Термический режим грунтов и динамика метеорологических параметров на Антарктическом полуострове (станция Беллинсгаузен)
Н.И. Осокин, А.В. Сосновский, Е.С. Пугачева
Институт географии РАН, Москва
Представлены результаты оценки состояния грунтов при изменении метеопараметров по данным наблюдений в 2005 и 2006 гг.
В условиях глобального потепления климата важно знать поведение многолетнемерзлых грунтов в конкретных полярных районах. К основным метеорологическим параметрам, влияющим на промерзание-оттаивание грунтов, относятся летние и зимние температуры воздуха. Кроме того, воздействие на грунты оказывает снежный покров и др. Изменения этих параметров могут приводить как к сохранению, так и к деградации многолетнемерзлых грунтов. Цель настоящей работы заключается в оценке вариаций глубин сезонного промерзания и протаива-ния при современной изменчивости метеорологических элементов на Антарктическом полуострове в районе станции Беллинсгаузен.
1996
1998
2000
2002
2004
2006
Район станции Беллинсгаузен отличается относительно небольшими сезонными и межгодовыми вариациями температуры воздуха и других метеоэлементов. В 2004 г. среднемесячные температуры воздуха колебались от 1,5°С в феврале до -4,5°С в августе—сентябре, а за последние 3 года, с 2003 по 2005 г. — от 4-5 до -8, -9°С.
При математическом моделировании мы использовали данные о температуре воздуха по данным станции Беллинсгаузен за весь период наблюдений (1969-2005 гг.). Для каждого года была определена сумма положительных и отрицательных температур, а затем средняя месячная температура воздуха за летний (4 месяца) и зимний (8 месяцев) периоды. Эти числа выбраны как наиболее часто повторяющиеся и позволяют сравнивать между собой разные годы по сумме положительных и отрицательных температур, хотя число месяцев с положительной температурой изменялось за период наблюдений от 2 (1970/71, 1991/92 гг.) до 5 (1997/98, 1998/99 гг.).
Динамика средней месячной температуры воздуха в теплый, холодный периоды и за год в течение всего периода наблюдений и за последнее десятилетие представлена на рис. 1. На рисунке видно, что в самый холодный 1980 г. средняя годовая температура воздуха составляла -4,1°С, а в самый теплый 1989 г. равнялась -0,73°С. Аномальные значения определялись в основном зимними температурами воздуха. За период наблюдений средняя месячная температура воздуха в теплый период изменялась от 0,43 до 1,85°С, а в холодный — от -6,45 до -1,94°С. Как видно на рисунке, изменение температуры воздуха имеет неравномерный характер, периоды относительного потепления сменяются периодами похолодания.
Тренды средних температур воздуха за летний (Тй), зимний (Ту) периоды и за год (Ту) показывают небольшой рост температуры за период наблюдений (т = 1970-2005 гг.):
Рис. 1. Динамика средней месячной температуры воздуха за весь период наблюдений на станции Беллинсгаузен (а) и за 1996—2005 гг. (б) в теплые (1), холодные (2) периоды и за год (3); пунктирные линии — тренды Fig. 1. Changes of mean monthly air temperature for the whole period of observations at the Bellinsgausen Station (a) and for 1996-2005 (б) for warm (1) and cold (2) periods and for a year (3); dashed lines are their trends
Tth = 0,0143т Tf = 0,032т -Ty = 0,0259т -
- 27,38 , R = 0,37 ; 67,64 , R = 0,32 ;
- 53,72 , R = 0,35 .
Эти зависимости показывают рост летних температур на 0,14 , зимних на 0,32 и годовых на 0,26°. Однако коэффициент корреляции R невелик. Совсем
600-, 500400300200-
I 100-
1960 600500400300200100-
1970
1980
1990
2000
2010
1994
1996
1998
2000
2002
2004
2006
Рис. 2. Изменение сумм твердых осадков за 1968—2005 гг.
(а) и за последние 10 лет (б), пунктирная линия —тренд Fig. 2. Changes of solid precipitation sum for 1968—2005 (a) and for the last 10 years (б); dashed line is the trend
иная картина наблюдается за последние 10 лет. Тренд положительных летних температур с 1996 по 2005 г. (см. рис. 1б) явно отрицательный:
T
th"
0,111 т + 222,90 , R = 0,73
и показывает их снижение за 10 лет на 1,1°. При этом коэффициент корреляции достаточно высок. Такая тенденция сохраняется даже с учетом аномально высокой за весь период наблюдений летней температуры воздуха Тй = 1,93 в 2006 г. В последнем случае снижение за десятилетний период составит 0,6°. Отрицательную динамику показывают также зимние и годовые температуры воздуха — понижение температур за десятилетие составит 0,3 и 0,6°, соответственно:
Тг = - 0,029 т + 54,77 , R = 0,14 ; Ту = - 0,0573 т + 112,91 , R = 0,39 ,
однако коэффициенты корреляции небольшие, поэтому если добавить к рассмотрению соседний, самый холодный за 19 лет 1995 год, то тренд зимней и годовой температур окажется положительным, т.е. следует проявлять определенную осторожность при выводах о наличии тренда температуры воздуха в какую-либо сторону.
