Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Изменение температуры воздуха и параметров оледенения Арктики и их взаимное влияние

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Калужинова, Наталия Леонидовна, Москва

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ГЕОГРАФИИ

На правах рукописи УДК 551.324

КАЛУЖИНОВА Наталия Леонидовна

ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА И ПАРАМЕТРОВ ОЛЕДЕНЕНИЯ АРКТИКИ И ИХ ВЗАИМНОЕ ВЛИЯНИЕ.

11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата географических наук

Научный руководитель -кандидат географических наук ГЛАЗОВСКИЙ А.Ф.

Москва - 1999 г.

Оглавление

стр.

Введение............................................................................... 4

• Глава 1. Пространственно-временные изменения температуры воздуха Арктики в целом и прилегающих к ней районов. Предполагаемое потепление климата............................................................... 7

1.1. Материалы и методы исследования.......................................8

1.2. Особенности температурного режима архипелагов Шпицберген и Земля Франца-Иосифа.............................................................19

1.3. Пространственно-временное распределение изменений температуры воздуха Арктики....................................................................38

1.4. Основные результаты........................................................ 56

• Глава 2. Пространственно-временные особенности динамики ледниковых систем Арктики и прилегающих к ней районов..............60

2.1. Материалы и методы исследования.......................................60

2.2. Особенности режима ледниковых систем Арктики и прилегающих к ней районов.......................................................................... 66

2.3. Оценка математической значимости трендов и цикличности колебаний баланса массы....................................................... 96

2.4. Основные результаты........................................................ 99

• Глава 3. Влияние оледенения, рельефа и ветра на некоторые климатические характеристики, на примере архипелага Земля Франца-

Иосифа..............................................................................102

3.1.Метод исследований.........................................................103

3.1.1. Описание модели.....................................................103

3.1.2. Дополнительные расчеты.......................................... 105

3.2.Численная реализация модели для архипелага Земля Франца-Иосифа и о. Земля Александры...........................................................106

3.2.1. Объект исследований................................................106

3.2.2. Материалы.............................................................108

3.2.3. Основные рассчитываемые переменные........................119

3.3. Основные результаты численной реализации модели..................121

3.3.1. Влияние рельефа......................................................121

3.3.2. Влияние направления ветра.........................................121

3.3.3. Влияние оледенения..................................................122

3.3.4. Поля метеохарактеристик и вертикальные разрезы........... 125

i

3.3.5. Построение зависимостей температуры воздуха и интегрального теплового потока от доли площади оледенения.....................................................................131

3.4. Основные выводы........................................................... 139

• Заключение.......................................................................141

• Литература.......................................................................150

Введение

Изучение особенностей и тенденций развития природной среды имеет особое значение для прогноза изменения ее компонентов. В связи с тем, что динамика оледенения служит одним из наиболее информативных показателей климатических изменений, актуальной задачей является реконструкция, мониторинг и прогноз изменений климатических показателей и оледенения, а также их взаимовлияние. Цель настоящей работы состоит в оценке пространственно-временной изменчивости и взаимозависимости климата и оледенения Арктики на глобальном, региональном и местном уровнях.

Исследование связей между ледником и климатом - это один их важных и трудных вопросов гляциологии. Сложность его решения в основном заключается в том, что атмосфера и ледник, на контакте которых происходит взаимодействие, очень разнородны по физическим свойствам и временным масштабам изменчивости. Кроме того, совокупное воздействие разных элементов климата неоднозначно во времени и пространстве и поэтому не может быть выражено достаточно адекватно одним или несколькими численными параметрами. Не всегда поддается количественному учету и влияние орографии на прямое воздействие тех или иных метеорологических параметров.

Наиболее доступными для описания элементами климата, позволяющими оценить связь величин баланса массы с климатом, являются температура воздуха и осадки. В данной работе подробно исследованы пространственные и временные особенности изменений этих параметров. Однако надо признать, что определенную сложность в исследовании, причина которой подробно изложена в соответствующей

главе, вызвали данные об осадках. Поэтому баланс массы прежде всего ставился в зависимость от температуры воздуха.

