Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему
Изменение климата в области криолитозоны северного полушария и оценка его последствий
ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология
Автореферат диссертации по теме "Изменение климата в области криолитозоны северного полушария и оценка его последствий"
Санкт-Петербургский государственный университет
)/" На празах рукописи
Анисимов Олег Александрович
Изменение климата в области криолитозоны :еверного полушария и оценка его последствий
11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук
Санкт-Петербург 1998 г.
Работа выполнена в Государственном гидрологическом институт Росгидромета.
Официальные оппоненты:
доктор географических наук, профессор O.A. Дроздов доктор географических наук, профессор В.Н. Адаменко доктор геолого-минералогических наук В.А. Зубаков
Ведущая организация
Институт глобального климата и экологии Росгидромета
Защита состоится 4 июня 1998 г. в 15 часов на заседа диссертационного Совета Д.063.57.16 по защите диссертаций на соиска ученой степени доктора наук в Санкт-Петербургском государствен» университете по адресу: 199178 С.Петербург, 10-я Линия В.О., д.ЗЗ, ауд. 74.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке С. государственного университета.
Автореферат разослан 29 апреля 1998 г.
Ученый секретарь диссертационного Совета
Г.И. Мосоло£
Общая характеристика работы
Предмет защиты. В диссертации представляется концепция построения информационной системы, предназначенной для изучения современного климата, прогноза его изменения в первой половине следующего столетия, оценки достоверности таких прогнозов и изучения природных и социально-экономических последствий антропогенного потепления в области криолитозоны северного полушария. При помощи разработанной на основе этой концепции автоматизированной информационной системы был проведен анализ современных климатических трендов и построен эмпирический региональный прогноз изменения климата в северном полушарии для первой четверти следующего столетия; оценена адекватность прогнозов климата, полученных при помощи моделей теории климата и палеореконструкций; обосновано положение о том, что в области криолитозоны северного полушария прогноз изменения климата обладает высокой достоверностью.
В результате проведенных расчетов были построены прогностические карты, характеризующие важнейшие последствия антропогенного изменения климата в области криолитозоны северного полушария, определены последствия, имеющие неблагоприятный и катастрофический характер, выделены области криолитозоны, в первую очередь подверженные таким опасностям, также были изучены благоприятные для северных регионов последствия антропогенного потепления.
Актуальность темы. Проблемы изучения изменения климата, его прогноза и оценки последствий антропогенного потепления в последнее десятилетие приобрели особую актуальность. Не только научная, но и мировая политическая общественность признают необходимость и неотложность их изучения с целью выявления позитивных, неблагоприятных и катастрофических последствий глобального изменения климата для природной среды, экономики и социальной сферы, а также разработки экономических и политических стратегий адаптации к предстоящему потеплению. Показательна в этом плане инициатива государств, подписавших в начале 80-х годов так называемую "Рамочную конвенцию", накладывающую ограничения на использование технологий, приводящих к антропогенному усилению потепления. В настоящее время движение за ограничение роста факторов, способствующих изменению климата, получило значительную поддержку в большинстве стран мира, в первую очередь в наиболее экономиче-
ски развитых странах, на долю которых приходится наибольшая часть антропогенных выбросов парниковых газов.
Задачи диссертационной работы соответствуют ряду исследовательских направлений, сформулированных в Федеральной Целевой Программе изучения влияния глобального изменения климата на экономику и природную среду, принятую Правительством России в 1996 году, реализация которой рассчитана на период с 1997 по 2000 год. Такими направлениями программы являются разработка автоматизированной системы мониторинга климата и его изменений, а также изучение влияния предстоящего изменения климата на вечную мерзлоту.
В современной климатологии получено несколько десятков различных сценариев изменения климата. Оценка последствий потепления климата затрудняется в последнее время тем, что практически каждому исследователю приходится рассматривать многие прогнозы основных элементов климата - температуры воздуха и осадков, диапазон ожидаемого по различным сценариям изменения которых весьма велик. В этой ситуации возникает потребность в разработке некоторой системы, в рамках которой осуществлялось бы обобщение современных данных измерений климатических переменных и выделение эмпирических трендов их изменения; построение прогнозов климата, их сравнение, оценка достоверности, приведение к определенным интервалам времени в будущем; анализ наиболее важных последствий потепления прежде всего в тех регионах, где прогнозы изменения климата обладают достаточно высокой достоверностью и предсказывают наиболее быстрое и значительное потепление.
Особую группу составляют исследования последствий антропогенного изменения климата в области криолитозоны, актуальность которых определяется тем, что многие из них могут иметь катастрофический характер и создавать угрозу безопасной эксплуатации различных строительных сооружений на вечной мерзлоте.
Перечисленные задачи и определили актуальность диссертационной
работы.
Целью исследований являлась разработка концепции и построение автоматизированной информационной системы для изучения современного климата, прогноза его изменения и оценки важнейших природных и социально экономических последствий антропогенного потепления в области криолитозоны. В процессе работы были решены следующие конкретные задачи:
- Проведен анализ современных трендов температуры воздуха и выделены области, в которых наблюдаются значимые корреляции годовых аномалий
региональной и глобальной температуры. Установлены статистически значимые коэффициенты линейной связи региональных и глобальной аномалий средней годовой температуры воздуха.
- Разработана методика и проведено сравнение прогнозов изменения климата, полученных с применением моделей общей циркуляции атмосферы и метода палео аналогов, с современными эмпирическими трендами.
- Разработаны математические модели для оценки последствий потепления в области криолитозоны и проведена проверка их точности по эмпирическим данным для условий современного климата и для двух теплых эпох прошлого.
- Создана информационная система для изучения закономерностей современного глобального климата, его изменения в будущем и для оценки основных последствий потепления в области криолитозоны, предназначенная для персонального компьютера класса Pentium в среде Windows 3.1, 3.11, 95, NT.
- Дана оценка важнейших природных и социально-экономических последствий потепления в области криолитозоны северного полушария.
- Изучены последствия потепления, представляющие угрозу для экономики и социальной сферы в северных землях, а также выделена группа благоприятных последствий, построены соответствующие прогностические карты.
Научная новизна и личный вклад автора. Научная новизна результатов исследований, представляемых к защите, заключается в обосновании автором концепции построения прогноза изменения климата на несколько десятилетий по современным эмпирическим данным и в прогнозе, построенном для регионов северного полушария; в оценке достоверности прогнозов изменения климата в масштабе северного полушария и отдельных регионов; в обосновании положения о том, что в настоящее время имеются все предпосылки для изучения последствий антропогенного потепления прежде всего в области криолитозоны северного полушария; разработке равновесных и динамической моделей криолитозоны и методики их применения совместно с прогнозами климата для изучения природных последствий антропогенного потепления; получении оценок важнейших последствий потепления в области криолитозоны северного полушария.
Предлагаемая концепция предусматривает изучение современного климата, его прогноз и оценку последствий потепления в результате последовательного решения четырех самостоятельных задач:
- изучения баланса основных парниковых газов и аэрозолей в атмосфере и построения прогноза их изменения в будущем;
- расчета эквивалентной концентрации углекислого газа в атмосфере, складывающейся в результате баланса источников и стоков всех климатообра-зующих газовых составляющих атмосферы и аэрозолей;
- расчета характеристик климата по данным о химическом составе атмосферы и его изменении в будущем;
- разработки математических моделей зависящих от климата природных процессов и расчета основных последствий антропогенного потепления.
Разработки автора, составляющие предмет диссертационной работы, относятся к решению последних двух из перечисленных задач.
Прогнозы климата по данным об ожидаемых изменениях химического состава атмосферы получают с использованием двух методов: моделей теории климата и метода палеоклиматических аналогов. В диссертационной работе были проанализированы достоинства и недостатки, присущие каждому из методов, и проведено сравнение результатов по двум основным позициям: адекватности воспроизведения наблюдаемых в настоящее время эмпирических трендов изменения климатических характеристик, и удовлетворению требованиям по пространственному и временному разрешению, предъявляемым к прогнозам климата моделями последствий антропогенного потепления. По каждой из этих позиций были разработаны методики, позволяющие оценить адекватность прогноза климата рассматриваемой задаче.
Оригинальным авторским результатом части диссертации, относящейся к прогнозу климата, являются полученные корреляционные связи современных региональных эмпирических трендов климатических характеристик с аномалией средней годовой глобально осредненной температуры воздуха. Поскольку существуют достаточно надежные методы прогноза изменения этой величины, полученные результаты позволяют дать региональный прогноз изменения климата на период в несколько десятилетий, разработка которого является одной из важнейших проблем климатологии. Современные эмпирические тренды рассматриваются в диссертации как критерий адекватности прогнозов климата и используются для классификации отдельных регионов по предсказуемости ожидаемых изменений климата. На этой основе автором сделан вывод о том, что в настоящее время прогнозы изменения климата в области криолитозоны северного полушария наиболее обоснованы и адекватны современным эмпирическим тенденциям. По этой причине в части диссертации, посвященной изучению последствий потепления, в первую очередь рассматривается влияние изменений климата на криолитозону и геокриологические процессы.
Вкладом автора в моделирование последствий потепления являются разработанные им балансовые и динамическая модель криолитозоны, методика их использования совместно с прогнозами климата и современными эмпирическими данными в масштабе северного полушария, а также полученные оценки ожидаемых геокриологических последствий, представленные в виде прогностических карт.