На термический режим грунтов и интенсивность промерзания большое влияние оказывают, как уже упоминалось, параметры снежного покрова, его теплофизические свойства и условия снегонакопления. Рассмотрим условия формирования снежного покрова в районе станции Беллинсгаузен в 2004 г. С 14 апреля установились отрицательные температуры воздуха, а с 12 мая — снежный покров толщиной 7 см. Таким образом, задержка появления устойчиво-
го снежного покрова составила 28 дней, в течение которых промерзание грунта происходило в отсутствие снежного покрова. При этом снежный покров устанавливался на короткое время, но сходил в результате оттепели. Снег продолжал накапливаться до 10 ноября, затем началось его таяние, которое завершилось 11 декабря. Динамика снегонакопления (Н,) и осадконакопления (Ж,) за 6 месяцев хорошо аппроксимируется линейными зависимостями вида
Н, = 0,0036 т + 0,0279 (м)
Ж, = 0,001 т + 0,0043 (м)
с коэффициентами корреляции в обоих случаях R = 0,997 , где т — время с начала снегонакопления в сутках. Сравнение этих величин показывает плотность снежного покрова около 250 кг/м3 за первые 2,5—3 месяца и от 270 до 290 кг/м3 в последующие.
В аномально высокий по твердым осадкам 1998 г. (564 мм) за 6 месяцев с мая по октябрь максимальная толщина снежного покрова составила всего 0,68 м, вместо расчетных по количеству осадков 1,70 м. Это возможно лишь при большом ветровом переносе снега за пределы площадки наблюдений.
Для прогноза термического режима грунтов, определяемого, в частности, толщиной снежного покрова, рассмотрим динамику осадков в районе станции Беллинсгаузен. Суммарное количество твердых осадков с 5-го по 10-й месяц изменялось за период наблюдений от 189 до 564 мм. При этом среднее многолетнее значение твердых осадков за 1969 —2005 гг. составляет 340 мм, а жидких — 347 мм, т.е. они приблизительно равны.
Для твердых осадков установлена тенденция к их уменьшению (рис. 2а), еще более она проявилась в последние 10 лет (рис. 2б):
Ж, = - 0,023984 т + 48,295 (м) ,
где т — время в годах.
При этом коэффициент корреляции составляет 0,63. По этой зависимости получаем ежегодное снижение твердых осадков на 24 мм, что составляет около 7% среднемноголетней величины. Однако, учитывая периодический характер изменения годового количества осадков (см. рис. 2), в настоящее время может произойти их относительное увеличение.
U 3300-1
<и
s
S; 3100! 2900-I 2700-
и
. 2500
1965
1975
1985
1995
2005
Рис. 3. Суммарная солнечная радиация по средним многолетним данным Fig. 3. The total solar radiation according to the long-term data
Н.И. Осокин и др.
0,5 1 1,5
Температура воздуха, °С
0,9 1,3 1,7 2,1
Толщина снежного покрова, м
Рис. 4. Глубина протаивания грунта в зависимости от средней зимней (а), летней (б) температуры воздуха и от толщины снежного покрова (в) Fig. 4. Depth of soil melting depending on mean winter (a), summer (б) temperature and snow depth (в)
Другой климатический параметр, влияющий на термическое состояние грунтов, — суммарная солнечная радиация. На фоне относительно невысоких летних температур воздуха ее роль в протаивании грунтов существенна. Так, под действием солнечной радиации температура их поверхности может существенно превышать температуру воздуха. Суммарная годовая солнечная радиация изменяется за период наблюдений на 20% — от 2624 до 3150 Мдж/м2 и в последние годы имеет тенденцию к снижению (рис. 3); коэффициент корреляции тренда составляет 0,44. Причиной этого уменьшения может быть повышение общей облачности, причем облачность нижнего яруса такой тенденции не имеет.
Один из параметров, влияющий на температуру подстилающей поверхности, — скорость ветра. При ее увеличении происходит более быстрое выравнивание температуры воздуха и подстилающей поверхности. Скорость приземного ветра достаточно высока и стабильна из года в год — ее средние годовые значения изменяются от 6,5 до 8 м/с, а наименьшие приходятся на летний период. Высокая скорость приземного ветра способствует значительному мете-левому переносу снега и его высокой начальной плотности.
Для оценки влияния изменчивости одного из климатических параметров на протаивание и промерзание грунтов при сохранении средних значений других параметров были проведены численные экс-
перименты на основе модели, описанной в [1, 2]. При моделировании деформация грунта и миграция влаги не учитывались. Движение границ мерзлого и талого грунта определялось из условия Стефана. Расчеты проводились для песка плотностью 1400 кг/м3. Рассматриваемая толщина мерзлой горной породы составляла 44 м. Суммарная влажность/льди-стость горной породы считалась постоянной по глубине и равной 10%. Количество незамерзшей воды на границе мерзлой и талой зоны ww = 2,4%. Теплоемкость и коэффициент теплопроводности талого и мерзлого грунта в зависимости от влажности вычислялись по уравнениям, полученным путем аппроксимации данных для песка с разными характеристиками, приведенными в СНиП 2.02.04-88.
Начальная температура мерзлой толщи задавалась по результатам предварительных калибровочных расчетов. Температура воздуха за холодные и теплые периоды рассчитывалась по синусоидальным зависимостям, а максимальные и минимальные ее значения — по формуле Т
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.