Предполагаемое общее потепление климата делает актуальной задачу определения межгодовых температурных колебаний, их временных и пространственных особенностей в Арктике в целом, прилегающих к ней районах, а также отдельных их областей. В частности подробно были изучены температурные режимы архипелагов Шпицберген и Земля Франца-Иосифа. Поскольку большинство ледников существует при более высоких, чем в Антарктике, температурах воздуха, можно предположить, что на климатические условия они реагируют быстрее, а значит и возможное потепление климата на них отразится раньше. Наряду с этим, необходимо отметить, что величины баланса массы могут показывает изменения не только климатического характера. В этой связи становится необходимым подробное изучение региональных и локальных особенностей существования ледников.

Поставленные цели потребовали решения ряда задач по сбору, систематизации, реконструкции и оценке репрезентативности фактических данных (временных рядов) о температурах воздуха, атмосферных осадках, балансе массы ледников и статистической значимости временных трендов, а также пространственной и временной изменчивости рассматриваемых параметров и их связи.

Очевидно также, что ледники охлаждают прилегающие слои воздуха. Воздействие на климат огромных по площади ледниковых щитов и сезонного снежного покрова, занимающего обширные территории, как правило, закладывают в условия при моделировании глобальных изменений климата. В то же время, достаточно хорошо изучено влияние на температуру воздуха ледников и снежников в непосредственной близости к их краю. Однако мезомасштабный эффект влияния покровного

оледенения изучен недостаточно, и имеющиеся сведения о режиме стоковых ветров и температурных скачков на границе "лед - не лед" не дают возможности полностью охарактеризовать термодинамическую систему. В связи с этим все больше внимания уделяется моделированию. Прихчем очень важно наполнение моделей реальными, а нерасчетными данными, что и было проделано в работе. Использованная в работе математическая модель позволила количественно оценить степень взаимообусловленности климатических характеристик и параметров оледенения. Особое значение при этом было уделено определению граничных условий и других параметров математической модели, характеризующих формирование поля температур воздуха в системе атмосфера-литосфера-гидросфера. Численное решение модели позволяет оценить пространственное распределение и взаимную обусловленность метеопараметров и параметров оледенения и прогнозировать одни при изменении других. Принимая во внимание сходство условий существования ледников, результаты моделирования могут быть использованы для сопредельных районов.

Глава 1.

Пространственно-временные изменения температуры воздуха

Арктики в целом и прилегающих к ней районов.

Предполагаемое потепление климата.

Целью данной главы служит определение межгодовых температурных колебаний, их временных и пространственных особенностей в Арктике в целом, прилегающих к ней районах, а также отдельных их областей. В частности более подробно будут изучены температурные режимы архипелагов Шпицберген и Земля Франца-Иосифа. Архипелаги интересны тем, что расположены на границе распространения теплых вод Северо-Атлантического течения и ледяного покрова Арктики, где наблюдается большое разнообразие форм атмосферной циркуляции [18].

Исследование глобальных и региональных колебаний температуры воздуха опирается на данные пунктов метеорологических наблюдений, расположенных в высоких широтах примерно между 60-80° с.ш. В опубликованных работах по этой проблематике [2, 4, 8, 23, 30, 44, 45, 47, 50, 55, 63, 74, 76, 80, 82], авторы, как правило, предлагают свои методы исследований, и все они базируются на эмпирико-статистическом анализе. В настоящем исследовании в качестве такой статистической базы были выбраны работы В.М. Евстигнеева [21], Д. Ваттса [17], Г. Дженкинса [47], А.В. Христофорова [60], а так же программное обеспечение СП "Диалог" [51].

Использование большого количества фактических данных [30, 42, 43, 57, 85] и литературных источников позволило проанализировать пространственно-временные особенности распределения температурных колебаний Арктического региона в целом [2, 76] и архипелагов

Шпицберген и Земля Франца-Иосифа. Однако остался открытым вопрос, служат ли вариации температуры лишь результатом внутренней изменчивости системы или отображением существующего для всей системы тренда. Необходимо отметить, что длина временных рядов не всегда удовлетворяла условиям репрезентативности для оценки дисперсии и трендов многолетних изменений температуры. Исследованные ряды достаточной длины не показали каких-либо глобальных (!) изменений температуры. Если предположить, что зафиксированные колебания отражают изменчивость климатической системы, то целесообразно провести их статистический анализ для выявления закономерностей этих колебаний.

