Материалы гляциологических исследований, вып. 102
Влияние параметров снежного покрова на деградацию многолетней мерзлоты на севере Европейской территории России в XXI веке
Н.И. Осокин, Р.С. Самойлов, А.В. Сосновский
Институт географии РАН, Москва
Статья поступила в редакцию 13 января 2006 г. Представлена членом редколлегии М.М. Корейшей
Разработана модель, позволяющая оценить изменения теплофизических свойств снежного покрова, и представлены результаты, полученные на ее основе.
Вечная мерзлота занимает около 2/3 территории России. Изменение теплофизического состояния многолетней мерзлоты и ее деградация могут привести к усилению геокриологических процессов и явлений, представляющих серьезную опасность для хозяйственной деятельности и жизнеобеспечения населения [8]. При потеплении климата одним из основных факторов, влияющим на теплофизическое состояние грунта и его промерзание, служит снежный покров. Изменение его толщины и других характеристик способно усилить или замедлить деградацию вечной мерзлоты. Натурные измерения показывают, что повышение средней годовой температуры воздуха в некоторых районах сопровождается понижением температуры грунтов. Это объясняется уменьшением максимальной толщины снежного покрова или замедленным ее ростом в первой половине зимы [7].
Постановка задачи и исходные положения
математической модели
Цель настоящей работы заключается в оценке влияния изменчивости параметров снежного покрова на промерзание и протаивание многолетнемерзлых пород и деградацию вечной мерзлоты на севере Европейской территории России при потеплении климата в XXI в.
Чтобы оценить влияние снежного покрова на промерзание грунта с учетом реальной динамики снегонакопления, изменчивости метеорологических параметров и теплофизических характеристик снега (плотности и коэффициента теплопроводности) с ростом толщины снежного покрова, была разработана и апробирована на экспериментальном материале математическая модель [5, 9]. В дальнейшем она была доработана для решения многофакторной задачи про-мерзания-протаивания грунта за большой период времени и с произвольным числом фазовых границ [6].
При математическом моделировании деформация грунта и миграция влаги не учитывались. Влажность грунта принималась постоянной. Динамика снегонакопления при потеплении климата менялась только вследствие уменьшения продолжительности залегания снежного покрова и изменения его максимальной толщины.
Распределение температуры в снежном покрове, талом и мерзлом грунте описывается уравнениями теплопроводности. При этом распределение температуры в мерзлом слое грунта рассчитано с учетом зависимости его эффективной теплоемкости и теплопроводности от температуры, суммарной влажнос-ти/льдистости и фазовых переходов незамерзшей воды. Для верхней границы грунта (снежного покрова) задавалось условие теплообмена с атмосферой, а для нижней границы мерзлоты вводился геотермический поток тепла, рассчитанный по геотермическому градиенту, равному 0,05 град/м. На границах мерзлого и талого грунта принято условие Стефана.
При расчетах шаг по времени варьировал от одного часа (на момент образования нового фазового слоя) до 1 суток (при толщине вновь образованного слоя более 2 см). Для каждого временного шага был рассчитан рост толщины снежного покрова, плотность и теплопроводность снега, теплофизические параметры мерзлого и талого грунта и составляющие внешнего тепло- и массообмена.
Климатические изменения
Многолетняя мерзлота на Европейской территории России занимает площади, расположенные в основном выше Полярного круга [2]. Рассмотрим из-
Рис. 1. Плотность снега по материалам снегосъемок на метеостанциях: 1 — Индига, 2 — Ходовариха, 3 — Ка-нин Нос, 4 — Петрунь, 5 — Усть-Уса, 6 — Хоседа-Хард, 7 — Коткино Fig. 1. Snow density according to snow survey data on the meteorological stations: 1 — Indiga, 2 — Hodovariha, 3 — Kanin Nos, 4 — Petrun", 5 — Ust"-Usa, 6 — Hoseda-Hard, 7 — Kotkino
- 80 -
Н.И. Осокин и др.
-20 -25 Рис. 2
Fig. 2.
Температура воздуха на метеостанциях: 1 — Инди-га, 2 — Хоседа-Хард
Air temperature on the meteorological stations: 1 — Indiga, 2 — Hoseda-Hard
менчивость метеоусловии и параметров снежного покрова для этого региона.
Один из наиболее важных теплофизических параметров снежного покрова — его плотность, определяющая коэффициент теплопроводности снега. По данным снегосъемок [4] плотность снежного покрова в раИонах, расположенных на побережье, значительно выше, чем во внутриматериковых (рис. 1). Поэтому и толщина снежного покрова на побережье значительно меньше при равном количестве осадков.
Влияние потепления климата на многолетнюю мерзлоту проанализируем по данным двух метеостанций: Индига, расположенной на побережье, и Хосе-да-Хард, которая находится приблизительно на той же широте, но внутри материка. График, представленный на рис. 2, показывает небольшое отличие в летних температурах (сумме положительных температур), измеренных на этих станциях, и более низкие — на 5—6° — температуры холодного периода на метеостанции Хоседа-Хард.
