Пространственная оценка устойчивости снежного покрова для определения возможности схода лавин разных генетических типов

Марченко, Елена Сергеевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Пространственная оценка устойчивости снежного покрова для определения возможности схода лавин разных генетических типов
ВАК РФ 25.00.31, Гляциология и криология земли

Автореферат диссертации по теме "Пространственная оценка устойчивости снежного покрова для определения возможности схода лавин разных генетических типов"

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА» ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

005537 »-5'

Марченко Елена Сергеевна

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ СНЕЖНОГО ПОКРОВА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ СХОДА ЛАВИН РАЗНЫХ ГЕНЕТИЧЕСКИХ ТИПОВ

25.00.31 - гляциология и криология Земли

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва 2013

005537837

Работа выполнена в Научно-исследовательской лаборатории снежных лавин и селей географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель:

кандидат географических наук, старший научный сотрудник

Глазовская Татьяна Григорьевна

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института Географии РАН

Сосновский Александр Вульфович

кандидат географических наук, главный инженер Центра лавинной безопасности ОАО «Апатит»

Черноус Павел Александрович

Ведущая организация:

Всероссийский центр мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций МЧС России "Антистихия"

Защита состоится 12 декабря 2013 г. в 17 часов на заседании диссертационного совета по геоморфологии и эволюционной географии, гляциологии и криологии Земли, картографии (Д-501.001.61) в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.1, МГУ имени М.В. Ломоносова, Географический факультет, 21 этаж, аудитория 2109.

С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Научной библиотеки Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ломоносовский проспект, д.27, А8.

Автореферат разослан ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.1, МГУ имени М.В. Ломоносова, географический факультет, ученому секретарю Диссертационного совета Д-501.001.61,

Факс (495) 932-88-36. E-mail: malyn2006@yandex.ru Ученый секретарь

диссертационного совета, кандидат географических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Мониторинг состояния снежного покрова на склонах для оценки и предупреждения возможности возникновения снежных лавин является одной из необходимых мер обеспечения безопасности хозяйственных объектов и людей в лавиноопасных районах. В настоящее время прогнозирование схода снежных лавин осуществляется на основе текущей метеорологической ситуации и наблюдений за состоянием снежной толщи на площадках шурфования, расположенных в безопасных местах в стороне от лавинных очагов. Ввиду большой пространственной изменчивости снежного покрова в условиях горного рельефа, структура снежной толщи на склоне может существенно отличаться от наблюденной в шурфах. В связи с растущими темпами хозяйственного и рекреационного освоения горных территорий актуальной является разработка оперативных методов получения информации о состоянии снежного покрова на склонах. Достоверные данные об устойчивости снежного покрова в лавинных очагах могут служить обоснованием для временного прекращения эксплуатации объектов и проведения активных воздействий.

Физическое моделирование развития снежной толщи является новым мощным инструментом получения детальной информации о ее структуре, физических и механических свойствах в любой момент времени мониторинга. Использование физических моделей в рамках задачи оценки устойчивости снежного покрова может способствовать уточнению связи между процессами, вызывающими первичное нарушение в снежном покрове, и лавинообразованием, а также более качественному определению генетических типов ожидаемых лавин. С другой стороны, одномерность существующих физических моделей накладывает ограничения на их использование в практических целях прогноза. В этой связи возрастает актуальность создания методики оценки устойчивости снежного покрова с помощью физических моделей, которая включала бы решение задачи распространения результатов моделирования снежной толщи в точке на всю площадь лавинных очагов.

Цель и задачи. Целью данной работы является разработка методики оперативной пространственной оценки устойчивости снежного покрова в лавинных очагах.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

■ проанализированы существующие подходы к определению устойчивости снежного покрова и определено понятие его структурной неустойчивости;

■ рассмотрены внешние и внутренние условия, ведущие к формированию ослабленных слоев в снежной толще;

■ рассмотрены механизмы потери устойчивости снежного покрова при образовании лавин разных генетических типов, и выделено три возможных причины возникновения первичного нарушения в структуре снежной толщи;

■ создана классификация ослабленных слоев в снежной толще на основе условий их формирования и причин для возникновения первичного нарушения;

■ систематизированы подходы к количественной оценке устойчивости снежного покрова в точке и подобраны количественные критерии для поиска и оценки устойчивости ослабленных слоев разного происхождения;

■ апробирована физическая модель развития снежной толщи 8Ж)\УРАСК (БЫ7, Швейцария) в природных условиях Западного Кавказа;

■ разработан метод построения нерегулярной сети точек на основе морфометрического анализа рельефа для моделирования эволюции снежного покрова в лавинных очагах;

■ разработана методика оценки устойчивости снежного покрова в лавинных очагах;

■ разработаны программные коды, позволяющие автоматизировать процессы обработки метеорологических данных, построения пространственных полей значений метеорологических элементов, создания входных файлов для модели 8Ж)\УРАСК, экспорта результатов моделирования развития снежной толщи и расчета показателей устойчивости на их основе;

■ с помощью разработанной методики выполнен ретро-анализ лавинной ситуации в зимнем сезоне 2011-12 гг. на территории ГЛК «Роза Хутор», Красная Поляна, Западный Кавказ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Установлена связь между типами ослабленных слоев в снежной толще и генетическими типами возможных лавин. Предложена классификация ослабленных слоев по условиям их образования и причинам для возникновения первичного нарушения.

2. Предложено новое объяснение условий формирования точечных инсоляционных лавин.

3. Определены количественные критерии для поиска ослабленных слоев разных типов в структуре снежной толщи.

4. Проведена апробация работы физической модели развития снежной толщи 8КЮ\УРАСК в природных условиях Западного Кавказа. Модель тестировалась по данным трех автоматических станций за три зимних сезона.

5. Предложена новая методика моделирования устойчивости снежного покрова непосредственно в лавинных очагах.

6. Выполнена верификация разработанной методики на территории ГЛК «Роза Хутор», Красная Поляна, Западный Кавказ. При сопоставлении смоделированных показателей устойчивости снежного покрова с данными натурных наблюдений за лавинами получены удовлетворительные результаты.

7. Выполнено сопоставление результатов применения разных подходов к расчету устойчивости снежного покрова для определения возможности схода лавин из твердых снежных досок.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Лавины разных генетических типов формируются за счет наличия в снежной толще ослабленных слоев разного происхождения.

2. Оценка структурной неустойчивости снежного покрова для определения возможности схода снежных лавин должна выполняться отдельно для разных генетических типов лавин. Каждому генетическому типу снежных лавин соответствует свой набор количественных критериев устойчивости.

3. Физическая модель развития снежного покрова БЖ)\¥РАСК может использоваться для описания пространственно-временной эволюции строения и свойств снежной толщи в природных условиях Западного Кавказа.

4. Характер влияния рельефа на пространственное распределение высоты снежного покрова меняется на протяжении сезона, что связано с ходом развития метеорологических процессов в течение зимы.

5. Методика пространственной оценки устойчивости снежного покрова в лавинных очагах с использованием физического моделирования должна быть основана на построении пространственных полей значений метеорологических элементов по нерегулярной сети точек.

Методы исследования. Для решения поставленных задач проводились полевые исследования - описание строения и свойств снежного покрова в шурфах. При камеральной работе применялись физическое и математическое моделирование, программирование, геоинформационное картографирование, геоинформационный анализ, статистический анализ, дешифрирование космических снимков. Эволюция снежной толщи воссоздавалось с помощью модели Б^ЮХУРАСК, разработанной в Институте снеголавинных исследований (БЫ7, Швейцария). Для анализа, визуализации и обработки данных метеорологических наблюдений, расчета значений метеорологических элементов, создания входных файлов в модель 8ЫО\¥РАСК, экспорта значений параметров снежной толщи из выходных файлов модели, а также расчета показателей устойчивости снежного покрова были созданы программные коды на языке программирования МаЛАВ. Пространственный анализ данных, построение итоговых полей показателей устойчивости снежного покрова и представление результатов проводилось в программном пакете АгсСТБ 10.1.