Практическое значение работы. Результаты научных исследований, полученные автором в диссертационной работе, использовались для подготовки Российских и международных справочных материалов, экспертных заключений и рекомендаций, связанных с антропогенным изменением климата и оценкой его последствий в области криолитозоны, важнейшими среди которых являлись:
- заключение Российско-Канадской комиссии экспертов о возможности деградации вечной мерзлоты в Евразии и Северной Америке за счет антропогенного изменения климата (1989 г.);
- полученные автором прогнозы смещения южной границы криолитозоны и изменения глубины сезонного протаивания и промерзания на континентах северного полушария, вошедшие в рекомендации для политиков Международной Группы Экспертов по Изменению Климата и отчеты МГЭИК 1990 и 1995 года;
- обобщение материалов по последствиям изменения климата, приводящим к изменению баланса источников и стоков углекислого газа в области криолитозоны северного полушария, вошедшее в материалы ряда межправительственных соглашений, принятых в связи с обязательствами России по выполнению Рамочной Конвенции ООН (1997 г.);
- проведенные автором расчеты площадей различных геокриологических зон были использованы Международной Ассоциацией Мерзлотоведения при подготовке современной геокриологической карты северного полушария (1997);
- материалы диссертации вошли в научный отчет по программе "Экологическая безопасность России", раздел "Последствия потепления климата в области криолитозоны" (1995 г.);
- результаты исследований использовались для подготовки служебных записок в Росгидромет в связи с реализацией "Федеральной целевой программы по изучению изменения климата и предотвращению его негативных последствий", принятой Правительством России в 1996 году;
- материалы диссертации были использованы для подготовки научного обоснования строительства и безопасной эксплуатации хранилища радиационно активных отходов в области сплошной криолитозоны.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на научных семинарах, национальных и международных совещаниях, заседаниях рабочих групп, важнейшими из которых являются:
- Рабочая Группа VIII Российско - Американского сотрудничества в области изучения изменения климата и его последствий (октябрь 1993 г., Эшвилль, США);
- Рабочая Группа МГЭИК (сентябрь 1989 г., Оттава, Канада; сентябрь 1996 г., Лондон, Великобритания);
- Конференции Международной Ассоциации Мерзлотоведения (октябрь 1993 г., Эшвилль; декабрь 1994 г., Сан Франциско; декабрь 1996 г., Боулдер; декабрь 1997 г., Сан Франциско, США);
- Конференции Американского Геофизического Союза (1994, 1996, 1997 гг., декабрь, Сан Франциско);
- Конференция Ассоциации Американских Географов (апрель 1996 г., Шарлотт, США);
- Конференция по итогам международной программы "Country Studies" (май 1995 г., С.Петербург);
- Рабочая группа экспертов Российско-Канадского сотрудничества в области изучения криолитозоны (ноябрь 1990 г., Москва);
- Совещание по итогам выполнения научных исследований Росгидромета (декабрь 1996 г., Москва);
- Международное совещание по проблемам геокриологии (апрель 1997 г., Пущино);
- Заседания Обьединенного Совета по криосфере Земли (декабрь 1989 г., Москва; апрель 1997 г., Пущино).
Публикации. Основные итоги научных разработок автора, представленные в докторской диссертации, опубликованы в Российских и зарубежных периодических научных изданиях (Труды ГГИ, "Метеорология и Гидрология", "Physical Geography", "Climatic Change", "Global and Planetary Change", "Frozen Ground", "Agricultural and Forest Meteorology", "Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer"), в виде глав в двух зарубежных редактируемых монографиях, разделов в двух отчетах МГЭИК (1990 и 1996 гг.), в трудах
конференций и совещаний. В общей сложности по вопросам, рассматриваемым в диссертации, автором опубликовано более 50 печатных работ, в том числе около 20 работ в международных изданиях.
Содержание работы
Диссертация состоит из пяти глав, введения и заключения. Во введении коротко рассматривается история работ по изучению изменения климата и его последствий, дается характеристика основных достигнутых результатов и формулируются проблемы, решению которых посвящена диссертация.
В первой главе рассматриваются различные методы прогноза климата, проводится сравнение полученных с их помощью результатов и предлагается прогноз наиболее вероятного изменения климата в области криолитозоны.
Во второй главе рассматривается история и современное состояние вечной мерзлоты и оценивается ее чувствительность к изменению климата.
В третьей главе диссертации рассматриваются математические модели последствий изменения климата в области криолитозоны.
В четвертой главе рассматривается автоматизированная информационная система по изменению климата и оценке его последствий в области современной криолитозоны северного полушария.
В пятой главе рассматривается применение информационной системы для решения задач, связанных с построением эмпирического прогноза климата по современным данным инструментальных измерений и оценкой последствий антропогенного потепления в области криолитозоны северного полушария.
В заключительной части диссертации обсуждаются наиболее важные последствия потепления в области криолитозоны северного полушария.
1. Антропогенное изменение климата: методы прогноза и сравнение оценок для области криолитозоны северного полушария.
Начавшееся в конце предыдущего столетия и значительно усилившееся в настоящее время антропогенное изменение климата имеет глобальный характер и оказывает прямое или опосредованное воздействие на многие природные процессы. Согласно большинству из имеющихся прогнозов, наиболее быстрым и значительным потепление будет в высоких широтах северного полушария, и, в частности в области криолитозоны. Для получения количественных оценок геокриологических последствий потепления необходимы достаточно надежные прогнозы изменения климата в высоких широтах. Достоверность прогнозов климата опре-
деляется точностью решения нескольких задач: прогноза изменения интенсивности источников и стоков парниковых газов и аэрозолей, расчетов их концентраций в атмосфере и характеристик климата по химическому составу атмосферы.
В климатологии стало широко принятым характеризовать все многообразие атмосферных климатообразующих факторов эквивалентной концентрацией углекислого газа. Эта величина определяется как концентрация углекислого газа в атмосфере, оказывающая радиационное воздействие, равное суммарному воздействию всех парниковых газов, включая негативные эффекты сульфатных аэрозолей и расщепления стратосферного озона. По оценкам Международной Группы Экспертов по Изменению Климата (МГЭИК) наиболее вероятно увеличение эквивалентной концентрации углекислого газа с 358 миллионных долей в 1994 году до приблизительно 700 к концу следующего столетия.
Для расчета изменения температуры воздуха и атмосферных осадков при изменении химического состава атмосферы используются два различных подхода, основанные на эмпирических методах и на теоретических моделях климата. К эмпирическим методам относятся метод палеоклиматических аналогов и анализ современных климатических трендов. Теоретические методы основываются на простых одномерных моделях климата, трехмерных полномасштабных моделях общей циркуляции атмосферы и океана, и региональных климатических моделях. Концепции, лежащие в основе этих методов, существенно различны.
Палеоаналоговый метод основан на предположении о том, что предстоящее потепление, и в частности, региональное распределение температуры воздуха и осадков, будет аналогично имевшим место ранее в более теплые периоды истории Земли. Несколько теплых периодов, таких как климатический оптимум голоцена (около 6-5 тысяч лет назад), микулинское межледниковье (около 125 тысяч лет назад) и климатический оптимум плиоцена (около 4,3 - 3,3 млн. лет назад) достаточно хорошо изучены. В настоящее время все большее внимание исследователей привлекает переход от последнего холодного дриасово-го периода (10,8 - 10,5 тысяч лет назад) к началу голоцена (около 10,2 - 10,3 тысяч лет назад), в течение которого произошло резкое увеличение средней глобальной температуры воздуха на 5 - 6 градусов, что сопоставимо с темпами современного потепления. Изменение климата, ландшафтов и природных процессов в этот период можно рассматривать как наиболее вероятный аналог природно-климатических условий последующих нескольких десятилетий.
К эмпирическим методам относится также и анализ данных инструментальных наблюдений. Современные эмпирические данные указывают на то, что в ряде крупных регионов прослеживается устойчивая связь аномалий температуры
воздуха с изменением средней годовой глобально осредненной температуры, прогноз которой в этом случае можно использовать в качестве предиктора для расчета ожидаемых региональных изменений климата.
В зарубежных исследованиях большое распространение получили модели обшей циркуляции атмосферы и океана. Значения гидрометеорологических переменных рассчитываются в таких моделях на нескольких вертикальных уровнях в узлах регулярной пространственной сетки с шагом по времени в 20-30 минут. Одним из наиболее важных внутренних параметров является генерируемое моделями изменение средней годовой глобально осредненной температуры воздуха при удвоении концентрации углекислого газа в атмосфере, называемое чувствительностью климата. Модельные оценки этой величины находятся в пределах 1,5 °С - 3,5 °С , при этом в качестве наиболее вероятной величины МГЭИК рекомендует использовать значение 2,5 °С. По палеоданным чувствительность климата близка к 3 °С.
К теоретическим методам прогноза климата относятся также простые модели, при помощи которых можно рассчитать глобально или зонально осред-ненную температуру воздуха при изменении радиационного воздействия. В отличие от полномасштабных моделей общей циркуляции атмосферы и океана, чувствительность климата в простых моделях задается, а не рассчитывается. Помимо простых одномерных, в последние несколько лет интенсивно развивались региональные модели климата. Эти модели аналогичны моделям общей циркуляции атмосферы с тем лишь отличием, что используемая в них пространственная сетка обладает высоким разрешением и охватывает не весь земной шар, а лишь какую-то его часть. Необходимость расчета постоянно изменяющихся условий на границе региона значительно затрудняет использование региональных моделей и делает их малоэффективными.
Сравнение различных методов прогноза климата дано в таблице 1.
Для повышения детализации прогноза климата в данном исследовании совместно использовались результаты расчетов по моделям общей циркуляции атмосферы и современные метеорологические данные, обладающие высоким пространственым разрешением. Вначале по моделям общей циркуляции определяются прогнозируемые аномалии температуры воздуха и осадков в узлах грубой пространственной сетки. Найденные аномалии прибавляются к значениям многолетних норм климатических характеристик, рассчитанных по эмпирическим данным, при этом используются значения аномалий из ближайшего узла сетки модели общей циркуляции. Такой прием позволяет использовать общие законо-
мерности изменения климата, выявляемые при помощи полномасштабных моделей общей циркуляции атмосферы для построения региональных прогнозов.
Таблица I. Сравнительные характеристики методов прогноза климата.
Метод Достоинства Недостатки
Метод лалео-аналогов 1. Воспроизводит реальный климат прошлого. 2. Реконструкции регионального климата. 1. Требуется обработка большого количества разрезов. 2. Не подтверждена возможность использования в качестве прямых аналогов.
Анализ современных трендов 1. Высокое пространственное разрешение. 2. Хорошо обеспечен данными. 1. Требует анализа причин, вызвавших флуктуации современного климата. 2. Трудно обосновать период экстраполяции наблюдаемых трендов.
Модели общей циркуляции 1. Рассчитывают глобальные поля климатических переменных. 2. Учитывают многие климатообразующие факторы. 3. Допускают моделирование изменения климата в реальном времени. 1. Малое пространственное разрешение. 2. Генерируемая чувствительность климата изменяется в значительных пределах. 3. Не всегда адекватно описывают современный климат. 4. Не всегда учитывают обратные связи, влияющие на граничные условия расчета. 5. Требуют больших вычислительных затрат.
Простые одномерные модели 1. Учитывают различные виды внешних воздействий. 2. Не требуют больших вычислительных затрат. 1. Отсутствует возможность получения региональных оценок. 2. Требуют предварительной оценки чувствительности климата по независимым данным.