1.1. Материалы и методы исследования.

Материалы. В качестве исходных материалов были использованы данные о температурах воздуха и осадках метеостанций, расположенных севернее 60° с.ш., имеющих длину ряда не меньше 30 лет и достаточно репрезентативных для соответствующих регионов. В результате была выбрана 38 метеостанция, кроме того были использованы данные кораблей погоды, дрейфующих в Северо-Атлантическом секторе Арктики, табл. 1.1, рис. 1.1. Наблюдения многих станций охватывают период примерно с 1881 по 1975 гг., на станциях архипелагов Шпицберген и Земля Франца-Иосифа - с 30-х по 90-е гг., и Канадского арктического архипелага - примерно с 40-х по 1975. Данные российских метеостанций были получены из следующих периодических изданий: Метеорологические ежемесячники, Климатологический справочник СССР и Справочник по климату СССР, Метеорологические данные за отдельные годы, [30, 43, 57], архивные данные Гидрометеорологического НИИ (включая таблицы ТМ-1), ГГО и ААНИИ; данные об осадках на станциях Российской Арктики получены в National Snow and Ice Data Center,

Рис. 1.1.

Карта-схема расположения используемых в работе метеостанций и ледников.

Таблица 1.1.

Информация по используемым в работе метеостанциям

№ № Названия метеостанций Координаты метеостанций Временные ряды температура/ осадки Пропуски Источники данных

РОССИЙСКАЯ АРКТИКА

1 о. Рудольфа, арх. Земля Франца- Иосифа 81° 48" N. 57° 57' Е,Н=51 м 1/1930-12/1992 *1 1/1937-12/1992 1/1930-12/1937,4/1942-5/1947, 2-3/1958, 8/1991 4/1942-5/1947, 7/1948-3/1949, 2-3/1958, 8/1991 Данные за 1951-60,1965, 1972-1992 гг. из архивов ГГО и ДАНИИ; 1937-42 гг., 194850 - ИИ

2 о. Хейса (Дружная), там же 80° 18'N,58° 30' Е,Н=21 м 1/1960-12/1992 1/1960-12/1992 - Данные из архивов ГГО и ААНИИ [41]

3 Бухта Тихая, там же 80° 20' N. 52° 48' Е,Н=16м 1/1930-12/1992 *' 1/1930-12/1959 1/1960-12/1992 12/1946-12/1951 Данные по температуре 19301950 гг. и осадкам 1935-1950 гг. - [40]; данные 1951-59 гг. -из архивов ГГО и ААНИИ

4 о. Виктория, там же 80° 09" N. 36° 46" Е, Н=8 м 1/1961-12/1992 2/1961-12/1992 1-4/1963, 10/1967-9/1968 1-4/1963,10/1967-10/1968 Данные за 1959-1960, 1965-69, 1972-1992 гг. из архивов ГГО и ААНИИ; 1961-64,1970-71 гг. - [391

5 Нагурская, там же 80° 29' 47° 37" Е, Н=18 м 1/1953-7/1991 1/1953-7/1991 2/1962, 5-6/1964 Данные за 1952-60,1965, 1972-1991 гг. из архивов ГГО и ААНИИ; 1966-71 - [39]

6 Вайда-Губа, Карельский п-ов Н=8 м. 1/1951-12/1965 - 40

7 Цып Наволок, Карельский п-ов Н=7 м. 1/1951-12/1965 - 40

8 о. Колгуев (северный), Архангельская обл. Н= 15 м 1/1951-1965 1/1951-12-1965 - 40

9 о. Визе, 1/1946-12/1965 - 40

10 о. Котельный, Новосибирские о-ва 76°00" И, 137°54"Е,Н=11 м 1/1951-12/1965 1/1936-12/1991 3/93,7/50,6/82,7-8/84,зима и лето 1953-70 гг. 40 *б

11 о. Врангеля 70°58"К, 178°31"Е, Н=2м 1/1929-12/1990 9/33,8/34,11/43,6/44,зима и лето 1951-70 и 1976, 1977 гг. *б

12 о. Четырехстолбовой 70°38" К, 162°24"Е, Н=32 м 1/1934-12/1993 зима и лето 1953-70 гг.,1974, 1977,11/78,3/93 *б