Использованные материалы. В работе были использованы материалы метеорологических и снегомерных наблюдений, наблюдений за лавинами и отчеты (за сезоны 2008-09, 2009-10, 2011-12) сотрудников лавинной службы ГЛК «Роза Хутор», космические снимки высокого разрешения на территорию курорта, цифровая модель рельефа на район п. Красная Поляна, Западный Кавказ (разрешение 2 м).

Практическая значимость. Разработанная в рамках данной работы методика может быть использована в оперативном режиме для мониторинга снежного покрова и выявления неустойчивых зон в лавинных очагах, представляющих опасность для горнолыжных курортов, промышленных предприятий и других объектов. Результаты работы методики могут служить основой для проведения организационно-хозяйственных и профилактических

противолавинных мероприятий. Оперативное опубликование карт неустойчивых зон может помочь избежать попадание людей в лавины при их перемещении в горах.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на Российских и Международных симпозиумах, конференциях и совещаниях: XIV Гляциологическом симпозиуме «Гляциология от Международного геофизического года до Международного полярного года» (Иркутск, 2008); на Общероссийских конференциях изыскательских организаций "Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации" (Москва, 2010, 2011, 2012); XV Международном гляциологическом симпозиуме «Лед и снег в климатической системе» (Казань, 2010); Международном симпозиуме «Физика, химия, механика снега» (Южно-Сахалинск, 2011); IV Международной конференции «Лавины и смежные вопросы» (Кировск, 2011); XI Научно-практической конференция "Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций" (Москва, 2011 и 2012); заседании Европейского Геофизического Общества Генеральной Ассамблеи EGU (Вена, 2011); Заседании метеорологического и криологического сообществ Ассамблеи Атмосферы и Криосферы DACA (Давос, 2013); Международном симпозиуме «Наука о снеге» ISSW (Гренобль, 2013).

Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, были использованы в отчетах проекта «Ведущий ученый» (Договор № 11.G.34.31.0007) по теме «Оценка природного риска в прибрежных зонах».

Результаты исследования изложены в 17 публикациях.

Структура и объем работы. Работа включает 146 страниц машинописного текста и состоит из 5 глав, введения, заключения, списка литературы (152 наименования) и 5 приложений, включает 66 рисунков и 15 таблиц.

Работа выполнена под руководством к.г.н. Т.Г. Глазовской. Автор очень признателен своему руководителю за искреннее участие, внимание и поддержку на протяжении всех лет обучения в аспирантуре. Автор также очень благодарен Ю.Г. Селиверстову за всестороннюю помощь, ценные замечания, предложения и большой проявленный интерес на всех этапах выполнения работы. Автор выражает благодарность Э.А. Багову и В.Е. Сучкову за оказанное участие и предоставление данных полевых наблюдений и отчетов СЛС ГЛК «Роза Хутор», которые послужили основой для созданной в работе методики. Автор искренне признателен Ч. Фирцу и М. Бавэю за большую помощь при работе с моделью SNOWPACK и готовность отвечать на многочисленные вопросы. Автор очень благодарен С.А. Сократову за конструктивные замечания и советы. Автор очень признателен Волкову А. и другим сотрудникам ЦЛБ ОАО «Апатит», а также Турчаниновой A.C. за помощь на различных этапах проведения исследования. Автор выражает благодарность сотрудникам Географического факультета МГУ, лавинной службы курорта «Роза Хутор», Института снеголавинных исследований SLF за всестороннюю помощь. Отдельно автор хотел бы поблагодарить своих родных и друзей, тех, кто всегда его поддерживал и оказал неоценимую помощь особенно в последние месяцы работы, взяв на себя часть его забот.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Понятие устойчивости снежного покрова. Определение и классификация ослабленных слоев в снежной толще

В главе приводится анализ существующих подходов к определению устойчивости снежного покрова, рассматривается роль структуры снежной толщи в лавинообразовании, описываются внешние и внутренние условия, предшествующие и сопутствующие сходу снежных лавин разного генезиса, а также механизмы образования ослабленных слоев в структуре снежной толщи.

Сход снежной лавины каждого из генетических типов должен быть заранее подготовлен внутри снежной толщи, что проявляется в наличии ослабленного слоя или контакта в ее структуре, т.е. в ее структурной неустойчивости.

Текущее состояние и история формирования снежного покрова на склоне определяют форму отрыва и свойства формирующейся лавины. В данной связи генетическое разнообразие снежных лавин указывает на то, что в снежной толще может наблюдаться структурная неустойчивость разных типов. Нарушение в снежной толще, вызывающее сход лавины определённого генезиса, имеет чёткое фиксированное положение в ее структуре, приуроченное к различным ослабленным слоям. Детальный анализ физических и механических свойств, характерных для ослабленных слоев, а также внешних и внутренних условий их образования позволил создать комплексную классификацию ослабленных слоев в снежной толще (Рисунок 1).

На первой ступени классификации слои делятся, исходя из связности снега, которая определяет форму отрыва возможной лавины (лавина из точки или по площади). Площадной отрыв снежной массы свидетельствует о высокой связности поверхностных слоев снежной толщи. Он происходит либо по ослабленному слою или контакту внутри снежного покрова, либо по границе снег/грунт и неразрывно связан с образованием поверхности скольжения (сдвига). Когда связи в поверхностном слое снежной толщи отсутствуют или выражены слабо, то снег может рассматриваться как сыпучая среда и образовывать лавины с точечным отрывом. В работе используется принцип выделения лавин из точки на основе механизма отрыва «от одного зерна». Расходящуюся форму лавинного следа (индикатор, используемый на практике) могут иметь лавины и с площадным отрывом.

Следующая ступень классификации - причины возникновения нарушения в ослабленном слое или на контакте. Разделение ослабленных слоёв происходит, исходя из роли действующих напряжений для возникновения в них первичного нарушения. Выделяются три группы ослабленных слоёв в зависимости от причин, которые могут повлечь образование первичного нарушения: низкая связность верхнего слоя снега; низкая связность между слоями снега; действующие напряжения сжатия и сдвига, приводящие к разрушению структуры слоя.

Низкая связность верхнего слоя снега приводит к формированию лавин из точки, которое представляет собой осыпание снежных зёрен под действием силы тяжести со склонов достаточной крутизны. Результатом концентрации

деформаций внутри ослабленного слоя или контакта с последующим разрушением его структуры является площадной отрыв лавины. Также лавины с отрывом по площади сходят при отсутствии связности между слоями внутри снежной толщи. В этом случае образование поверхности скольжения не связано с действующими в снеге напряжениями, и сход лавины представляет собой соскальзывание снежного пласта по подготовленной поверхности сдвига в случае потери поддержки контурных сил.

На третьей ступени классификации рассматриваются внешние и внутренние условия, которые приводят к формированию ослабленных слоев трёх указанных групп. Данный подход позволяет выделить все возможные генетические типы ослабленных слоев, а также установить их связь с генетическими типами снежных лавин.

Ослабленный слой несвязного снега на поверхности снежной толщи может быть сформирован во время снегопада или же за счет протекания процессов градиентного метаморфизма. Наличие такого слоя может привести к сходу лавин свежевыпавшего снега, сублимационной перекристаллизации и инсоляционных. В работе дается новое объяснение феномену схода точечных лавин при нагревании поверхности снежного покрова солнечным излучением (инсоляционных). Их формирование происходит за счет разрыхления верхнего слоя снежной толщи вследствие процессов градиентного метаморфизма: нагрев снежной поверхности приводит к появлению в верхнем слое местного температурного градиента, имеющего встречное направление к главному градиенту. Ранее инсоляционные лавины относили к классу мокрых [Аккуратов, 1959], считая причиной нарушения таяние частиц льда на контактах снежных зерен. Согласно лабораторным экспериментам [Шумский, 1955; Москалев, 1966; Schweizer, 2003 и др.] появление в снеге талой воды увеличивает его прочность за счёт капиллярных сил до тех пор, пока не будет достигнута максимальная водоудерживающая способность. Это указывает на невозможность существования мокрого снега на склоне в сыпучем состоянии. Таким образом, лавины из точки (по форме отрыва) могут образовываться только из сухого снега. Отрыв мокрого снега всегда происходит по площади.