Региональные модели 1. Рассчитывают региональный климат с высоким пространственным разрешением. 1. Используют результаты моделей общей циркуляции в качестве граничных условий. 2. Требуют больших вычислительных затрат.
Наличие независимых методов прогноза климата дает возможность оценивать их точность, проводя взаимное сравнение. В данной работе сравнивались результаты расчетов по трем равновесным (ОРОЬ, 0155 и 1ЖМО) и трем транзитивным (ОРОЬ89, ЕСНАМ1-А и иКТЯ) моделям общей циркуляции атмосферы, а также данные палеоклиматических реконструкций трех прошедших теплых эпох: климатического оптимума голоцена, микулинского (рисс-вюрмского) межледниковья и климатического оптимума плиоцена. Все прогнозы
были приведены к увеличению глобально осредненной средней годовой температуры воздуха на 1 градус, и пересчитаны в узлы единой регулярной географической сетки с шагом 5 градусов по широте и долготе. После этого в каждом узле сетки были рассчитаны значения коэффициента вариации
100
(1)
где С„ - коэффициент вариации (в процентах) параметрар,р ¡-ая реализация
параметра р, а р - его среднее значение. В качестве параметров р использовались ожидаемые отклонения температуры воздуха и осадков, осредненные за зимний (декабрь, январь, февраль) и летний (июнь, июль, август) период.
На рисунке 1 показано распределение полученных таким образом коэффициентов вариации ожидаемого изменения температуры воздуха для зимы (рис. 1 а) и лета (рис. 1 б). Видно, что в области высоких широт северного полушария различные прогнозы дают более схожие оценки изменения температуры воздуха, чем в остальных регионах мира. Коэффициент вариации не превышает 50%, а во
I !у.-..У .
0 25 50 75 >75
Рис.1. Коэффициент вариации прогнозов зимней (А) и летней (Б) температуры воздуха.
А
-0.5 0 0.5 1.5 2.5 >2.5
Рис.2. Наиболее вероятное изменение зимней (А) и летней (Б) температуры воздуха к середине XXI века.
многих случаях находится в пределах 25% - 30%, что можно считать достаточно неплохим результатом.
Критерием оценки достоверности прогнозов изменения температуры воздуха могут служить современные эмпирические тренды, которые можно использовать при составлении наиболее вероятного прогноза изменения климата. Для прогноза изменения температуры воздуха целесообразно использовать данные расчета по моделям общей циркуляции, осадки же лучше прогнозировать, используя данные палеоклиматических реконструкций. На рисунке 2 показаны наиболее вероятные модельные оценки изменения температуры воздуха к середине следующего столетия. Ожидаемые отклонения температуры воздуха от ее нормы для 1990 года в зимний (рис. 2а) и летний (рис. 26) сезоны были получены при помощи транзитивной модели общей циркуляции атмосферы ЕСНАМ1-А, которая отличается хорошей согласованностью внутренних и прогнозируемых параметров, и достаточно адекватно описывает наблюдаемую современную межгодовую изменчивость многих климатических переменных.
Согласно этому прогнозу в области криолитозоны северной Америки ожидаемое к середине следующего столетия увеличение зимней температуры воздуха будет максимальным вблизи западного побережья, чуть меньшим в восточной части и незначительным в центральной области. В Евразии выделяются несколько областей, от северо-востока Скандинавского полуострова до Ямала, Таймыр, и протяженная область арктического побережья к востоку от Лены, где зимнее потепление будет превосходить 2.5 градуса. В западной Сибири и на большей части Якутии температура воздуха зимой увеличится на 1.5 - 2.5 градуса.
Увеличение температуры воздуха летом будет в целом несколько меньшим, чем зимой. В Евразии оно составит 1.5 - 2.5 градуса в европейской части, и 0.5 - 1.5 в азиатской. На большей части северной Америки летнее потепление будет незначительным, порядка 0.5 - 1.0 градуса, за исключением области к югу от Гудзонова Залива, где оно будет достигать 1.5 - 2.5 градусов.
Климатические прогнозы дают также оценки ожидаемого изменения атмосферных осадков, однако в настоящее время едва ли можно говорить об их приемлемой достоверности. Для того, чтобы оценить насколько существенны неопределенности прогноза осадков в контексте изучения геокриологических последствий антропогенного потепления, при помощи простой полуэмпирической модели была рассчитана средняя годовая температура почвы для климатических условий, соответствующих современному региональному распределению температуры воздуха и различным режимам осадков. Расчеты свидетельствуют о том, что даже наибольшее из всех сценариев изменение осадков оказы-
вает незначительное отепляющее влияние на почву, в целом изменяя ее температуру не более чем на несколько десятых долей градуса. Происходит это в силу того, что одновременно действуют два фактора, оказывающие противоположное воздействие: увеличение интенсивности осадков, в том числе зимних, и сокращение продолжительности снежного периода. Анализ наблюдений на территории бывшего СССР свидетельствует о том, что в зоне умеренного климата второй из названных факторов играет более значительную роль, в результате чего в настоящее время при общей тенденции увеличения осадков происходит уменьшение средней за зиму толщины снежного покрова. В области высоких широт увеличение осадков может более сильно отразиться на снежном покрове, в особенности там, где современная норма зимних осадков очень низкая. К таким районам, в частности, относятся некоторые области центральной Якутии. Очевидно, что увеличение осадков в условиях якутского антициклона даже на 20 - 30 мм за зиму приведет к заметному увеличению высоты снежного покрова и отразится на температуре почвы. Однако даже в этих условиях изменение среднегодовой температуры почвы за счет осадков при глобальном потеплении на 1 градус будет в пределах нескольких десятых долей градуса, в то время как увеличение среднегодовой температуры воздуха в этих регионах может достигать 2-х градусов, а зимней температуры 2.5 - 3 градусов.
Прогноз атмосферных осадков можно дать лишь на качественном уровне, оценив, используя данные реконструкций теплых периодов прошлого, возможное изменение их годового количества. Такая оценка, полученная для середины XXI столетия, дает увеличение годового количества осадков на 50 - 100 мм.
2. Происхождение многолетнемерзлых пород и современное состояние
исследования взаимодействия климата и вечной мерзлоты.
Для понимания истории формирования современной криолитозоны значительный интерес представляют работы В.А. Кудрявцева, А.И. Попова, И.Я. Баранова, В.В. Баулина, H.H. Романовского и других исследователей, в которых рассматриваются имевшие место в прошлом процессы криолитогенеза. Достаточно полный анализ формирования области вечной мерзлоты в геологическом прошлом был проведен в работах А.А.Величко, М.К.Гавриловой, В.А.Зубакова, И.И.Борзенковой и В.А.Климанова. В этих работах выделены основные периоды похолодания, приведшие к образованию криолитозоны в различных регионах. Наиболее интенсивное развитие оледенений и вечной мерзлоты обычно относят к эпохе плейстоцена. Исследователи отмечают тот факт, что максимумы развития покровного оледенения не соответствовали наибольшему распространению мно-
голетнемерзлых пород. Так, максимальный размер ледниковых покровов в Европе достигался в нижнем или среднем плейстоцене (от 1 млн. до 250 тыс. назад), наиболее интенсивное же развитие мерзлых пород происходило в верхнем плейстоцене, т.е. в период относительно малого валдайского (вюрмского) оледенения (около 18 тыс. лет назад).
A.A. Величко дает детальную геокриологическую реконструкцию третьего этапа плейстоцена, который автор называет "криогенным", так как именно в это время складывалась мощная вечная мерзлота. Проведенный автором анализ мерзлотных признаков, сохранившихся в горных породах, показал, что многолетнее промерзание проходило в несколько этапов в соответствии с изменением климатических условий. Так, на территории Европейской части России нижне и среднеплейстоценовые отложения формировались в условиях относительно мягкого климата и лишь в последующем они подвергались промерзанию. Приблизительно такая же ситуация складывалась на остальной части Евразии и в Северной Америке. Таким образом, 15-20 тысяч лет назад в северном полушарии возник мощный пояс многолетней мерзлоты, граница которой располагалась значительно южнее, чем в настоящее время, доходя до 50° с.ш., а на Русской равнине до 47° с.ш. Характерной чертой этого пояса являлась широтная зональность, однако в западных районах граница криолитозоны была смещена к северу, причем в силу континентальных особенностей климата нарушение зональности вечной мерзлоты в западной части Северной Америки имело менее выраженный характер, чем в Евразии.
За 10 тысяч лет, прошедших с окончания эпохи похолодания верхнего плейстоцена вечная мерзлота значительно отступила. Криолитозона Евразии утратила ярко выраженную широтную зональность, присущую ей в верхнем плейстоцене, которая значительно нарушается за счет усиливающейся континентальное™ климата в направлении с запада на восток. В северной Америке влияние континентальностн не столь заметно сказывается на конфигурации современной вечной мерзлоты, которая здесь ближе к широтно-зональной, чем в Евразии. Это объясняется наличием мощной горной преграды, тянущейся с севера на юг вдоль западной границы материка, которая в значительной степени ослабляет проникновение морских воздушных масс вглубь континента. Кроме того, северная ветвь Северо-Тихоокеанского течения (Аляскинское течение), хотя и омывает северо-западную оконечность континента, не оказывает столь заметного влияния как Гольфстрим. Температура поверхностных вод Аляскинского течения состав-
ляет 2°-7° С в феврале и 10°-15° С в августе, в то время как аналогичные величины для Гольфстрима в северных широтах достигают 10°-15° С и 15°-20° С.
В данной работе ставилась задача прогноза изменения современной вечной мерзлоты под воздействием глобального потепления климата. Индикаторами таких изменений являются смещение к северу границы вечной мерзлоты, развитие термокарстовых процессов, изменение температуры мерзлоты на глубине проникновения годовых колебаний. Сглаженную по времени реакцию мерзлоты характеризует профиль температуры и тепловой поток в грунте на глубинах до нескольких сотен метров. Все эти индикаторы свидетельствуют о том, что в настоящее время происходит деградация вечной мерзлоты, особенно усилившаяся в последние два десятилетия.