13 Малые Кармакулы, арх. Новая Земля 72°23"К 52°44"Е,Н=18м 1/1926-12/1990 10/28,2/33,4/37,1940-1943, зима и лето 1953-70 гг., 1/72,10 и 11/76, 10/78 *б

НОРВЕГИЯ

14 Вардё 70° 22" И, 31° 06" Е, Н=13 м 1/1881-12/1975 1/1894-12/1975 8/1944-5/1945 11

15 о. Надежды (Хопен) 76° 30" N. 25° 04" Е, Н=6 м 1/1946-12/1974 1/1946-12/1974 - 11,38

16 о. Медвежий 74° 28^, 19° 17" Е, Н=29 м 1/1946-12/1987 1/1920-12/1975 1/1941-12/1945 1/1941-12/1945 11,38

17 Анненс 69° 19" N. 16° 07" Е, Н=5 м 1/1881-12/1975 1/1910-12/1975 - 11

18 Будё 67° 16" N. 14° 22" Е, Н=10 м 1/1881-12/1975 1/1929-12/1975 1/1941-12/1950 11

19 о. Ян-Майен 71° 01" Ы, 08° 28" Е, Н=40 м 1/1921-12/1975 1/1922-12/1975 9-12/1940, 1-4/1942 11,38

20 Осло (Маридаль) 59° 58" N. 10° 48" Е,Н=152м 1/1881-12/1975 1/1895-12/1975 - 11

арх. СВАЛЬБАРД (СНГ, Норвегия)

21 Баренцбург 78° 04' N. 14° 15' Е, Н=70 м 1/1912-12/1995 *2 1/1912-12/1962 8/1941-12/1947, 1/196412/1995,6/1931,9/1955, 8-9/1956 8/1941-12/1947

22 Ис-Фьорд 78° 04' N. 13° 38' Е,Н=6м 1/1912-12/1975 1/1931-12/1975 7/1941-9/1945 7/1941-12/1945 11,38

23 Лонгиербюен/ Свальбард Люфтхавн 78° 13" N. 15° 35' Е, Н=38 м 78° 15' N. 15° 28' Е, Н=29м 1/1912-12/1995 *3 1/1957-12/1974 1/1912-1/1957 *4 32, П. Гловацкий

ФИНЛЯНДИЯ

24 Хельсинки 60° 10' И, 24° 57" Е, Н=9 м 1/1881-12/1975 1/1881-12/1975 ; ] 11

ДАНИЯ

25 Торсхавн 62° 03" N. 06° 45" Е, Н=26 м 1/1881-12/1975 1/1981-12/1975 1-12/1930 1-12/1930 11

ИСЛАНДИЯ

26 Тайгархорн (Беру-Фьорд) 64° 41" Ы, 14° 22" \У,Н=18м 1881-1975*5 9,12/1888, 4-10/1925, 9/1929, 4/1931,6,12/1933,6/1934, 10/1935, 11,12/1938, 9/1970 11

27 Вестманнаэйр-1 и 26 63° 24" N,20° 17" W, Н=124 м 1/1881-12/1975 1/1881-12/1975 9/1929,6/1933,6/1934, 11,12/1938,9/1970 *5 11

28 Стиккисхоульмур 65° 05" Ы, 22° 44' V/, Н=26 м 1/1881-12/1975 1/1881-12/1975 1-4/1881,8-12/1919, 4,5,7/1925,5/1928, 9/1929, 5,6/1933,6/1934,11,12/1938, 9/1970 *5 8-12/1919 11

ГРЕНЛАНДИЯ (Дания)

29 Ангмагссалик 65° 37' И, 37° 39" ЧУ, Н=36 м 1/1895-12/1975 - 11

30 Упернавик 72° 47" N,/5° 07' V/, Н=35 м Г 1/1881-12/1960 - 11

КАНАДСКИИ АРКТИЧЕСКИИ арх. (Канада)

31 Клайд 70° 27' N. 68° 33' W, Н=3 м 1/1943-12/1978 1/1943-12/1978 4,12/1947, 9,12/1948, 8,9,12/1954 *5 11,38