Низкая связность между слоями снежного покрова может возникнуть за счет накопления в слое большого количества воды или быть следствием замедленных процессов метаморфизма на контакте свежевыпавшего и старого снега. Данный тип структурной неустойчивости приводит к сходу адвекционных и грунтовых лавин, а также лавин свежевыпавшего снега из мягкой снежной доски. При достижении всей толщей состояния перенасыщения водой становится возможным зарождение водоснежных потоков гравитационного типа.

Перераспределение напряжений и концентрация деформаций в снеге ведут к формированию и развитию трещины в плоскости сдвига при условии наличия внутри снежной толщи ослабленного слоя или контакта слоёв. Такой слой может быть сформирован за счёт активного протекания сублимационных процессов, а также вследствие погребения горизонтов свежевыпавшего снега (мягкая снежная доска) и поверхностной изморози. Разрушение структуры

"о

1 О

ОСЛАБЛЕННЫЕ СЛОИ

НЕСВЯЗНЫЙ снег (лавины из ТОЧКИ)

СВЯЗНЫЙ снег (лавины по ПЛОЩАДИ)

о г^ к

■е-«

а «

¡г

0 а

г §

О о

ГЪ

г а с

2 о

Гй а

Нарушение НЕ ЕСТЬ следствие напряженного состояния

Нарушение происходит за счет отсутствия связей между зернами в поверхностном слое

Слой свежевы-павшего снега

• сухой снег;

• низкая температура слоя, препятствующая образованию связей м/д зернами и оседанию

Лавины из свежевы-павшего снега

Нарушение происходит за счет отсутствия связей между слоями; поверхность скольжения не есть результат концентрации деформаций, она формируется за счет других процессов

Нарушение ЕСТЬ следствие концентрации деформаций

сжатия и сдвига в ослабленном слое

Хорошо развитые связи между зернами обуславливают перераспределение напряжений и концентрацию деформаций внутри ослабленного слоя, разрушение структуры которого ведет к формированию плоскости скольжения за счет развития трещины в плоскости сдвига

Граница свежевыпавший ■ у снег/старый снег ' Водонасыщенный слой О

• пересыщенние водой слоя внутри снежной толщи на границе слоев с различными свойствами или на границе снег/почва • вся снежная толща находится в водонасы-щенном состоянии; • низкая вязкость снега и большой уклон поверхности как индикаторы прогрессирующего течения снега вниз по склону

• свежевыпавший снег на ранних стадиях метаморфизма; • недостаток сцепления с подстилающей поверхностью; • высокая плотность подстилающего горизонта - ветровая доска или ледяная корка

Лавины из свежевыпавшего и мете-левого снега (мягкая снежная доска) Грунтовые и адвекционные лавины всп

Слой мокрого снега

• динамическое воздействие воды

• разрыхление слоя мокрого снега

Адвекционные лавины

Разрыхленный слой Л (□)

• малая мощность снежного покрова; • большая величина температурного градиента; • метаморфизация всей толщи снега и образование кристаллов несвязной глубинной изморози уже на поверхности снега • нагрев поверхности снега; • резкое местное увеличение градиента температуры ; • интенсификация процессов метаморфизма у поверхности снега

Лавины сублимационной перекристализации Инсоляционные лавины

Разрыхленный слой Л □ V + /

• большая величина температурного градиента в снежном покрове; • активизация процессов конструктивного метаморфизма (эпигенетический механизм образования) • погребение слоя поверхностной изморози (сингенетический механизм образования) • погребение мягкой снежной доски (сингенетический механизм образования)

Лавины из твердой снежной доски

Сублимационной перекристаллизации Сходящие по слою поверхностной изморози Сходящие по погребенной мягкой снежной доске

ослабленного слоя в старом снеге приводит к сходу лавин из твердых снежных досок, отличающихся широким распространением и часто большими объемами. Также существует теоретическая возможность формирования ослабленного слоя в мокром снеге за счет динамического воздействия фильтрующейся воды.

Глава 2. Критерии для поиска и оценки устойчивости ослабленных слоев в снежной толще

В настоящей главе осуществляется подбор критериев для выявления ослабленных слоев разного генезиса в структуре снежной толщи в соответствии с созданной классификацией, а также рассматриваются существующие методики количественной оценки устойчивости снежного покрова в точке.

Сделанные выводы о роли напряжений при формировании первичного нарушения в снежном покрове позволяют выделить в рамках задачи оценки структурной неустойчивости два принципиально разных случая:

1. Если речь идёт о низкой связности снега (внутри слоя или между соседними слоями), то оценка структурной неустойчивости сводится к поиску ослабленного слоя или контакта, само наличие которого уже позволяет считать снежный покров неустойчивым;

2. Если поверхность скольжения формируется за счёт разрушения структуры ослабленного слоя, т.е. обусловлена текущим напряженным состоянием, то наряду с поиском такого слоя, необходимо оценивать возможность разрушения его структуры в сложившемся напряжённом состоянии.

Трем выделенным в Главе 1 группам ослабленных слоев соответствует три группы критериев (Таблица 1):

Первую группу составляют критерии для проверки верхнего слоя снежной толщи на предмет его связности, а также оценки возможности осыпания такого слоя со склона в конкретных морфологических условиях. Выявление такого ослабленного слоя в работе проводилось на основе косвенных критериев, влияющих на связность снега. При условии накопления достаточной статистической базы в качестве меры связности слоя могут быть использованы микроструктурные параметры, например, величина удельной поверхности контактов [Войтковский, 1977].

Вторая группа включает критерии для поиска в структуре снежной толщи подготовленной поверхности для скольжения вышележащего пласта снега. Ее формирование обычно приурочено к границе раздела поверхностей, где микроструктурные (размер и тип зерен) и физические свойства (плотность, твердость) среды скачкообразно меняются. Отдельно должен быть рассмотрен контакт снежного покрова с грунтом.

Третья группа включает критерии для поиска ослабленного слоя внутри снежной толщи и оценки его предрасположенности к разрушению в сложившемся напряженном состоянии. Такой слой может располагаться в любом месте в разрезе снежной толщи. В работе параллельно рассматриваются две теории образования поверхности скольжения снежного пласта — вследствие сдвига и просадки - в зависимости от того, действие какого компонента силы тяжести считается ведущим при разрушении структуры ослабленного слоя —

Причина появления первичного нарушения Тип ослабленного слоя Критерии Генетический тип снежных лавин

для поиска слоев для оценки потенциала слоев к разрушению

параметры снега параметры погоды

низкая связность верхнего слоя свежевыпавший Тип зерен Удельная поверхность контактов* + Температура воздуха Скорость ветра <-10°С < 2м/с Угол внутреннего трения < 17° >30° :вежевыпавшего :нега

перекр исталл изован-ный Гип зерен Удельная поверхность контактов* Температурный градиент в верхнем слое Размер зерен □ А > 15°С > 1 мм - Угол внутреннего трения <17° >30° шсоляционные

Гип зерен Удельная поверхность контактов* Температурный градиент в толще Размер зерен Высота снега Л > 15°С > 1 мм <50 см - Угол внутреннего фения <30° >40° :ублимационной терекристаллизации

между слоями водонасыщенный Тип зерен Различия в размере зерен смежных слоев Различия в плотности смежных слоев Водосодержание О > 0,75 мм >0,1 г/см3 >8% - - здвекционные, грунтовые

>х - & 2 О 4 мягкая снежная доска Тип зерен Удельная поверхность контактов* Плотность + / 5 0,2г/см3 Температура воздуха Скорость ветра < -5°С > 2м/с < 5м/с - ^вежевыпавшего и иетелевого снега

5 « > 1-0 6 еа о К уплотненный старый снег Тип зерен Плотность Твердость /•пт — £ 0,2г/см <1,3 -

Действующие напряжения сжатия и сдвига разрыхленный перекристаллизованный Взвешенная сумма характеристик слоя (по Ю. Швайцеру) Соотношение плотности и размера зерен слоя (по В.Р. Болову) 3 ** - Статический индекс Статический индекс для лавин, инициируемых лыжником Структурный индекс Мощность вышележащего пласта снега (по В.Р. Болову) Критический радиус трещины (по Д. Хаэли) 1 1,32 10 см сублимационной перекристаллизации

погребенная мягкая снежная доска входящие по югребенной мягкой :нежной доске

погребенная поверхностная изморозь сходящие по слою погребенной поверхностной изморози

мокрый Соотношение плотности и размера зерен :лоя (по В.Р. Болову) ** - Мощность вышележащего пласта гнега (по В.Р. Болову) ** адвекционные

* - определение значения критерия требует накопления статистических данных ** - критерий принимает разные значения в зависимости от зоны опасности слоя

касательного или нормального. Предположительно в природе оба эти процесса действуют одновременно, усиливая друг друга.

