тренд для более детального описания изменений во времени. Статистическая значимость трендов оценивалась по критерию Стьюдента.
Реак ци ей кри оли то зо ны на изме не ния кли мата явля ет ся изме не ние ее температурного поля [6, 12]. Изменение температуры почвогрунтов происходит в разных регионах под влиянием разных факторов и зависит от свойств почвогрунтов. Среднегодовая температура почвогрунтов и мощность сезонноталого слоя наиболее часто становятся объектами геокриологического мониторинга. Временные ряды этих характеристик позволяют исследовать направленность изменений в состоянии многолетней мерзло-
4. Результаты
На основе среднегодовых значений температуры почвогрунтов на каждой станции вычислены коэффициенты линейного тренда за 1963—2011 гг., построена карта пространственного распределения трендов температуры почвогрунтов (рис. 1а). Видно, что за рассмотренный период на глубине 320 см произошло потепление почвогрунтов почти на всей территории России, при этом статистически достоверные тренды (0,2—0,4°С/10 лет) повышения среднегодовой температуры почвогрунтов обнаружены на территории Европейской России и в Сибири. Наибольшие тренды (0,4— 0,5°С/10 лет) наблюдаются в их южных частях и на Среднесибирском плоскогорье (рис. 1а). Метеорологические станции в указанных регионах охватывают возвышенные территории в междуречье верховий Оби и Енисея и горные районы на юге Сибири (Алтай, Саяны, Становой хребет). На Чукотке тренды температуры близки к нулевым значениям.
В связи с замедлением в начале XXI в. глобального потепления климата проведены дополнительные исследования пространственных особенностей изменения температуры почвогрунтов за период 2001—2011 гг. При этом получено, что при общей тенденции повышения температуры почвогрунтов на территории Сибири и Европейской России в период
Рис. 1. Пространственное распределение коэффициентов линейного тренда среднегодовой температуры почвогрунтов на глубине 320 см за период 1963—2011 гг. (а) и за 2001—2011 гг. (б).
Зеленые кружки — метеостанции с достоверностью тренда >95%; черные — метеостанции с достоверностью тренда <95%; штрихами на рисунке б показана южная граница криолитозоны.
1963—2011 гг. (рис. 1а) в последнем десятилетии пространственные особенности трендов были другими. На юге Сибири и на Чукотке отмечаются отрицательные тренды (-0,2...-0,6°С/10 лет) (рис. 1б), а в долготном интервале 115—160° в. д. в восточной части Якутии, в Амурской области, Хабаровском крае и на Камчатке, напротив, положительные тренды температуры почвогрунтов в последние годы были существенно больше, чем за 1963—2011 гг., и достигали значений 0,4—1,0°С/10 лет.
Для более детального анализа в юго-вос точ ной час ти Запад ной Си би ри в дол гот ном ин тер вале 70—90° в. д. был выделен район с наиболее выраженными в последние годы отрицательными трендами температуры почво-грунтов (рис. 16; зелеными точками ука за ны стан ции со статис ти-чески достоверными трендами (достоверность >95%)). По данным 26 станций этого района со статистически значимыми отрицательными трендами был получен многолетний ряд аномалий среднегодовой температуры почвы на глубине 320 см (аномалии от норм за 1971—2000 гг.). Изменение температуры почвогрунтов на глубине 320 см в выделенном районе на юге Сибири показано на рис. 2. Видно, что при общей тенденции потепления почвогрунтов начиная с начала XXI в. в этом регионе потепления не наблюдалось. Аппроксимирующий полином 4-й степен
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.