По данным метеорологических справочников за 1935—1965 и 1935—1980 гг. о толщине снежного покрова Н5 и его плотности р^ [4, 10] построены зависимости плотности снежного покрова от его толщины вида р=аЬ+Ь, (значения коэффициентов а и Ь приведены в табл. 1). Из таблицы видно, что для метеостанций, расположенных на побережье (Индига, Канин Нос, Ходовариха), характерны более высокие начальные значения плотности снега — коэффициент Ь равен примерно 200, тогда как для метеостанций, расположенных внутри материка, эти значения в 1,5—2 раза меньше. При этом коэффициент корреляции Я2 достаточно высок. Так, при большем количестве осадков в районе метеостанции Индига — 137 мм с ноября по март — максимальная средняя многолетняя толщина снежного покрова составляет 35 см, а при 118 мм в районе станции Хоседа-Хард она достигает 53 см [4]. Средние значения плотности за разные периоды наблюдений практически одинаковы, максимальные отличия не превышают 10-20 кг/м3.
Рассмотрим влияние потепления климата на температуру воздуха и осадки. Как отмечается в [3], для севера России за 1965-1995 гг. потепление со-
ставляет 0,2—2,5°С. За этот период наблюдалась тенденция к увеличению количества осадков в условиях морского климата и к его уменьшению в районах континентального климата. По данным метеорологических наблюдений тренды повышения температуры воздуха за 1960—1995 гг. на севере Западной Сибири и Якутии достигают около 0,06°С/год, тогда как на северо-востоке России и севере ее Европейской части эти показатели в 2—3 раза ниже.
Близкие результаты для севера Западной Сибири и Якутии получены и по ряду глобальных климатических моделей потепления климата. Прогноз изменения климата по упомянутым моделям для первой половины XXI в. приведен в [1]. По моделям общей циркуляции атмосферы Британской метеорологической службы и института Макса Планка (Германия) рост средней годовой температуры воздуха в северных регионах Западной Сибири составит 2,5—5,5°. Эмпирический прогноз, полученный в упомянутой работе, равен 4—6°. При этом преобладает повышение зимних температур воздуха, которые в 1,4 раза больше летних на севере Западной Сибири и в 10 раз в Якутии [3].
Изменение температуры воздуха и толщины снежного покрова на побережье и в глубине материка (в районе двух выбранных метеостанций) примем по данным климатической модели ГГО Росгидромета [11]. В табл. 2 представлены средние значения температуры воздуха на побережье (в районе станции Ин-дига) за период с положительными Tt и отрицательными Tj ее значениями, продолжительности этих периодов dt и dj, а также средняя годовая температура воздуха Ту за 1991-2000 и 2091-2100 гг.
Как видно из табл. 2, колебания средних годовых температур воздуха за десятилетний период превышают 2°С, т.е. для определения тенденции изменения климата необходимо вычисление средних значений (табл. 3).
В период с положительными температурами воздуха средние ее значения ниже температуры поверхности на 0,05-0,11°С. В холодный период температуры воздуха и снежной поверхности приблизи-
Таблица 1
Значения коэффициентов в зависимости плотности снежного покрова от его толщины
Метеостанции a b R2
Индига 437/402* 200/216 0,92/0,92
Канин Нос 468/460 191/214 0,96/0,95
Коткино 205/247 135/110 0,94/0,96
Петрунь 278/247 129/152 0,96/0,92
Усть-Уса 201/210 137/145 0,98/0,96
Ходовариха 254/- 208/- 0,86
Хоседа-Хард 269/256 111/114 0,99/0,95
*Данные за 1935-1980/1935-1965 гг.
- 81 -
Материалы гляциологических исследований, вып. 102
Таблица 2
Климатические параметры для побережья (район станции Индига) по модели ГГО
Годы Ь „, сут Т,, °С , сут Тг, °С ТУ ,°С
1991 155 7,22 210 -10,98 -3,23
1992 152 6,52 213 -9,73 -2,96
1993 169 7,49 195 -12,01 -2,95
1994 152 7,52 213 -11,63 -3,66
1995 163 7,34 201 -11,64 -3,13
1996 157 7,48 208 -10,38 -2,69
1997 161 7,33 204 -10,90 -2,86
1998 157 6,16 208 -10,06 -3,08
1999 155 6,92 210 -12,06 -4,00
2000 150 8,03 215 -10,51 -2,89
2091 199 8,04 166 -7,89 0,80
2092 207 8,06 158 -7,76 1,21
2093 192 8,89 173 -8,59 0,61
2094 178 8,59 187 -8,47 -0,15
2095 191 9,36 174 -6,08 2,00
2096 187 7,69 177 -6,76 0,66
2097 194 8,72 171 -8,29 0,75
2098 191 8,96 174 -7,32 1,20
2099 201 8,73 164 -8,82 0,85
2100 200 8,577 165 -6,67 1,69
тельно равны. Анализ средних за десятилетние периоды температур воздуха (см. табл. 3) показывает их рост за 100 лет приблизительно на 4,1°С, причем за период с положительными температурами он в 2,5 раза меньше, чем за период с отрицательными температурами воздуха.
Исходные данные для модели
Температура воздуха за периоды с положительными и отрицательными ее значениями аппроксимировалась синусоидальной зависимостью вида
Ta= ^ 81П(пт Лma*)+213
с нулевой температурой на момент начала промерзания и на конец холодного периода, где ^ — наибольшая или наименьшая температура воздуха в соответствующий период продолжительностью тmax (см. рис.2).
Таблица 3
Средние за десятилетние периоды значения климатических параметров
Годы
, сут 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.