Теория сдвигового механизма формирования поверхности скольжения лежит в основе следующих критериев:

1. Традиционный статический индекс — отношение сопротивления снега сдвигу к действующему напряжению сдвига [Красносельский, 1964].

2. Статический индекс для оценки возможности схода лавин, инициированных лыжником Sk38 [Fohn, 1987]. Модификация статического индекса, куда вводится компонент, описывающий внешнее воздействие на снежный покров человека или техники.

3. Структурный индекс SSI [Schweizer et al., 2006] - модификация индекса Sk38, куда внесены дополнительные поправки за счет микроструктурных свойств снежных слоев.

4. Взвешенная сумма характеристик снежных слоев, влияющих на их устойчивость [Schweizer et al., 2007].

Теория о ведущей роли механизма просадки при образовании поверхности скольжения получила выражение в следующих критериях:

5. Соотношение плотности и размера зерен снежных слоев, как мера их механической прочности [Болов, 1981].

6. Критический радиус трещины в плоскости сдвига, когда ее рост больше не требует энергетических затрат, и трещина начинает свободное распространение во всех направлениях [Heierli, 2008]. Данный параметр определяется микроструктурными и физическими свойствами системы ослабленный слой / твердая снежная доска.

Отдельно стоит задача оценки возможности образования водоснежных потоков гравитационного типа. Основным критерием здесь является водонасыщение всех слоев снежной толщи и расчетная величина скорости течения снежного покрова [Москалев, 1966].

Глава 3. Физическое моделирование эволюции снежной толщи в условиях Западного Кавказа

Данная глава посвящена вопросам моделирования развития снежной толщи во времени, а также описанию результатов апробации одномерной физической модели SNOWPACK [Lehning et al., 2002], разработанной и верифицированной в Швейцарии, на Западном Кавказе.

Автором рассматриваются существующие подходы и области применения физического моделирования развития снежной толщи, обосновывается выбор модели SNOWPACK для целей настоящего исследования. Данная модель воспроизводит эволюцию снежной толщи на основе данных метеорологических измерений. Приводится краткая характеристика модели: рассматривается перечень входных и выходных данных, физическая основа модели и используемые в ней статистические зависимости.

Апробация модели SNOWPACK в природных условиях Западного Кавказа (Красная Поляна, средняя часть бассейна р. Мзымта) выполнялась по данным трех метеостанций горнолыжного комплекса (ГЛК) «Роза Хутор»,

расположенных на высотах 1605 м, 2010 м и 2130 м над у. м., за три зимних сезона 2008-09, 2009-10, 2011-12 гг., различных по погодным условиям. До введения в модель данные метеорологических наблюдений подвергались предварительной обработке, которая включала удаление шумов и ошибочных значений, заполнение пробелов измерений.

Оценка качества работы модели 8МО\УРАСК проводилась на основе сравнения высоты и температуры снега с данными полевых измерений этих показателей (Рисунок 2). Среднее отклонение смоделированных значений от измеренных составило 3% для высоты снега в периоды снегонакопления и 10% для температуры снега. Это позволяет утверждать, что модель БМОХУРАСК в использованной конфигурации демонстрирует высокое качество моделирования развития снежной толщи в природных условиях Западного Кавказа на протяжении большей части зимнего сезона. Однако в периоды оттепелей и весеннего снеготаяния в ходе кривых наблюдаются значительные расхождения. Занижение скорости оседания и таяния снега в эти периоды может быть связано с отсутствием данных об осадках и приходящей длинноволновой радиации. Данные об осадках необходимы для идентификации событий выпадения дождя на поверхность снега. В противном случае энергетический вклад жидких осадков, а также изменение физических и микроструктурных свойств снега, связанных с появлением и просачиванием воды (обычно ведут к увеличению скорости оседания) не могут быть учтены. Данные о количестве приходящего длинноволнового излучения крайне важны для моделирования энергетического обмена между снегом и атмосферой в районах с частыми оттепелями и в период весеннего таяния. Существующая в стандартной версии модели эмпирическая параметризация данного параметра для условий безоблачного неба приводит к занижению величины потока длинноволнового излучения ввиду часто наблюдаемой большой облачности в районе исследования. Использование механизма параметризации приходящего длинноволнового излучения с учетом влияния облаков [ишутогЛ, 1975] позволило сократить различия в скоростях таяния снега на всех станциях в среднем на 60%. Периодическое занижение значений температуры снега может быть связано с неточностями при моделировании высоты снежного покрова, и отсутствием данных о поступлении жидких осадков.

Выходные данные из модели были на качественном уровне соотнесены с данными шурфования снежного покрова вблизи метеостанций (Рисунок 3). Модель хорошо воспроизводит все основные слои, встречающиеся в данных стратиграфических наблюдений. Ряд расхождений имеется в основании толщи и может объясняться неполным таянием снега первого в сезоне снегопада на площадке шурфования и его полным исчезновением в месте расположения метеостанции. Порядок плотностей как свежевыпавшего, так и старого снега любой микроструктуры в модели совпадает с натурными данными. Размер зерен большинства слоев также был смоделирован верно.

В ходе анализа данных метеонаблюдений многократно отмечалось резкое падение температуры поверхности снежной толщи в условиях ясной безветренной погоды и низкой влажности воздуха. Данный феномен всякий раз

RKHU-2 (2130 м н.у.м.)

RKHU-3 (2010 м н.у.м.)

RKHU-4 (1605 м н.у.м.)

измеренная смоделированная смоделированная

,стаидар"1ая парамс1рмыиия IIWR (новая версия параметризации ILWR

ial с учетом покрытия неба обплками)

Сезон 2008-2009

Сезон 2009-2010

Сезон 2011-2012

Рисунок 2. а) Измеренная и смоделированная высота снега по данным трех метеостанций ГЛК «Роза Хутор» за сезон 2009-2010; б) Измеренные и смоделированные температуры внутри снега по данным станции ЯКНи-3

приводил к активизации процессов конструктивного метаморфизма и

огранению снежных зерен на поверхности

смоделированной снежной толщи, которая поэтому изобилует тонкими

слоями, сложенными гранеными зернами и кристаллами глубинной изморози. Часть этих слоев может быть соотнесена с

ослабленными слоями, наблюденными на

площадках шурфования.

Глава 4. Методика пространственной оценки устойчивости снежного покрова на склонах

В данной главе представлены методические основы перехода от моделирования развития снежной толщи в точке к пространственному моделированию и оценке устойчивости снежного покрова непосредственно в лавинных очагах. Рассмотрена роль рельефа в формировании снежного покрова через его влияние на пространственное распределение значений метеорологических элементов, предложен метод построения сети точек для моделирования развития снежной толщи на склоне на основе морфометрического анализа рельефа, описаны выбранные подходы к построению пространственных полей метеорологических элементов, необходимых для физического моделирования развития снежной толщи.

Методика оценки устойчивости снежного покрова разрабатывалась на примере территории ГЛК «Роза Хутор», Красная Поляна, Западный Кавказ, на основе данных зимнего сезона 2011-12.

Созданная методика включает в себя следующие шаги:

1. Выделение области моделирования. Область моделирования должна включать свободные от леса участки склонов с ненарушенным снежным покровом. Соответствующая указанным критериям область была выделена в цирке Роза Хутор в высотном поясе 1800-2300 м (площадь 0,5 км2). В ее пределах находится 5 лавинных очагов (Рисунок 4).