В геокриологии принято выделять различные типы вечной мерзлоты в зависимости от ее сомкнутости. Наибольшее распространение получила классификация, содержащая три типа мерзлоты: сплошную, прерывистую и островную, причем если определения сплошной мерзлоты совпадают практически во всех классификациях, то прерывистая и островная мерзлота интерпретируются различными авторами по-разному. Наиболее часто подразумевается, что мерзлота является островной, если она занимает до 40% площади (т.е. ее доля не превышает долю немерзлой почвы), прерывистой, если она распространена на 40%-80% площади, и сплошной, если ее доля превышает 80%.
Одной из задач диссертации являлась разработка геокриологических моделей, при помощи которых можно было бы рассчитывать положение границ различных типов вечной мерзлоты по стандартно измеряемым на метеостанциях климатическим данным, и применение таких моделей для оценки последствий антропогенного изменения климата в области криолитозоны северного полушария. По предварительным данным изменение климата окажет заметное воздействие на криолитозону и многие природные процессы в области высоких широт, причем влияние потепление станет существенным уже в ближайшие десятилетия.
3. Математическое моделирование последствий изменения климата в области криолитозоны.
Для прогноза геокриологических последствий антропогенного изменения климата были разработаны равновесная и динамическая модели вечной мерзлоты, позволяющие рассчитывать ее основные параметры по климатическим данным. В основу равновесной модели положена эмпирическая связь между нормами климатических характеристик и границами сплошной, прерывистой и
островной геокриологических зон. Модель использует данные о температуре воздуха, толщине и плотности снежного покрова, типе почвы и ее теплофизиче-ских свойствах, при помощи которых рассчитывается почвенно-мерзлотный индекс, ^ :
Р = У^У (2)
" VI V •
где ГТ^ и 2Т + - годовые суммы отрицательных и положительных температур на
поверхности почвы. При отсутствии снежного покрова суммы температур воздуха и поверхности почвы считаются равными. Температура почвы под снегом рассчитывается по следующей формуле:
ТП = Т; +Апсо8(^р), (3)
где Тв - средняя годовая температура воздуха, А - годовая амплитуда температуры почвы, Р- продолжительность года, I - время, прошедшее с начала года.
Амплитуда температуры почвы рассчитывается с учетом отепляющего воздействия снежного покрова при помощи следующего соотношения:
(
Ап = А ехр -г /---(4)
V У«ен Р)
Здесь Ап и Ав обозначают годовые амплитуды температуры почвы и воздуха, гсн и асн - средняя за зиму высота и коэффициент температуропроводности снега.
Средняя высота снега рассчитывается как взвешенная сумма по месяцам:
гсн = 5т2^|£-^(к-(М))| (5)
Здесь к - число месяцев со снегом, г. - сумма осадков в месяце с номером ¡, ро -
относительная (безразмерная) плотность снега, ф - географическая широта. Тригонометрический множитель дает поправку на уменьшение высоты снега за счет зимних оттепелей, приближающуюся к единице с увеличением широты.
Модель, математическую формулировку которой составляют формулы (1) - (5), позволяет оценивать термический режим поверхности почвы и прогнози-
ровать распространение вечной мерзлоты, поскольку эмпирически установлено, что изолинии почвенно-мерзлотпого индекса 0,50, 0,60 и 0,67 с высокой степенью точности соответствуют границам островной, прерывистой и сплошной криоли-тозоны. Несмотря па простоту математической формулировки и небольшое количество входных параметров, модель хорошо воспроизводит не только современные границы вечной мерзлоты, но также и границы криолитозоны, существовавшие в более теплые эпохи прошлого.
Еще одна равновесная модель, которая применялась для прогноза изменения глубины сезонного протаивания, была основана на полу-эмпирической схеме расчета глубины протаивания/промерзания, разработанной В.А. Кудрявцевым. Эта схема достаточно хорошо известна, и обладает тем достоинством, что позволяет проводить расчеты при наличии небольшого числа входных параметров. В простейшем варианте для расчета требуются температура воздуха (месячные данные), снежный покров, высота и тип растительности и геплофизи-ческие свойства почвы, во многом определяемые ее типом и влажностью.
Равновесные модели использовались в диссертации для оценки обусловленных потеплением климата геокриологических процессов, термическая инерция которых относительно мала. К таким задачам безусловно относятся расчет глубины сезонного протаивания и температуры почвы в верхнем активном слое мерзлоты. Равновесные модели также можно применять для расчета деградации мерзлоты, хотя надо учитывать, что протаивание мерзлой толщи может происходить достаточно медленно. К геокриологическим задачам, решение которых проводилось с применением динамического моделирования, относятся расчет годового хода протаивания и промерзания почвы; расчет изменения профиля температуры почвы во времени; межгодовая изменчивость глубины протаивания, обусловленная естественными колебаниями климата; расчеты скорости развития термокарста; процессы снеготаяния; внутригодовыс и межгодовые изменения влажности почвы и многие другие.
В научной литературе описывается достаточно большое число динамических моделей, рассматривающих различные аспекты взаимодействия подстилающей поверхности и атмосферы, но лишь три из них, в том числе и разработанная в данном исследовании, в полной мере учитывают специфические черты такого взаимодействия, обусловленные наличием вечной мерзлоты. Все модели учитывают наличие подвижных фазовых границ, разделяющих протаявшую почву, в которой осуществляются процессы миграции тепла и влаги, и мерзлую почву, в которой не происходит заметного массопереноса и меняется лишь тем пера-
тура, что и составляет их основное отличие от моделей, не адаптированных для описания процессов энерго и массобмена в условиях вечной мерзлоты.
Основу моделей составляют два блока, обеспечивающие совместное решение уравнения энергетического баланса подстилающей поверхности и уравнения переноса тепла в слое снега и почве. В первом из них на каждом временном шаге рассчитывается равновесная температура поверхности снега, а при его отсутствии поверхности почвы, и влажность почвы, которая используется в ап-проксимационных соотношениях для уточнения значений ее теплофизических характеристик. Для замыкания системы уравнений, описывающих составляющие теплового баланса, используются полуэмпирические соотношения, связывающие величины испарения, влагозапаса почвы, осадков и поверхностного стока.
Во втором блоке рассчитывается вертикальный профиль температуры и глубина фронтов фазовых переходов, или, иными словами, глубина протаивания или промерзания и мощность талого слоя, если таковой образовался в предшествующие годы. Входными параметрами модели являются суммарная приходящая радиация, температура воздуха, дефицит упругости водяного пара, осадки и облачность. Как в динамической, так и в равновесной моделях для расчета теплофизических свойств почвы, снежного покрова и растительности использовались полуэмпирические формулы, полученные различными авторами путем обобщения данных измерений. Коэффициент теплопроводности минеральной почвы рассчитывался в зависимости от ее влажности я фазового состояния по формуле, предложенной A.B. Павловым:
А = к • (0,001 «р +10.w/p -],])-ll,6.w/р , (7)
I 1 v ^CK I ^СК ' ' ' 1 "CK' v '
где рск - плотность сухой почвы, кг/м3; w - влажность (льдистость), выраженная в миллиметрах воды на метр почвы, (мм/м); к. - эмпирический коэффициент, значения которого приведены в таблице 2.
Таблица 2. Значения эмпирического коэффициента к.
Песок Супесь, суглинок Глина
Мерзлая почва 1,95 1,75 1,60
Талая почва 1,75 1,60 1,50
Для расчета коэффициента теплопроводности органического слоя (торфа) использовались эмпирические формулы, полученные в Государственном
гидрологическом институте на основе обобщения экспедиционных данных по болотным почвам Западной Сибири:
\ = 0,08 ехр(0,00388.\ум), (8)
.4
Хт= (0,615.\ут + 22,2). 10
Обьемный коэффициент теплоемкости всех типов почвы, Су (дж/м^С) рассчитывался через удельную теплоемкость скелета, С£к, (дж/кг»°С), плотность скелета, рск, (кг/м3) и влажность (мм/м) по следующим формулам:
С =С «р +4180»\у + 2090»(\у-\у), (9)
У.М ск гск н у м н-"
С =С .р + 4180•w .
У.Т ск гск т
В этих формулах - льдистость и влажность почвы, \ун - незамерз-
шая влага, (мм/м), 4180 и 2090 - удельная теплоемкость воды и льда, (дж/кг»°С). Характерные значения параметров почвы приведены в таблице 3.
Таблица 3. Характерные значения параметров минеральных н органических почв.
Песок Супесь Суглинок Глина Торф
р , кг/м^ гск ' 1300 1400 1500 1500 200
Ск,Дж/(кг°С) 690 730 775 920 2000
w (min/max), мм/м 150/500 150/500 100/400 100/150 450/900
).м, Вт/(м °С) 1,25/2,65 1,25/2,35 1,15/2,05 1,10/2,00 0,80/2,60
>.т, Вт/(м °С) 1,05/2,15 1,05/1,90 0.90/1,70 0,85/1,60 0,30/0,55
Коэффициент теплопроводности и теплоемкость снежного покрова принимались равными: Хсн = 0,23 вт/(м«°С), ссн = 2090 дж/(кг»°С).
Теплофизические свойства низшей растительности - мохового и лишайникового покрова,- близки к свойствам торфа. Моховый покров обычно подстилается торфяным слоем, образующимся в результате отмирания и разложения самого мха. Поскольку трудно четко разграничить эти два слоя, часто рассматривают свойства всего мохово-торфяного покрова. В целом его теплофизические характеристики ближе к торфу, чем к минеральным почвам, характерной особен-
ностью является значительно более высокая (в 2-3- раза) теплопроводность в мерзлом состоянии, чем в талом. Теплофизические свойства мохово-торфяного покрова зависят от влажности, которая может изменяться в больших пределах. Характерные значения коэффициента теплопроводности талых покровов, соответствующие различной влажности, приведены в таблице 4.
Таблица 4. Характеристики растительных покровов в талом состоянии.
р , кг/м^ V/, мм/м Вт/(м °С)
Лишайник- 70-140 10-30 0,15-0,35
Мох бурый 40-240 5-800 0,15-0,35
Сфагнум 100-270 10-650 0,15-0,40
Полученные в ходе проверочных расчетов результаты подтвердили высокую точность равновесной и динамической моделей вечной мерзлоты при условии, что заданы все необходимые для расчета входные параметры, прежде всего метеорологические переменные (температура воздуха и осадки), и почвенные данные, определяющие ее теплофизические свойства и режим влажности.
4. Автоматизированная информационная система по изменению климата и воздействию потепления на природную среду в области криолитозоны.