32 Юрика 80° 00" К, 85° 56" Н=2 м 5/1947-12/1975 9/1947-12/1957 12/1953 *5 И

33 Арктик-Бей 73° 00' N. 85° 18" \У,Н=11 м 1/1938-12/1965 1/1938-12/1965 8/1938, 8/1948,2-8/1959, 3-5/1960, 1-4,6,8-12/1961, 1-6/1962 11

34 Резольют 74° 43' N. 94° 59' V/, Н=64 м 1/1948-12/1975 1/1948-12/1975 - 11

35 Кембридж-Бей 69° 07' N. 105° 01" "№,Н=14м 2/1942-12/1975 2/1948-11/1975 2-9/1944, 6-9/1945, 1/1948, 1-4/1961, 1/1972 1/1948, 1-4/1961,6/1961, 2/1968,1,6/1972,8,12/1975 11

36 Моулд-Бей 76° 14" N,119° 20" \У,Н=15м 6/1948-12/1975 7/1948-12/1975 10,11/1960 И

37 Коппермайн 67° 49" N. 115° 05" Н=9 м 1/1930-12/1972 1/1933-12/1975 - И

38 Исаксен 11

АЛЯСКА (СШ/ V

36 Барроу 71° 18' N. 156° 47' ЧУ,Н=9м 1/1921-12/1975 1/1921-12/1975 1,2/1923 11

и>

37 Ном 64° 30" N, 165° 26" W, Н=5 м 1/1907-12/1975 1/1907-12/1975 10,11,12/1915, 1/1916 3/1927, 4,5/1928 И

38 Среднеарктическая осреднение 88-65° N 1891-1986 34

КОРАБЛИ ПОГОДЫ

А Северо-Атлантический сектор Арктики 1946-1966 11

С там же 1946-1966 11

I там же 1946-1966 11

J там же 1946-1966 11

м там же 1946-1966 11

*'- реконструкция значений температуры воздуха на станциях Бухта Тихая и Рудольфа осуществлялась на основе корреляционных зависимостей для совместный периодов наблюдений, (данные реконструкции приведены в работе).

*2- реконструкция значений температуры воздуха на ст. Баренцбург осуществлялась по корреляционным связям с данными ст. Свальбард Люфтхавн (данные реконструкции приведены в работе).

*3- станция Лонгиербюен была перенесена в 1975 году и была названа Свальбард Люфтхавн (аэропорт), приведение данных к одному ряду (без нарушения однородности временного ряда) было осуществлено норвежскими учеными [32].

*4- этот период был реконструирован по данным метеостанций Ис-Фьорд Радио/Грин Харбор и Баренцбург. Реконструкция была проведена Норвежскими коллегами, данные получены от П. Гловацкого, полярная лаборатория факультета наук о земле Университета Силезии, Польша.

*5- пропущенные данные восстановлены с помощью процедуры заполнения "пропусков".

*6 - National Snow and Ice Data Center, University of Colorado, USA - данные получены по каналам Интернета.

Университета Колорадо, США. Данные зарубежных метеостанций до 1975 г. были получены из книги Метеорологические данные за отдельные годы по зарубежной территории северного полушария [42], и данные после 1975 г. - из периодического издания World Weather Records, Month reports [85], данные за последние годы метеостанций арх. Шпицберген получены от норвежских коллег (через Р. Glovazky p.c.). Температуры воздуха, осредненные по территории 88-65° с.ш., получены из монографии Г.В. Алексеева и П.Н. Священникова [2], а осредненные по всему северному полушарию - данные Университета Восточной Англии (Climatic Research Unit, School of Environmental Sciences, Университет Восточной Англии, Великобритания). В таблице 1.1 представлены источники фактических данных для каждой метеостанции. При анализе источников данных наблюдений было установлено, что методики измерения осадков, а также методы расчетов средних величин в разных странах существенно различаются. Поэтому в ряде случаев были использованы нормированные значения. Кроме того, необходимо отметить, что в некоторых источниках [42] не указано, введены ли поправки на смачивание в величинах измеренных сумм осадков. В отношении российских метеостанций известно, что начиная с 1953 года проводилась замена дождемеров на осадкомеры. При этом ни в каких справочных изданиях по арктическим станциям приведение данных дождемера к осадкомерному ряду не сделано. Определить поправку на смачивание по имеющимся данн