2. Построение нерегулярной сети точек для моделирования развития снежной толщи в точках сети. Использование нерегулярной сети точек для множественного запуска одномерной модели взамен традиционного подхода моделирования в каждой ячейке ЦМР [ЬеЬшг^ ег а1., 2006] может значительно сократить число и время вычислений без существенной потери в качестве

Рисунок 3. Данные стратиграфических наблюдений в шурфе №1 (а) и смоделированные характеристики снежной толщи для станции ЯКНи-2 (б), за 5.02.12. Шурф является репрезентативным для сезона 2011-12

которого снежный покров считаться однородным, моделирования делилась на исходя из экспозиции, абсолютной высоты, поверхности в плане

моделирования. Местоположения точек сети должны быть установлены на основе морфометрического анализа рельефа. Его целью стало выделение участков склона, в пределах которых создаются сходные условия для формирования и развития снежного покрова. Каждая точка сети являлась центром отдельного участка, внутри

может Область участки уклона, и кривизны Градации для деления области моделирования на участки были подобраны с учетом установленных в лавиноведении критериев: экспозиция — 8 румбов, уклон

- менее 15, 15 - 25, 25 - 30, 30 - 45, 45 -50, 50 - 60, более 60, абсолютная высота

- шаг 50 м, кривизна - менее -0,5, -0,5 — 0, 0, 0 - 0,5, 0,5 - 3, более 3. Итоговая сеть включала 564 точки. 3. Построение пространственных полей значений метеорологических элементов с целью создания наборов входных данных для физической модели развития

снежной толщи в точках анализа. Расчет значений метеорологических элементов выполнялся с учетом особенностей пространственного распространения каждого из них:

■ Температура и влажность воздуха рассчитывались вертикальных градиентов между парами метеостанций.

■ При расчете количества приходящей коротковолновой радиации отдельно рассматривались прямая и рассеянная ее составляющие. Прямая составляющая определялась с использованием теоремы о сферическом треугольнике [Кондратьев, 1965]. Рассеянная составляющая рассчитывалась, исходя из допущения об изотропности ее потока [Hay, 1993]. Среднее отклонение расчетных значений от измеренных составило 24%.

■ Скорость ветра рассчитывалась методом линейной интерполяции в зависимости от значений топографического параметра открытости к ветру заданного направления, вычисляемого в каждой точке сети с помощью модели WINSTRAL [Winstral et al.,2002] для 70 возможных направлений ветра (шаг 5°).

А метеостанции W, трассы

канатные дороги область моделирования номер лавинного очага

Рисунок 4. Цирк Роза Хутор. Область, в пределах которой оценивалась устойчивость снежного покрова

на основе

■ Высота снежного покрова рассчитывалась на основе данных наблюдений по 15 рейкам путем построения множественной регрессии на основе гипотезы о преобладающей роли рельефа при формировании поля снежного покрова, что должно проявляться в существовании в течение всего сезона значимых корреляционных связей между высотой снега и морфометрическими характеристиками подстилающего склона. В качестве независимых переменных использовались абсолютная высота, экспозиция, общая кривизна, кривизна в плане, открытость к ветру преобладающего направления. Наиболее высокий уровень связей показали абсолютная высота и открытость к ветру преобладающего направления (35°). Осредненное значение коэффициента детерминации Я2 в течение сезона составило 0,88, уровень значимости (р-уровень) стремился к нулю, среднее отклонение высоты снега в пунктах измерений равнялось 12,5%, что свидетельствует о существовании высокозначимой связи между высотой снега и морфометрией склона на протяжении всей зимы. Было установлено, что степень влияния различных морфометрических характеристик на пространственное распределение высоты снежного покрова значительно меняется в течение сезона (Рисунок 5). Наблюденные колебания уровня корреляционных связей имеют под собой четкое физическое обоснование и связаны с метеорологическими процессами, происходящими в течение зимы: снегопадами, дождями, изменением превалирующего направления ветра, наступлением сезона снеготаяния.

Открытость к ветру направления 35°

- коэффициент детерминации №) -—— уровень значимости (р-уровень)

Рисунок 5. Временной ход статистических показателей значимости связей между высотой снега и отдельными морфометрическими параметрами

Экспозиция

При построении полей метеорологических элементов были использованы следующие допущения:

■ Температура на границе снега и грунта во всех точках анализа в течение всего сезона была установлена на 0°С в соответствии с наблюдением, что почва в районе исследования не промерзала;

■ Приходящая длинноволновая радиация принималась неизменной;

■ Направление ветра было принято одинаковым на всех высотных уровнях.

4. Моделирование развития снежной толщи в точках сети. Входные файлы для работы модели создавались автоматизировано на основе разработанного автором программного кода на языке МаНьАВ. Снежная толща была смоделирована в каждой из 564 точек сети анализа. Полученные различия в ее строении и свойствах наглядно демонстрируют высокую пространственную изменчивость снежного покрова даже в пределах локального участка склона.

5. Оценка структурной неустойчивости смоделированной снежной толщи на склоне по выбранным методикам. Извлечение значений параметров погоды и снега, необходимых для поиска ослабленных слоев в структуре снежной толщи, из выходных файлов модели З^ГО'^ФАСК, а также расчет показателей устойчивости по выбранным методикам выполнялись на основе разработанных автором алгоритмов, реализованных в виде системы программных кодов (язык программирования Ма(:ЬАВ). В них последовательно рассматриваются свойства всех структурных элементов снежной толщи на дату из промежутка моделирования, определяемую пользователем, и при выполнении заданных условий устанавливается их возможная принадлежность к ослабленному слою определенного генетического типа. В случае, когда параллельно применялись несколько методик оценки (для определения возможности разрушения структуры ослабленных слоев), в выходной файл записывались результаты по каждой из них. Также на основе модельных данных были установлены значения ряда критериев, которые не удалось определить на основе литературных источников (Таблица 1).

6. Создание непрерывных полей показателей устойчивости снежного покрова в пределах области моделирования. Смоделированная снежная толща, построенная в каждой точке сети, рассматривалась как репрезентативная для своего участка склона: результаты оценки устойчивости снежного покрова распространялись на весь участок.

7. Выявление неустойчивых зон в лавинных очагах производилось в зависимости от принятых пороговых значений используемых критериев устойчивости.

Глава 5. Оценка устойчивости снежного покрова на территории ГЛК «Роза Хутор»

В заключительной главе рассмотрены результаты апробации созданной методики на территории ГЛК «Роза Хутор», которая позволяет выделять безопасные и потенциально опасные зоны в лавинных очагах.

Устойчивость снежного покрова на курорте оценивалась для четырех тестовых дат, выделенных на основе анализа временной динамики лавинной

активности: 01.12.2011, 19.01.2012, 02.04.2012 и 13.04.2012. Результаты моделирования неустойчивых зон в цирке Роза Хутор соотносились с данными о зарегистрированных лавинах, которые включали дату схода лавины, ее генетический тип и номер лавинного очага. Отметим, что ввиду отсутствия данных о местоположении зон отрыва и контуров наблюденных лавин, при апробации методики не учитывался снос снега со склонов за счет схода лавин. Таким образом, ослабленные слои, инициировавшие сход лавин в течение зимы на отдельных участках склона и исчезнувшие из реальной снежной толщи вместе с вышележащими слоями, в модели продолжали развиваться и сообщать неустойчивость вплоть до начала таяния.

Анализ смоделированной снежной толщи в лавинных очагах позволил отследить возможность появления наблюденных событий схода лавин из твердых снежных досок, свежевыпавшего снега, инсоляционных, адвекционных и смешанных (сходили во время снегопадов по ослабленному слою внутри старого снега или в результате активных воздействий). Во всех очагах, где был зафиксирован сход лавин, были смоделированы неустойчивые зоны, обусловленные существованием в толще снега ослабленных слоев разных типов. Исключением стали несколько лавин, чей сход был инициирован системой Сагех, что может не находить отражения в структуре снежной толщи.

События схода лавин свежевыпавшего снега наблюдались в три первые даты. 1 декабря и 19 января практически повсеместно была рассчитана вероятность схода лавин из точки (Рисунок 6а). Положительный результат при оценке возможности формирования лавин из мягкой снежной доски был получен только однажды (2 апреля), что может быть связано с действительным отсутствием таких лавин, погрешностью определения критериев поиска, несовершенством используемой модели развития снежной толщи или с существующими отклонениями при расчетах высоты снега на склоне.