Для информационной поддержки и облегчения проведения исследований изменения климата и его последствий была разработана автоматизированная информационная система, включающая в себя базы данных о современном, прошлом и ожидаемом в будущем климате, модели зависящих от климата природных процессов и явлений, средства статистического анализа, визуализации данных и библиографическую информацию.
База климатических данных включает в себя три блока, относящиеся к современному глобальному и региональному климату, климатам трех теплых эпох в прошлом (климатический оптимум голоцена, микулинское межледниковье, теплая эпоха плиоцена), и прогнозы (сценарии) изменения климата, построенные при помощи нескольких моделей общей циркуляции атмосферы, по палеоклима-тическим данным и по современным эмпирическим трендам.
Данные для современного климата охватывают период с конца прошлого столетия до середины 1990-х годов. Они включают в себя длительные ряды средних месячных температур воздуха и осадков на глобальной сети метеостан-
ций и средние многолетние нормы климатических характеристик. Основу блока многолетних месячных норм климатических характеристик составили два архива.
Первый архив содержит данные, полученные на 820 метеостанциях бывшего СССР с 1881 по 1963 год, период осреднения климатических характеристик соответствовал периоду наблюдений. Архив был собран Л,Н. Аристовой и выпущен в виде климатического справочника. В информационную систему вошли средние месячные нормы следующих климатических переменных:
- средняя, минимальная и максимальная суточная температура воздуха;
- средняя суточная температура почвы на поверхности и на глубинах 0,4 и 1,6 м;
- средняя суточная скорость ветра;
- средняя суточная относительная влажность воздуха;
- среднее месячное количество осадков;
- средняя месячная высота снежного покрова;
- среднее в месяце число ясных и пасмурных дней по общей и нижней облачности.
Второй архив был создан в австрийском Институте Прикладного Системного Анализа на основе нескольких существовавших ранее архивов. В него вошли климатический архив Бюро Погоды США, содержащий измерения температуры воздуха и осадков на 2583 станциях за период с 1941 по 1950 год; данные из климатического атласа Уолтера и Литта для 6720 метеостанций с различной длительностью периода непрерывных наблюдений; данные 1057 метеостанций Британской Метеорологической Службы, 13332 станции из архива Легейтса и Уилмотта, а также 148 метеостанций, расположенных в Сибири и около 50 станций в Китае. Поскольку исходные архивы содержали измерения за интервалы времени весьма различной продолжительности, из общего довольно большого числа станций были отобраны лишь 13118, имеющих по меньшей мере 5 лет непрерывных наблюдений в период между 1931 и 1960 годом. Рассчитанные средние за период наблюдений месячные нормы температуры воздуха, осадков и облачности были проинтерполированы в узлы регулярной сетки.
Массив данных, содержащий временные ряды средней месячной температуры воздуха, вошедший в информационную систему, разрабатывался и пополнялся в отделе исследования изменения климата Государственного Гидрологического института более десяти лет. Данные охватывают период с конца прошлого столетия до 1995 года, и представлены измерениями на станциях, общее число которых в настоящее время около 700, в том числе 223 станции на территории бывшего СССР. Данный архив не имеет аналогов в мире по числу станций с длительными однородными наблюдениями. Архив обладает высокой репрезентативностью, поскольку в него вошли многие островные станции.
Временные ряды атмосферных осадков представлены измерениями на глобальной сети станций, включая 622 станции бывшего СССР.
Помимо стандартных метеорологических измерений в информационную систему были включены данные, необходимые для проверки и калибровки прикладных геокриологических моделей. К ним относятся температуры почвы на глубинах (срочные и суточные данные), высота и плотность снежного покрова, влажность почвы и глубина протаивания вечной мерзлоты. Источником данных служили измерения, проводившиеся в течение нескольких лет на стационарах в Западной Сибири (Соленинская, Марре-Сале, Парисенто) и на Аляске (Барроу).
Данные о будущем климате представлены следующими прогнозами.
- Прогнозы, полученные по трем транзитивным моделям общей циркуляции атмосферы и океана: ОРЭЬ89, ЕСНАМ1-А и UK.TR для первой четверти и середины XXI столетия.
- Прогнозы, полученные по трем равновесным моделям общей циркуляции атмосферы: ОРОЬ, 0155 и иКМО для условий установившегося климата при удвоении концентрации углекислого газа в атмосфере.
- Данные палеореконструкций для трех теплых эпох: климатического оптимума голоцена, микулинского межледниковья и оптимума плиоцена.
Данные моделей общей циркуляции атмосферы имеют месячное разрешение по времени, палеореконструкции представлены сезонными аномалиями температуры воздуха и годовым количеством осадков.
Одна из основных функций автоматизированной информационной системы для изучения изменения климата состоит в обеспечении удобной работы с данными и моделями, при помощи которых оценивается воздействие потепления на природную среду. Для этого предусмотрена возможность отбора нужных данных по заданным критериям, просмотра и редактирования данных, выделения групп (нескольких метеостанций, регионов, континентов) и работы с группами, проведения статистического анализа данных, пространственного и временного осреднения, визуализации и построения карт.
Информационная система содержит геокриологические модели, модель для оценки агроклиматического потенциала при потеплении, а также модель, оценивающую изменение затрат на отопление и кондиционирование зданий. Этот блок может легко быть дополнен новыми моделями, однако поскольку в данном исследовании основной акцент сделан на оценку ожидаемых последствий потепления в высоких широтах, иные модели, не имеющие отношения к процессам в области современной криолитозоны, в него включены не были.
К числу задач, традиционно возникающих при использовании прикладных моделей, относится подбор необходимых входных данных и проверка расчетов на независимом материале. После проведения расчетов часто бывает необходимо представить результаты в виде карты. Разработанная и реализованная в информационной системе схема взаимодействия прикладных моделей, баз данных и средств визуализации расчетов обеспечивает автоматическое выполнение всех указанных выше этапов расчета. Примеры ее применения для решения различных прогностических задач рассматриваются в пятой главе диссертации.
5. Оценка важнейших природных и социально-экономических последствий изменения климата в области криолитозоны северного полушария.
Информационная система была применена для построения эмпирического прогноза температуры воздуха, оценки воздействия потепления на распространение вечной мерзлоты и глубину сезонного протаивания, агроклиматический потенциал северных территорий и энергозатраты на обогрев и кондиционирование зданий. Полученные результаты дали возможность выделить регионы, в которых возможны проявления опасных и катастрофических последствий потепления. Применительно к криолитозоне, в настоящее время занимающий около 67"о территории России, опасность заключается прежде всего в потере устойчивости фундаментов различных сооружений на вечной мерзлоте в процессе ее деградации, и возможность их частичного или полного разрушения. Среди благоприятных последствий потепления следует назвать улучшение агроклиматического потенциала северных территорий и сокращение затрат на обогрев зданий.
Оценке последствий потепления предшествовал анализ современных трендов изменения температуры воздуха, целью которого являлась проверка адекватности используемых в расчетах прогнозов климата эмпирическим данным, а также построение регионального эмпирического прогноза изменения температуры воздуха для первой четверти следующего столетия.
Обсуждая возможность построения прогноза климата по современным эмпирическим данным, следует учитывать, что надежным предиктором может быть лишь средняя годовая глобально осредненная температура воздуха, по этой причине первым шагом на пути построения такого прогноза должен быть анализ корреляционных зависимостей между аномалиями региональных и глобальных климатических характеристик и выделение тех регионов, где эти корреляции статистически значимы. Следующим шагом является расчет коэффициентов линейной связи аномалий региональных и глобальных параметров, распределение которых можно рассматривать в качестве эмпирического прогноза климата.
<0
1.5-2.5 2.5-3.5 3.5-4,5 4.5-5.5 5.5-6.5 >6.5
Рис. 3. Коэффициент линейной связи региональной и глобальной температуры воздуха.
Результаты расчетов коэффициента линейной связи средней годовой региональной и глобальной температуры воздуха показаны на рисунке 3. Данные на карте относятся лишь к тем рег ионах, где коэффициент корреляции аномалий региональной и глобальной температуры превышает 0,5. Сделать какие-либо выводы относительно южного полушария, Канады, большей части Западной Европы, севера Скандинавии и Индокитая не удается, поскольку там таких станций оказалось мало. В северном полушарии имеются несколько крупных регионов, для которых можно построить эмпирический прогноз климата. К ним относятся Аляска, центральная часть США, вся азиатская часть России, где коэффициент корреляции превышает 0,8. В центральной части Европейской территории России коэффициент корреляции имеет значения 0,6 - 0,7, при этом еще можно дать статистический прогноз изменения температуры воздуха, хотя его точность не будет очень высока. Примечательно, что в северной Атлантике, Великобритании, на юге Скандинавского полуострова корреляции статистически значимы и отрицательны.
Используя данные рисунка 3, можно сделать ряд выводов о характере современного потепления. Обращает на себя внимание то обстоятельство, что потепление в центральных областях континентов значительно больше средней по всему земному шару величины, превышая ее в 5 - 6 раз. Заметна также зависимость потепления от континентальности, в особенности ярко выражененная на территории Евразии. Надо также отметить, что вся криолитозона находится в области, где в течение последних 25 лет наблюдаются наибольшие изменения температуры воздуха. Оценить влияние потепления на распространение вечной мерзлоты можно при помоши равновесной геокриологической модели. На рисунке 4 показаны результаты таких расчетов для 2050 года по прогнозам транзитивных моделей ОРВЬ, ЕСНАМ1-А и иКТЯ, Сплошными линиями на картах обозначена современная южная граница криолитозоны. Все три карты показывают значительное сокращение вечной мерзлоты в северном полушарии. В таблице 5 приведены оценки площади различных геокриологических зон в северном полушарии для современных з'словий и для климата 2050 года по модельным прогнозам. Площади даны в миллионах квадратных километров, в скобках указан процент, который составляет прогнозируемая к 2050 году площадь зоны от ее современной величины.
Таблица 5. Современные и прогнозируемые на 2050 год площади криолитозон.