а)_19.01.2012_

с*ед т^-е^ио? лаеич

ЯВ| гаиболее ве

Сходадеенциоммых гавин ИН наиболее вероятен

ШШ

Рисунок 6. Пример итоговых полей оценки устойчивости снежного покрова для схода а) лавин свежевыпавшего снега, б) адвекционных лавин.

Оценка возможности схода лавин из твердых снежных досок (1сублимационной перекристаллизации и сходящих по погребенному спою поверхностной изморози) проводилась параллельно с помощью ряда критериев, ее результаты сопоставлялись между собой (Рисунок 7). В случае наличия нескольких слоев, определенных как ослабленные, поля распределения показателей устойчивости по склону строились на основе значений, полученных для наименее устойчивого слоя. При сравнении результатов также рассматривалось положение распознанного ослабленного слоя в структуре снежной толщи.

Критический радиус трещины в плоскости сдвига Мощность вышележащего пласта снега

Сход паеин н) твердой енежнс Щ наиболее вероятен

_ 0 < Г 5 10

ЙИ нееозиокен

дооы^ыешзнкь» «критическим раДмус трещине, си) ! вероятен \ нзниенее вероятен

и доСй1*иеш£нны<

| наиболее вероятен

тической и фактическом наииенее вероятен

' пеоэзмомеи

Структурный индекс

Взвешенная сумма характеристик слоя

авин из твердой снежной доекм.сиешаиных (индекс $в1)

I наиболее вероятен вероятен ЯВИ наименее вероятен

53151.32 132 «5815 2 2 < ЭЭ! 13

С «од лавин из твердой снежной доски 'сметами «лмболее вероятен вере;

524 > 5

Н| невозможен

1нм сумма «арактермстии с ] наименее вероятен

Рисунок 7. Пример итоговых полей различных показателей устойчивости снежного покрова для схода лавин из твердых снежных досок на 2.04.2012

В целом, временная динамика лавинной активности - практически полное отсутствие лавин данного типа до 1 декабря, резкое возрастание лавинной активности в середине сезона (19 января), ее снижение к концу сезона (2 апреля) и ее резкое падение с началом снеготаяния — была отражена верно с использованием практически всех критериев. Исключением стал статический индекс, который продемонстрировал тенденцию к завышению лавинной опасности в течение всего сезона, что, скорее всего, связано с его главным недостатком - снижением прочности слоев снежной толщи по мере возрастания глубины их залегания вне зависимости от их свойств и микроструктуры.

Наблюдаемые различия в конфигурации неустойчивых зон в лавиносборах, построенных с использованием разных критериев, могут объясняться особенностями применения каждого из них и различиями подходов к представлению устойчивости снежного покрова. В частности, расчет критического радиуса трещины осуществлялся только, если вышележащие слои над ослабленным слоем представляли собой твердую снежную доску, при использовании других критериев данное условие не принималось. Вычисляя мощность вышележащего пласта снега над слоем, определенным как наименее устойчивый, по методике В.Р. Болова, необходимо тщательно отслеживать его положение и номер зоны опасности. Резкое повышение или понижение устойчивости снега от даты к дате может свидетельствовать не о возрастании/убывании вероятности схода лавин, а быть следствием появления в толще снега новых ослабленных слоев, отнесенных к другим зонам опасности, чем выявленные ранее.

Наиболее реальную картину распространения неустойчивых зон на склоне для схода лавин из твердых снежных досок удалось восстановить с помощью структурного индекса SSI и критического радиуса трещины. Структурный индекс, в целом, показал результаты, схожие с взвешенной суммой характеристик слоя (методика Ю.Швайцера). Однако в конце сезона с помощью индекса SSI была получена гораздо более детальная картина распространения безопасных зон. Результаты пространственного моделирования с использованием методики В.Р. Болова, в даты, когда данный подход не определил повсеместную лавинную опасность, также находятся в соответствии с результатами оценки устойчивости с помощью структурного индекса и взвешенной суммой характеристик слоя.

Случаи схода инсоляционных лавин из очагов области моделирования были зарегистрированы 2 апреля, что согласуется с результатами моделирования, когда ввиду наличия на поверхности снежной толщи разрыхленного слоя перекристаллизованного снега была определена возможность образования лавин из точки.

Отмеченные случаи схода адвекционных лавин маленьких объемов 13 апреля также находятся в соответствии с построенным полем показателя устойчивости снежного покрова с точки зрения их образования (Рисунок 66).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные результаты работы заключаются в следующем:

1. В работе дается определение понятию структурной неустойчивости снежного покрова и предлагается классификация ослабленных слоев в снежной толще. Данная классификация призвана связать условия, сложившиеся внутри снежной толщи, механизмы потери устойчивости и типы лавинообразования. Всего было выделено три принципиально разных типа ослабленных слоев на основе их связности и условий для возникновения нарушения и сделан вывод о том, что лавины разных генетических типов формируются за счет наличия в снеге ослабленных слоев разного происхождения.

2. Предлагается новое объяснение образования точечных инсоляционных лавин, относимых ранее к классу мокрых. Лавины данного типа формируются за счет разрыхления верхнего слоя снежной толщи вследствие процессов градиентного метаморфизма, обусловленных нагреванием ее поверхности солнечным излучением. Формирование лавин из точки (выделяемых по механизму отрыва от одного зерна) возможно только из слоев сухого снега. Отрыв мокрого снега всегда происходит по площади.

3. Систематизированы существующие количественные критерии для оценки устойчивости снежного покрова в точке. Установлены пороговые значения критериев, определяющих образование разрыхленных слоев на поверхности снежной толщи, водонасыщенных слоев внутри толщи, а также контакта между слоями, который может служить поверхностью скольжения при сходе мягких снежных досок. Каждому типу ослабленных слоев и связанных с ними лавин соответствует свой набор критериев оценки устойчивости. Выделенные критерии условно могут быть разделены на статистические - направленные на поиск ослабленных слоев в структуре снежной толщи, и математические — предназначенные для оценки возможности разрушения структуры ослабленного слоя в сложившемся напряженном состоянии.

4. Произведена апробация физической модели развития снежной толщи 8Ж)\УРАСК в природных условиях Западного Кавказа в течение трех зимних сезонов. Сравнение результатов моделирования с данными измерения высоты и температуры снега и стратиграфическими описаниями шурфов показало, что модель 8КЮ\\ФАСК в текущей конфигурации подходит для использования в природных условиях района п. Красная Поляна, Западный Кавказ.

5. Разработан алгоритм построения нерегулярной сети точек для пространственной оценки устойчивости снежного покрова на склонах. Местоположения точек сети устанавливались с учетом условий формирования и развития снежного покрова в районе исследования на основе морфометрического анализа рельефа.

6. Установлен факт существования высокозначимой связи между высотой снежного покрова и морфометрическими параметрами рельефа в течение всего сезона: абсолютной высоты, экспозиции, кривизны поверхности, открытости к ветрам преобладающего направления. Выявлено, что характер влияния рельефа на пространственное распределение высоты снежного покрова в течение сезона

значительно меняется. Наблюденные колебания уровня корреляционных связей имеют под собой четкое физическое обоснование и связаны с метеорологическими процессами, происходящими в течение зимы: снегопадами, дождями, изменением превалирующего направления ветра, наступлением сезона снеготаяния. Рельеф определяет особенности пространственного распределения значений метеорологических характеристик, которые в свою очередь влияют на высоту и свойства снежного покрова.

7. Разработана методика оперативной оценки устойчивости снежного покрова в лавинных очагах, которая включает два этапа - подготовительный и оперативный. Подготовительная работа выполняется с учетом местных географических условий и включает выделение области моделирования и построение нерегулярной сети точек по предложенному алгоритму. В рамках оперативной составляющей методики выполняются следующие шаги:

■ Построение пространственных полей значений метеорологических элементов;

■ Моделирование развития снежного покрова в точках построенной сети;

■ Расчет показателей устойчивости смоделированной снежной толщи в точках сети;

■ Создание непрерывных полей показателей устойчивости снежного покрова;

■ Выявление неустойчивых зон в лавинных очагах.

8. Верификация созданной методики проведена с помощью ретро-анализа лавинной ситуации в сезон 2011-12 на территории ГЛК «Роза Хутор», Красная Поляна, Западный Кавказ. Анализ структуры смоделированной снежной толщи в лавинных очагах позволил отследить возможность появления событий схода лавин наблюденных генетических типов. Во всех очагах, где был зафиксирован сход лавин, были смоделированы неустойчивые зоны, обусловленные существованием в толще снега ослабленных слоев разных типов. Исключением стали несколько лавин, чей сход был инициирован системой Gazex, что может не находить отражения в структуре снежной толщи.

9. В ходе апробации разработанной методики были сопоставлены результаты оценки структурной неустойчивости для схода лавин из твердых снежных досок, с помощью различных критериев (статического индекса устойчивости, соотношения плотности и размера зерен слоя, структурного индекса устойчивости, взвешенной суммы характеристик слоя, критического радиуса трещины). Было выявлено, что:

■ статический индекс дает завышенную оценку лавинной опасности в течение всего сезона;

■ результаты расчетов соотношения плотности и размера зерен слоя (методика В.Р. Болова), структурного индекса, взвешенной суммы характеристик слоя (методика Ю. Швайцера), критического радиуса трещины (модель Д. Хаэли) хорошо отражают наблюденную временную динамику лавинной активности на курорте в сезон моделирования;

■ методика Ю. Швайцера и структурный индекс SSI на протяжении всего сезона показали высокую долю соответствия результатов друг с другом;

■ модель Д. Хаэли в середине сезона показала наиболее правдоподобную картину распределения неустойчивых зон по склону.

10. Разработанная методика позволяет в оперативном режиме получать данные о распространении неустойчивых зон в лавинных очагах, где в структуре снежной толщи существуют ослабленные слои, которые могут стать причиной схода снежных лавин. Также методика предоставляет информацию о генетическом типе и ориентировочном объеме возможных лавин.

Возможные направления для дальнейших исследований и совершенствования работы созданной методики могут быть связаны с:

■ уточнением предложенных количественных критериев для поиска ослабленных слоев разных типов в структуре снежной толщи;

■ совершенствованием физических моделей развития снежной толщи, в частности созданию новых алгоритмов фильтрации и задержки воды в снеге;

■ тестированием других подходов к построению пространственных полей значений метеорологических элементов;

■ снижение количества допущений и ограничений, принятых на данном этапе работы при распространении данных о приходящей длинноволновой радиации, направлении ветра и температуры на границе снега и грунта;

■ апробацией созданной методики в других горных районах и ее уточнение.

Основные публикации по теме диссертации:

В журналах, рекомендованных ВАК

1. Седова A.C., Селиверстов Ю.Г., Воронина Е.А., Тумасьева В.А., Клименко* Е.С. Цифровая модель рельефа как основа для исследования снежных лавин // Лед и Снег. 2010. Вып. 2(110). С. 43-49.

2. Клименко Е.С. Моделирование снежного покрова на лавиноопасном склоне для оценки его устойчивости. //Геориск. 2011. Вып. 1. С.52-57.

3. Клименко Е.С. Апробация физической модели SNOWPACK на Центральном Кавказе // МГИ. 2012. Вып.1. С. 9-16.

4. Шныпарков А.Л., Селиверстов Ю.Г., Глазовская Т.Г., Володичева H.A., Олейников А.Д., Клименко Е.С., Самохина Е.А. Оценка лавинной опасности горно-климатического курорта «Альпика-Сервис» // МГИ. 2012. Вып.1. С.31-3 8.

В других изданиях:

5. Клименко Е.С. Геоинформационное картографирование динамических параметров лавин. // Материалы Международной научной конференции «Гляциология в начале XXI века». М.: Университетская книга, 2009, с. 191 -202.

6. Клименко Е.С. Расчет динамических характеристик лавин с помощью методов геоинформационного картографирования. // Материалы научно-

практической конференции молодых специалистов «Инженерные изыскания в строительстве», 2009. - М.: ОАО ПНИИИС, 2009, с. 222 - 229.

7. Клименко Е.С. Расчет динамических характеристик лавин. // Исследования молодых географов: Сборник статей победителей секции «География» XVI Международной молодежной научной конференции "Ломоносов". - М.: МАКС Пресс, 2009, с. 122 - 127.

8. Клименко Е.С. Оценка устойчивости снега на лавиноопасном склоне. // Материалы XI Общероссийской конференции изыскательских организаций "Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации". -М.: ОАО ПНИИИС, 2011, с. 150- 152.

9. Клименко Е.С. Разработка методики прогноза лавин: оценка устойчивости снежного покрова на лавиноопасном склоне. // Сборник статей X Научно-практическая конференция 5-6 октября 2010 г. Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций. Доклады и выступления. - М.: Центр «Антистихия», 2011, с. 93 - 102.

10.Klimenko Е. Verification of SNOWPACK model in the Western Caucasus, Russia, for spatial assessment of snow cover stability. // Proceedings of International Snow Science Workshop, Grenoble 2013, p. 170 - 176.

11.Klimenko E. S. Modeling snowpack on avalanche terrain for its stability estimation. // Geophysical Research Abstracts. The Eighth EGU General Assembly, 2011. #161217.

12.Клименко Е.С. Моделирование снежного покрова на Центральном Кавказе с помощью одномерной модели SNOWPACK. // Международный симпозиум «Физика, химия, механика снега». Южно-Сахалинск, 2011. Тезисы докладов. 2011, с. 190-193.

1 З.Клименко Е.С. Верификация одномерной модели снежного покрова SNOWPACK в условиях Центрального Кавказа. // IV Международной конференции «Лавины и смежные вопросы». Кировск, 2011. Тезисы докладов, с.28.

14.Селиверстов Ю.Г., Созаев С.Х., Харьковец Е.Г., Турчанинова А.С., Глазовская Т.Г., Клименко Е.С. Реконструкция лавинной деятельности в Приэльбрусье с использованием ортофотоплана и цифровой модели рельефа. //Материалы XV гляциологического симпозиума «Современная изменчивость криосферы Земли». Архангельск, 2012, с. 28.

15.Селиверстов Ю.Г., Созаев С.Х., Харьковец Е.Г., Турчанинова А.С., Глазовская Т.Г., Клименко Е.С. Моделирование катастрофических лавин в Приэльбрусье. // Сборник материалов XII научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций». Центр «Антистихия». Москва, 2012, с.103-104.

16.KIimenko Е. Snow avalanches genetic types derived from spatial modeling of snowpack structural instability on slopes of the 01ympics-2014, Western Caucasus, Russia. // Davos Atmosphere and Cryosphere Assembly DACA-13. Abstract proceedings, 2013, p. 239.

17.Klimenko E. Verification of SNOWPACK model in the Western Caucasus, Russia, for spatial snow cover stability assessment. // International Snow Science workshop, Grenoble, France, 2013. Abstracts proceedings, p.39.

* Клименко - девичья фамилия автора

Заказ № 14-a/l 1/2013 Подписано в печать 05.11.2013 Тираж 150 экз. Усл. п.л. 1,2

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 www.cfr.ru; e-mail:zak@cfr.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Марченко, Елена Сергеевна, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

04201365434

Марченко Елена Сергеевна

рукописи

специальность 25.00.31 «Гляциология и криология Земли»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата географических наук

научный руководитель: кандидат географических наук, Т.Г. Глазовская научный консультант: Ю.Г. Селиверстов

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................5

ГЛАВА 1. ПОНЯТИЕ УСТОЙЧИВОСТИ СНЕЖНОГО ПОКРОВА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ОСЛАБЛЕННЫХ СЛОЕВ В СНЕЖНОЙ ТОЛЩЕ............................10

1.1. Соотношение задач оценки устойчивости снежного покрова на склоне и прогнозирования лавин......................................................................................................................................................10

1.2. Структура снежной толщи как фактор лавинообразования.....................................................13

1.3. Местоположения первичного нарушения в снежной толще при сходе лавин разных генетических типов..............................................................................................................................14

1.4. Условия формирования ослабленных слоев в снежной толще и связанных с ними лавин ..19

1.4.1. Слой несвязного снега на поверхности снежной толщи, вызывающий сход лавин свежевыпавшего снега, сублимационной перекристаллизации и инсоляционных....................20