Общая площадь Сплошная Прерывистая Островная
Современная 27.22(100%) 12.43(100%) 6.05 (100%) 8.74(100%)
вРОЬ89 23.36 (86%) 10.00 (80%) 5.11 (84%) 8.25 (94%)
ЕСНАМ1-А 24.57 (90%) 10.92 (88%) 5.74 (95%) 7.90 (90%)
иктя 22.75 (84%) 9.28 (75%) 5.42 (90%) 8.05 (92%)
Комментируя прогностические карты, показанные на рисунке 4, следует отметить, что поскольку термическая инерция вечной мерзлоты в равновесных расчетах не учитывается, терминологически не вполне корректно говорить о сокращении площади вечной мерзлоты или какой-либо ее зоны к 2050 году. К примеру, переход части современной сплошной мерзлоты в прерывистую предполагает образование сквозных таликов, пронизывающих всю ее толщу, и в большинстве случаев для их появления потребуется более 50 лет. В равновесных расчетах под изменением распространения вечной мерзлоты следует понимать изменения не во всей ее толще, а лишь в верхнем слое, термический режим которого в течение нескольких лет приходит в равновесие с климатом и состояние которого представляет наибольший интерес для практических приложений.
GFDL89 ЕСНАМ1-А UK.TR
сплошная прерывистая островная
Рис. 4. Прогноз распространения вечной мерзлоты к 2050 году.
Для оценки скорости протаивания и вертикального развития таликов с поверхности в области деградации вечной мерзлоты можно использовать динамическую модель. Результаты расчетов указывают на то, что максимальная скорость вертикального развития талика в первые годы после его формирования при прогнозируемых темпах потепления не превышает 0,2-0,3 метра в год, в дальнейшем она экспоненциально замедляется. Скорость смешения к северу современных границ криолитозоны в ближайшие десятилетия может составлять от 1-1,5 километров в год в районах Западной Сибири, до 3 и более километров в год в восточной части криолитозоны России, что находится в хорошем соотвествии с оценками, полученными A.B. Павловым из анализа эмпирических данных.
Для инженерно-строительного планирования наибольший интерес представляют выводы о том, как может измениться максимальная глубина сезонного протаивания. Она почти полностью определяется условиями одного года, лишь в случае очень значительных межгодовых колебаний климата некоторое влияние оказывают условия одного-двух предшествующих лет, и при наличии прогноза климата ее можно рассчитать достаточно точно.
При одинаковых климатических условиях различные типы грунта протаивают на разную глубину. Наиболее сильно протаивают пески, меньше всего глина. Супеси и суглинки занимают промежуточное положение. Глубина про-таивания также зависит от влажности почвы, рельефа и растительности, в особенности от мохово-торфяного покрова. Действие всех перечисленных факторов достаточно хорошо изучено, и не составляет большого труда учесть их при расчете глубины сезонного протаивания почвы на каком-либо ограниченном участке, однородном как в отношении рельефа, литологического строения и влажности (льдистости) подстилающего грунта, так и в отношении напочвенных покровов. Значительно сложнее проводить такие расчеты для всей криолитозоны северного полушария, поскольку не только в глобальном и континентальном, но даже и в крупнорегиональном масштабе не представляется возможным учесть реальный состав и влажность почвы, особенности снежного покрова и растительности. В такой ситуации можно провести расчеты и построить картосхемы глубины сезонного протаивания на континентах северного полушария при определенных допущениях о составе и влажности почвы и свойствах напочвенных покровов. Такие картосхемы с изолиниями глубины сезонного протаивания для заданного типа почвы, влажности и напочвенного покрова, были рассчитаны, используя алгоритм В.А. Кудрявцева, современные климатические нормы температуры воздуха и осадков и прогнозы их изменения к середине следующего столетия. На рисунке 5 показаны полученные по прогнозу ЕСНАМ1-А относительные изменения максимальной глубины сезонного протаивания. Расчет проводился с использованием почвенной карты РАО, при помощи которой определялся преобладающий тип почвы в каждом узле пространственной сетки. Предполагалось наличие верхнего органического слоя почвы толщиной 10 см, и слоя низшей растительности (мха) высотой 5 см. Теплофизические свойства почвы и растительности, использованные в расчетах, приведены в таблицах 2-4. Из данных рисунка 5 следует, что к середине следующего столетия глубина сезонного протаивания в северной части криолитозоны может возрасти на 20-30%. Построенные прогностические карты дают возможность определить такие потенциально опасные регионы и своевременно разработать меры по минимизации негативных последствий, связанных с устойчивостью строительных сооружений.
Следует назвать благоприятные последствия потепления в области криолитозоны. В диссертации дан прогноз изменения агроклиматических показателей, прежде всего продолжительности вегетационного периода и сумм вегетационных температур, который свидетельствует о наличии благоприятных предпосылок для развития северного земледелия и о возможности увеличения зоны зем-
1 ' - 1 : <10%
10%-15%
ИИ 15%-20%
Ж 20%-25%
■1 25%-30%
■1 >30%
Рис. 5. Прогноз изменения глубины протаивания к 2050 году по сценарию ЕСНАМ1-А.
педелия на несколько миллионов гектаров к середине следующего столетия. Расчеты также указывают на то, что рентабельность экономики северных регионов может заметно улучшиться из-за уменьшения суровости климатических условий и :окращения затрат на отопление. Важным параметром, характеризующим тепло-¡атраты на отопление в течение всего холодного периода года, является дефицит гепла, который необходимо восполнить для поддержания комфортной температуры внутри помещений, принимаемой равной 18 градусам. Дефицит тепла определяется суммированием разностей между температурой воздуха внутри помеще-
□
0%-5%
5%-10%
10%-15%
15%-20%
20%-25%
25%-30%
>30%
Рис. 6. Прогноз изменения дефицита тепла к 2050 году по сценарию ЕСНАМ1-А.
ний (18 ®С) и средней суточной температурой наружного воздуха за период, когда она не превышает 8 градусов. Были получены прогнозы сокращения дефицита тепла к середине следующего столетия, один из которых, рассчитанный по климатическому сценарию модели ЕСНАМ1-А, показан на рисунке 6. Прогнозы этой величины, хотя и различаются региональными деталями в зависимости от выбора сценария изменения климата, свидетельствуют о том, что к середине следующего столетия затраты на отопление могут быть заметно снижены. В Евразии сокращение дефицита тепла на Дальнем Востоке, в Приморье и в Западной Сибири будет меньше, чем на Европейской части. Уменьшение дефицита тепла составит до 5% на Дальнем Востоке; 5%-10% в Восточной Сибири; 10%-15% в Казахстане, в Западной Сибири, на побережье Баренцова моря и на севере Скандинавии; около 15% в центральном и северо-западном регионах России; 40% и более в странах Западной Европы.
Заключение и основные выводы.
Основные новые результаты, полученные с использованием разработанной автоматизированной информационной системы, и выводы, которые можно сделать на их основе, сводятся к следующему:
1. Проведенный анализ временных рядов температуры воздуха и осадков на метеостанциях северного полушария за последние 35 лет указывает на то, что в ряде регионов Евразии и Северной Америки наблюдаются высокие корреляции между аномалиями температур воздуха, измеренных на станциях, и средней годовой глобально осредненной температурой воздуха. К таким регионам относится северо-восток и центральная часть Северной Америки, вся азиатская часть бывшего СССР, северные районы Китая и Монголии. В этих районах коэффициент корреляции региональной и глобальной температуры воздуха имеет значения 0,8 и выше. Меньшие значения, от 0,6 до 0,7, коэффициент корреляции имеет в Центральной и Южной части европейской территории бывшего СССР. В Западной Европе значимые корреляции отсутствуют. Это указывает на то, что на климат Западной Европы глобальные климатические процессы оказывают не такое сильное влияние, как региональные и зональные факторы (Гольфстрим, Альпы).
2. Анализ атмосферных осадков не выявил сколько-нибудь значимых закономерностей их связи с глобально осредненной температурой воздуха.
3. При наличии сильных корреляций региональных и глобальной температуры воздуха можно дать статистический прогноз ее изменения на период в 2-3 десятилетия. Согласно такому прогнозу, увеличение средней годовой температуры воздуха на территории всей современной криолитозоны будет в 5-6 раз превосходить среднюю глобальную величину. Хотя более сильное потепление высоких широт по сравнению с остальными регионами мира следует из всех прогнозов, полученная по эмпирическим данным величина заметно превышает оценки моделей общей циркуляции атмосферы, и более соответствует картине распределения потепления, которую дают палеоклиматические реконструкции.
4. Несомненным следствием потепления будет заметное сокращение площади распространения вечной мерзлоты, которая к середине следующего столетия уменьшится в северном полушарии на 10%-15%, при этом сокращение площади криолитозоны в Евразии будет больше, чем в Северной Америке.
5. В результате потепления произойдет увеличение глубины сезонного протаивания в области криолитозоны, что может вызвать потерю устойчивости фундаментов в северных регионах и привести к неблагоприятным и опасным последствиям для инженерно-строительных и транспортных сооружений. Оценки
изменения температуры воздуха ДТв, почвы ДТп, и глубины сезонного протаива-ния АХддя основных геокриологических районов приведены в таблице 6.1.
Таблица 6. Ожидаемые изменения параметров криолитозоны к 2050 году.
Область криолитозоны ДТ,°С. в' ДТ,°С. п' лг, %
Арктическое побережье Аляски и Канады 0.5-1.0 0.5- 1.0 30% - 50%
Центральная Канада 1.5-2.5 1.0-2.0 30 %- 50%
Западное побережье Канады 1.0-2.0 0.5- 1.5 10%-20%
Север Скандинавии 1.5-2.0 1.0-2.0 10%-20%
Западная Сибирь 1.5-2.5 1.5-2.0 15%-25%
Якутия 1.5-2.5 1.5-2.0 25% - 50%
Дальний Восток 1.0-2.0 1.0-2.0 40% - 50%
6. Потепление будет иметь также и благоприятные последствия в высоких широтах, среди которых можно назвать улучшение агроклиматического потенциала северных земель и сокращение дефицита тепла. Если первое из них относится скорее к социальной сфере, то сокращение дефицита тепла позволит уменьшить расход энергии на отопление зданий, экономия при этом составит от 5%-10% в наиболее северных областях, до 40% в Западной Европе. Значительно сократится также и продолжительность отопительного периода.
7. В южных странах возрастет потребность в кондиционировании воздуха в теплый период года. Связанные с этим дополнительные затраты могут частично компенсировать, а в ряде стран и превзойти экономию энергии на отопление.
Основное внимание было уделено изучению изменения климата и оценке его последствий в области криолитозоны, однако исследовательские возможности разработанной информационной системы не ограничиваются только лишь этими проблемами. Созданные глобальные банки климатических и почвенных данных, развитые в системе средства сопряжения моделей последствий потепления и необходимых для проведения расчетов данных, средства визуализации исходных данных, результатов расчетов и построения карт позволяют проводить широкой комплекс исследований по проблемам, связанным как с современным и имевшим место в прошедшие эпохи изменением климата, так и с природными, экономическими и социальными последствиями глобального потепления.
Работа в период с 1995 года по настоящее время поддерживалась тремя международными научными грантами: Международного научного фонда (грант JP-100), совместного российско-американского фонда Миннауки и CRDF (грант RG1-225), и Национального научного фонда США (грант ОРР - 9614537).
По теме диссертации автором опубликовано более 50 работ, в том числе:
1. Анисимов O.A., 1988. Комплексная методика расчета радиационного режима неоднородной растительности,- Метеорология и гидрология, №1, с.48-55.
2. Анисимов O.A., 1989. Об оценке чувствительности вечной мерзлоты к изменению глобального термического режима земной поверхности.- Метеорология и гидрология, №1, с.79-84.
3. Анисимов O.A., 1990. Оценка влияния ожидаемых изменений климата на режим вечной мерзлоты.- Метеорология и гидрология, №3, с.40-46.
4. Анисимов O.A., 1994. Оценка макроклимата криолитозоны Евразии и распространение вечной мерзлоты в условиях глобального потепления.- Метеорология и гидрология, №9, с. 12-19.
5. Анисимов O.A., 1996. Глобальное потепление и вечная мерзлота в северном полушарии. В кн.: Тезисы докладов научной конференции по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнений природной среды,- Москва.
6. Анисимов O.A., Скворцов М.Ю., 1989. О применении математических моделей для исследования влияния изменения климата на вечную мерзлоту,- Метеорология и гидрология, №9, с.98-103.
7. Анисимов O.A., Менжулин Г.В., 1981. К проблеме моделирования радиационного режима в растительном покрове,- Метеорология и гидрология, №10, с.88-93.
8. Анисимов O.A., Менжулин Г.В., 1985. К статистической теории радиационного поля в растительности,- Метеорология и гидрология, №10, с.94-99.
9. Анисимов O.A., Нельсон Ф.Э., 1990. О применении математических моделей для исследования взаимосвязи климат-вечная мерзлота,- Метеорология и гидрология, №10, с. 13-19.
10. Анисимов O.A., Нельсон Ф.Э., 1993. Зональность криолитозоны России в условиях аптропогенного изменения климата.- Метеорология и гидрология, №10, с.87-93.
11. Анисимов O.A., Нельсон Ф.Е., 1997. Моделирование распространения вечной мерзлоты в условиях изменения климата: применение результатов балансо-
вых и транзитивных расчетов по моделям общей циркуляции атмосферы. В кн.: Тезисы докладов международной конференции "Проблемы криосферы Земли".-Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН.
12. Анисимов О.А., Нельсон Ф.Е., 1997. Влияние изменения климата на вечную мерзлоту в Северном полушарии.- Метеорология и Гидрология, №5, с.71-80.
13. Анисимов О.А., Нельсон Ф.Е., 1998. Прогноз изменения мерзлотных условий в северном полушарии: применение результатов балансовых и транзитивных расчетов по моделям общей циркуляции атмосферы,- Криосфера Земли, т. II, №2, с.53-57.
14. Анисимов О.А., Чугунов В.А., 1987. К вопросу о радиационном режиме тростниковых сообществ дельты реки Или. В кн.: Исследование влияния изменений окружающей среды и климата на продуктивность сельскохозяйственных культур. Труды ГГИ, вып. 327.- Ленинград: Гндрометеоиздат.-160.
15. Анисимов О.А., Поляков В.Ю., Нельсон Ф.Е., 1997. Геокриологическая информационная система северного полушария и ее применение для оценки последствий изменения климата в области вечной мерзлоты. В кн.: Тезисы докладов международной конференции "Проблемы криосферы Земли".- Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН.
16. Anisimov О. А., 1989. Changing climate and permafrost distribution in the Soviet Arctic.- Physical Geography, 10, №3, p.285-293.
17. Anisimov O., Fukshansky L., 1992. Stochastic radiation in macroheterogeneous random optical media.- Journal of Quantitative spectroscopy and radiation transfer, №4, p.169-186.
18. Anisimov 0., Fukshansky L., 1993. Light-vegetation interaction: a new stochastic approach for description and classification.- Agricultural and Forest Meteorology, №6, p.93-110.
19. Anisimov O., Fukshansky L., 1997. Optics of vegetation: implications for the radiation balance and photosynthetic performance.- Agricultural and Forest Meteorology, №85, p.33-49.
20. Anisimov O., Menzhulin G., 1989. Changing climate effect in polar regions. In book: Hypothetical Scenario Essays for the Greenhouse Glasnost Program.- Boulder, Colorado.
21. Anisimov O. A., Nelson F. E., 1996. Permafrost and global warming: strategies of adaptation. In book: Adaptating to Climate Change: Assessment and Issues.- New York: Springer-Verlag.- 475 p.
22. Anisimov O. A., Nelson F. E., 1996. Permafrost distribution in the northern hemisphere under scenarios of climatic change.- Global and Planetary Change, 14, №1, p.59-72.
23. Anisimov O. A., Nelson F. E., 1997. Permafrost zonation and climate change: results from transient general circulation models.- Climatic Change,35, p.241-258.
24. Anisimov O., Nelson F., Shiklomanov N., 1995. Permafrost map of the northern hemisphere.- Frozen Ground, №1, p.cover page..
25. Anisimov O. A., Shiklomanov N. I., Nelson F. E., 1997. Global warming an< active-layer thickness: results from transient general circulation models.- Global an< Planetary Change, 15, №3-4, p.61-78.
22. Anisimov O., Nelson F., Shiklomanov N., 1995 Permafrost map of the northern hemisphere.- Frozen Ground, №1, p.cover page..
23. Anisimov O. A., Shiklomanov N. I., Nelson F. E., 1997. Global warming and active-layer thickness: results from transient general circulation models.- Global and Planetary Change, 15, №3-4, p.61-78.
Текст научной работыДиссертация по географии, доктора географических наук, Анисимов, Олег Александрович, Санкт-Петербург
Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу
окружающей Среды
Государственный гидрологический институт
На правах рукописи
Анисимов ОлегДлександрович
Изменение климата в области криолитозоны северного полушария и оценка его последствий
11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология
Диссертация на соискание ученой степени ' доктора географических наук
-г ¿г,
чГ?
Санкт-Петербург
Оглавление.
Введение 1
Глава 1. Антропогенное изменение климата: методы прогноза и сравнение оценок для области криолитозоны северного полушария. 7
1.1. Современные методы прогноза изменения климата. 7
1.2. Сравнение прогнозов изменения климата и оценка точности. 26
1.3. Ожидаемые изменения климата в области криолитозоны северного полушария в первой половине следующего столетия. 37 Глава 2. Происхождение многолетнемерзлых пород и современное состояние исследования взаимодействия климата и вечной мерзлоты. 45
2.1. Формирование криолитозоны северного полушария и ее связь с климатом. 45
2.2. Геокриологическое картирование. 57
2.3. Ожидаемые геокриологические последствия глобального изменения климата. 62 Глава 3. Математическое моделирование последствий изменения
климата в области криолитозоны. 68
3.1. Равновесные модели взаимодействия вечной мерзлоты и климата. 69
3.2. Динамическое моделирование взаимодействия вечной мерзлоты
и климата. 75
3.3. Методика расчетов, идентификация параметров и оценка точности геокриологических моделей. 85 Глава 4. Автоматизированная информационная система по изменению климата и воздействию потепления на природную среду в
области криолитозоны. 100
4.1. База данных о современном, прошлом и будущем климате. 103
4.2.1. Средние многолетние нормы климатических характеристик. 106
4.2.2. Ряды данных за продолжительные периоды наблюдений. 110
4.2.3. Прогнозы изменения климата и данные о палеоклиматах
теплых эпох. 117
4.3. Сервисные программы работы с данными. 118
4.4. Интеграция прикладных моделей, современных климатических
данных и прогнозов изменения климата. 123
Глава 5. Оценка важнейших природных и социально-экономических последствий изменения климата в области криолитозоны северного
полушария. 129
5.1. Современное потепление как модель климата будущего. 130
5.2. Изменение распространения вечной мерзлоты в северном полушарии. 136
5.2.1. Прогноз по модели GFDL. 139
5.2.2. Прогноз по модели ЕСНАМ1-А. 140
5.2.3. Прогноз по модели UKTR. 141
5.2.4. Учет термической инерции. 142
5.3. Изменение глубины сезонного протаивания при потеплении. 146
5.4. Изменение агроклиматического потенциала северных территорий при потеплении. 154
5.5. Изменение затрат на обогрев и кондиционирование зданий. 163 Заключение и основные выводы. 175 Литература. 180
Введение
Последние два десятилетия во многих областях физической географии происходит значительное увеличение интереса к исследованиям, направленным на изучение изменения климата и его последствий. Значение таких глобальных изменений настолько велико, что в течение несколько лет практически сформировалось новое междисциплинарное научное направление, включающее элементы климатологии, физической географии, гидрологии, экологии, биологии, почвоведения, геокриологии, теплофизики, инженерных наук, а в последнее время также и социальной географии. Объединяющим началом всех этих дисциплин является изучение воздействия изменения климата на окружающую среду, и общая задача изучения как современных, так в особенности и ожидаемых в ближайшие несколько десятилетий последствий глобального потепления.
Проблемы климата давно вышли за рамки национальных интересов. Не только научная, но и мировая политическая общественность признают необходимость и неотложность их изучения с целью выявления позитивных, неблагоприятных и катастрофических последствий глобального изменения климата для природной среды, экономики и социальной сферы, а также разработки экономических и политических стратегий адаптации к предстоящему потеплению. Показательна в этом плане инициатива государств, подписавших в начале 80-х годов так называемую "Рамочную конвенцию", накладывающую ограничения на использование технологий, приводящих к антропогенному усилению потепления. В настоящее время движение за ограничение роста факторов, способствующих изменению климата, получило значительную поддержку в большинстве стран мира, в первую очередь в наиболее экономически развитых странах, на долю которых приходится наибольшая часть антропогенных выбросов парниковых газов /194/.
Впервые проблема антропогенного изменения климата была сформулирована М.И. Будыко, который в начале 70-х годов предсказал, что слабый тренд к похолоданию вскоре сменится на потепление за счет усиления парникового эффекта, производимого увеличением концентрации углекислого газа в атмосфере /41/. Хотя он раскрыл в своих работах основные механизмы, неизбежно приводящие к потеплению климата /42-45/, эта точка зрения не получила широкой поддержки вплоть до 80-х годов, когда происходившее до 1972 года слабое понижение средней глобальной температуры воздуха сменилось устойчивым трендом к ее повышению и проблема антропогенного изменения климата была признана научной общественностью. Изучение этой проблемы проводилось главным образом в России и США, специалисты этих двух стран
обьединили свои усилия, создав в середине 70-х годов VIII Рабочую Группу по исследованию изменения климата и его последствий, в рамках которой были проведены исследования многих аспектов проблемы глобального потепления. За 20 лет существования группы ее участниками было опубликовано несколько сотен научных работ, в том числе совместный подробный отчет, подготовленный по специальному поручению президентов СССР и США и выпущенный в 1990 году на английском ив 1991 году на русском языке /52, 220/.
Глобальное потепление приведет к значительным природным изменениям, и изучение его последствий составляет самостоятельное научное направление, быстро развивающееся в последние несколько лет. Поскольку имеются принципиальные ограничения точности и достоверности долгосрочных прогнозов изменения климата, едва ли в ближайшие годы следует ожидать заметного увеличения достоверности прогнозов, охватывающих период до середины следующего столетия. В то же время очевидна необходимость оценки влияния изменения климата на окружающую среду, природные и социально-экономические процессы, поскольку даже предварительные исследования указывают на возможные неблагоприятные, а иногда и катастрофические последствия потепления. В такой ситуации наиболее приемлемым решением является разработка и использование в прикладных исследованиях сценариев изменения климата, которые, в отличие от прогнозов, являются условными, а не абсолютными, в том смысле, что каждый из них описывает лишь один из возможных вариантов развития потепления.
Подход, при котором вместо прогнозов рассматриваются сценарии изменения климата, был принят мировой научной общественностью в качестве стандарта для изучения последствий глобального потепления, и с его помощью были получены "условные" оценки влияния предстоящего потепления на окружающую среду, важнейшие природные и социально-экономические процессы /198/. Обычно каждый сценарий ассоциируют с конкретным методом, использованным для его построения, с определенными предположениями относительно параметров климатической системы, например, чувствительностью климата, и предстоящего в будущем изменения концентрации основных парниковых газов в атмосфере.
В современной климатологии получено несколько десятков различных сценариев изменения климата. Оценка последствий потепления климата затрудняется в последнее время тем, что практически каждому исследователю приходится рассматривать многие прогнозы основных элементов климата -температуры воздуха и осадков, диапазон ожидаемого по различным сценариям изменения которых весьма велик. В этой ситуации возникает потребность в
разработке некоторой системы, в рамках которой осуществлялось бы обобщение современных данных измерений климатических переменных и выделение эмпирических трендов их изменения; построение прогнозов климата, их сравнение, оценка достоверности, приведение к определенным интервалам времени в будущем; анализ наиболее важных последствий потепления прежде всего в тех регионах, где прогнозы изменения климата обладают достаточно высокой достоверностью и предсказывают наиболее быстрое и значительное потепление.
Разработка такой информационной системы и отдельных ее компонентов, в первую очередь блока прикладных моделей, а также ее применение для оценки важнейших последствий потепления в области высоких широт северного полушария и была основной целью данного исследования. В процессе работы были решены также следующие конкретные задачи.
- Разработана методика и проведено сравнение прогнозов изменения климата, полученных различными методами для определенных интервалов времени будущего, для условий удвоения содержания в атмосфере углекислого газа и для трех теплых эпох прошлого, с современными эмпирическими трендами изменения температуры воздуха и осадков.
- Проведен анализ современных трендов температуры воздуха и выделены области, в которых наблюдаются значимые корреляции годовых аномалий региональной и глобальной температуры. Установлены статистически значимые коэфициенты линейной связи региональных и глобальной аномалий средней годовой температуры воздуха и проведена оценка достоверности прогнозов климата, полученных с применением моделей общей циркуляции атмосферы и метода палео аналогов.
- Разработаны математические модели для оценки последствий потепления в области криолитозоны и проведена проверка точности моделей по эмпирическим данным как для условий современного климата, так и для климатов двух теплых эпох прошлого.
Создана рабочая версия информационной системы для изучения закономерностей современного глобального климата, его изменения в будущем и для оценки основных последствий потепления в области криолитозоны. Система ориентирована на использование возможностей персонального компьютера класса Pentium в среде Windows 3.1, 3.11, 95, NT и предназначена для научных исследований, проведения инженерных расчетов и информационной поддержки решения задач природопользования и планирования социально-экономического развития северных территорий.
- Дана оценка важнейших последствий потепления в области высоких широт северного полушария: проведены расчеты изменения распространения вечной мерзлоты и глубины сезонного протаивания криолитозоны; даны оценки изменения агроклиматического потенциала северных территорий при потеплении; рассмотрено влияние изменение климата на продолжительность отопительного периода и энергозатраты на отопление в странах, расположенных в северном полушарии.
- Выделена группа последствий потепления, реализация которых наносит ущерб или представляет угрозу для экономики и социальной сферы в северных землях. Определены пороговые значения потепления, при превышении которых многократно возрастает возможность реализации неблагоприятных последствий, и построены соответствующие прогностические карты.
Перечисленные задачи соответствуют ряду исследовательских направлений, сформулированных в Федеральной Целевой Программе изучения влияния глобального изменения климата на экономику и природную среду, принятую Правительством России в 1996 году, реализация которой рассчитана на период с 1997 по 2000 год. Такими направлениями программы являются разработка автоматизированной системы мониторинга климата и его изменений, а также изучение влияния предстоящего изменения климата на вечную мерзлоту.
Постановка и решение перечисленных задач рассматриваются в пяти последующих разделах.
В первой главе рассматриваются различные методы прогноза климата, проводится сравнение полученных с их помощью результатов и предлагается сценарий наиболее вероятного изменения климата в высоких широтах северного полушария. При составлении такого сценария используются все применяемые в настоящее время исследовательские методы: эмпирический метод палеоклиматических аналогов, модели общей циркуляции атмосферы и океана, и анализ современных климатических трендов.
Различные прогнозы климата сходятся в том, что потепление будет наиболее сильным в высоких широтах северного полушария, увеличение средней годовой температуры воздуха в арктических и субарктических регионах будет превышать среднюю глобальную величину в 2-3 раза /52, 170, 198/. Как будет показано, в высоких широтах северного полушария различия полученных независимыми методами оценок предстоящих изменений температуры воздуха, как правило, невелики по сравнению с ожидаемой величиной ее приращения, что является главной климатической особенностью арктических и суб-арктических регионов, отличающей их от остальных регионов мира. По этой причине становится очевидным, что изучение последствий изменения климата в северных регионах
несомненно относится к числу задач, решение которых возможно и необходимо уже в настоящее время. В особенности актуальной эта проблема является для России, более 60 процентов территории которой находится в настоящее время в области распространения многолетнемерзлых пород. История формирования вечной мерзлоты, ее современное состояние и чувствительность к изменению климата будут рассмотрены во второй главе диссертации.
В третьей главе диссертации будут рассмотрены математические модели, позволяющие оценивать различные последствия изменения климата в области криолитозоны. Главным объектом моделирования является вечная мерзлота, ее распределение на континентах северного полушария, тепловой режим и взаимодействие с изменяющимся климатом. Кроме того, модели позволяют оценивать изменение агроклиматического потенциала северных территорий и теплозатрат на обогрев зданий.
В четвертой главе рассматривается автоматизированная информационная система по изменению климата и оценке его последствий в области современной криолитозоны северного полушария, обьединяющая эмпирические данные о современном климате, почве, растительности; различные сценарии изменения климата; модели последствий потепления и набор электронных прогностических карт, содержащих информацию об обусловленных потеплением последовательных изменениях природных процессов и явлений в высоких широтах северного полушария на протяжении первой половины следующего столетия.
В пятой главе рассматривается применение информационной системы для решения ряда практических задач, связанных с оценкой последствий потепления в области криолитозоны северного полушария. Прежде всего проводится детальное сравнение прогнозов изменения температуры воздуха, полученных по различным моделям, с наблюдаемыми современными тенденциями, рассчитанными по данным продолжительных измерений на метеорологических станциях северного полушария. На основе полученных данных выделяются области, в которых региональные аномалии температуры тесно коррелируют с изменением глобальной температуры воздуха, оцениваются коэффициенты линейной связи таких изменений, и предлагается эмпирический прогноз климата на 1-2 десятилетия. В последующих разделах главы рассматриваются различные природные и социально-экономические последствия потепления, ожидаемые в первой половине XXI века. Поскольку наиболее сильным потепление будет в высоких широтах северного полушария, большая часть оценок последствий изменения климата относится к процессам в области криолитозоны. Даются оценки изменения распространения вечной мерзлоты к середине следующего столетия, рассматривается прогноз изменения мощности слоя сезонного протаивания. Приводятся оценки скорости
деградации вечной мерзлоты. Оценивается агроклиматический потенциал северных регионов при потеплении, приводятся оценки изменения необходимых затрат тепла на обогрев зданий. Глава содержит прогностические карты, иллюстрирующие результаты расчетов для северного полушария.
В заключительной части диссертации обсуждаются наиболее важные последствия потепления в области криолитозоны северного полушария. Последствия потепления разделяются на группы в зависимости от того, приводят ли они к благоприятным природным изменениям, или же представляют угрозу окружающей среде и экономике. Рассчитываются критические величины потепления, по достижении которых неблагоприятные природные изменения приобретают устойчивый характер, на основе анализа современных эмпирических данных оценивается веро
-
Анисимов, Олег Александрович
-
доктора географических наук
-
Санкт-Петербург, 1998
-
ВАК 11.00.09
- Термическая устойчивость верхних горизонтов криолитозоны Центральной Якутии при современном потеплении климата
- Влияние изменения климата на вечную мерзлоту и инженерную инфраструктуру Крайнего Севера
- Сток наносов и русловые процессы на реках криолитозоны
- Динамика инженерно-геокриологических условий при возведении планировочных насыпей
- Особенности геоэкологического состояния криолитозоны Онего-Двинско-Мезенской равнины и полуострова Канин