1.4.2. Водонасыщенный слой, вызывающий сход_адвекционных и грунтовых лавин..............22

1.4.3. Ослабленный контакт, приводящий к формированию лавиниз мягких снежных досок 24

1.4.4. Ослабленные слои, приводящие к сходу лавин из твердых снежных досок, и условия их разрушения.........................................................................................................................................25

1.5. Классификация ослабленных слоев в снежной толще..............................................................28

ВЫВОДЫ..............................................................................................................................................30

ГЛАВА 2. КРИТЕРИИ ДЛЯ ПОИСКА И ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ ОСЛАБЛЕННЫХ СЛОЕВ В СНЕЖНОЙ ТОЛЩЕ......................................................................................................32

2.1. Критерии для определения поверхностного слоя несвязного снега и оценки его устойчивости.........................................................................................................................................33

2.2. Критерии для поиска ослабленного слоя или контакта, представляющего собой готовую поверхность для скольжения................................................................................................................36

2.3. Критерии для оценки возможности разрушения ослабленных слоев в толще снега и образования поверхности скольжения...............................................................................................38

2.3.1. Сдвиговый и просадочный механизмы разрушения ослабленных слоев при образовании лавин из твердых снежных досок....................................................................................................38

2.3.2. Сдвиговый механизм в практике расчетов устойчивости снежного покрова. Сопротивление снега сдвигу. Статический индекс. Индекс для лавин, инициированных лыжником. Структурный индекс.....................................................................................................41

2.3.3. Сдвиговый механизм в практике расчетов устойчивости снежного покрова. Взвешенная сумма характеристик слоя, влияющих на его устойчивость........................................................48

2.3.4. Механизм просадки снежного пласта в практике расчетов устойчивости снежного покрова. Соотношение плотности и размера зерен в слое............................................................50

2.3.5. Механизм просадки снежного пласта в практике расчетов устойчивости снежного

покрова. Критический радиус трещины в плоскости сдвига........................................................53

2.4. Критерии для оценки возможности схода водоснежных потоков с гравитационным

механизмом образования.....................................................................................................................58

ВЫВОДЫ..............................................................................................................................................59

ГЛАВА 3. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИИ СНЕЖНОЙ ТОЛЩИ В УСЛОВИЯХ ЗАПАДНОГО КАВКАЗА..........................................................................................62

3.1. Физические модели эволюции снежной толщи и области их применения.............................62

3.2. Общая характеристика физической модели эволюции снежной толщи SNOWPACK..........64

3.3. Апробация модели SNOWPACK в районе Красной Поляны, Западный Кавказ....................67

3.3.1. Общая характеристика климата района и условий сезонов моделирования....................67

3.3.2. Анализ и подготовка входных данных для моделирования эволюции снежной толщи.. 70

3.3.3. Оценка качества результатов моделирования эволюции снежной толщи........................75

3.3.4. Особенности строения смоделированной снежной толщи.................................................84

ВЫВОДЫ..............................................................................................................................................86

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ СНЕЖНОГО ПОКРОВА НА СКЛОНАХ.....................................................................................88

4.1. Район исследования. Особенности рельефа. Выделение области моделирования................88

4.2. Роль рельефа при формировании снежного покрова. Построение нерегулярной сети точек на основе морфометрического анализа рельефа...............................................................................89

4.3. Создание полей значений метеорологических элементов........................................................96

4.3.1. Температура и влажность воздуха.........................................................................................97

4.3.2. Приходящая коротковолновая радиация..............................................................................98

4.3.3. Температура на границе снега и грунта..............................................................................102

4.3.4. Приходящая длинноволновая радиация.............................................................................102

4.3.5. Скорость и направление ветра.............................................................................................103

4.3.6. Высота снежного покрова....................................................................................................108

4.4. Моделирование эволюции снежной толщи и оценка ее структурной неустойчивости в

точках анализа....................................................................................................................................112

ВЫВОДЫ............................................................................................................................................114

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ СНЕЖНОГО ПОКРОВА НА ТЕРРИТОРИИ ГЛК «РОЗА ХУТОР»................................................................................................................................118

5.1. Лавинная активность сезона моделирования. Выбор тестовых дат.......................................118

5.2. Характеристика смоделированных полей показателей устойчивости. Сравнение результатов с данными натурных наблюдений за лавинами..............................................................................120

5.2.1. Лавины свежевыпавшего снега............................................................................................120

5.2.2. Лавины сублимационной перекристаллизации и сходящие по погребенному слою

поверхностной изморози (лавины из твердых снежных досок и смешанные).........................122

5.2.3. Инсоляционные и адвекционные лавины...........................................................................128

ВЫВОДЫ............................................................................................................................................129

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................131

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................135

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Программные коды, разработанные автором и использованные в ходе

работы (язык программирования MatLAB).....................................................................................147

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Примеры форматов входных файлов для моделирования развития снежной толщи с помощью модели SNOWPACK..........................................................................................150

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Примеры структуры смоделированной снежной толщи в точках анализа

..............................................................................................................................................................154

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Пример результатов расчета показателей устойчивости в точках анализа ..............................................................................................................................................................157

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Пространственные поля показателей устойчивости для определения возможности схода лавин разных генетических типов.............................................................

158

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Мониторинг состояния снежного покрова на склонах для оценки и предупреждения возможности возникновения снежных лавин является одной из необходимых мер обеспечения безопасности хозяйственных объектов и людей в лавиноопасных районах. В настоящее время прогнозирование схода снежных лавин осуществляется на основе текущей метеорологической ситуации и наблюдений за состоянием снежной толщи на площадках шурфования, расположенных в безопасных местах в стороне от лавинных очагов. Ввиду большой пространственной изменчивости снежного покрова в- условиях горного рельефа, структура снежной толщи на склоне может существенно отличаться от наблюденной в шурфах. В связи с растущими темпами хозяйственного и рекреационного освоения горных территорий актуальной является разработка оперативных методов получения информации о состоянии снежного покрова на склонах. Достоверные данные об устойчивости снежного покрова в лавинных очагах могут служить обоснованием для временного прекращения эксплуатации объектов и проведения активных воздействий.

Цель и задачи. Целью данной работы является разработка методики оперативной пространственной оценки устойчивости снежного покрова в лавинных очагах. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

■ рассмотрены внешние и внутренние условия, ведущие к формированию ослабленных слоев в снежной толще;

'д<

■ апробирована физическая модель развития снежной толщи 8>Ю\¥РАСК (БЬБ, Швейцария) в природных условиях Западного Кавказа;

■ разработана методика оценки устойчивости снежного покрова в лавинных очагах;

■ разработаны программные коды, позволяющие автоматизировать процессы обработки метеорологических данных, построения пространственных полей значений метеорологических элементов, создания входных файлов для модели 8Ж)\¥РАСК, экспорта результатов моделирования развития снежной толщи и расчета показателей устойчивости на их основе;

■ с помощью разработанной методики выполнен ретро-анализ лавинной ситуации в зимнем сезоне 2011-12 гг. на территории ГЖ «Роза Хутор», Красная Поляна, Западный Кавказ. Научная новизна работы состоит в следующем:

2. Предложено новое объяснение условий формирования точечных инсоляционных лавин.

3. Определены количественные критерии для поиска ослабленных слоев разных типов в структуре снежной толщи.

4. Проведена апробация работы физической модели развития снежной толщи БЖ)\¥РАСК в природных условиях Западного Кавказа. Модель тестировалась по данным трех автоматических станций за три зимних сезона.

6. Выполнена верификация разработанной методики на территории ГЛК «Роза Хутор», Красная Поляна, Западный Кавказ. При сопоставлении смоделированных показателей

устойчивости снежного покрова с данными натурных наблюдений за лавинами получены удовлетворительные результаты.

На защиту выносятся следующие положения:

3. Физическая модель развития снежного покрова БМЭ^/РАСК может использоваться для описания пространственно-временной эволюции строения и свойств снежной толщи в природных условиях Западного Кавказа.

Методы исследования. Для решения поставленных задач проводились полевые исследования - описание строения и свойств снежного покрова в шурфах. При камеральной работе применялись физическое и математическое моделирование, программирование, геоинформационное картографирование, геоинформационный анализ, статистический анализ, дешифрирование космических снимков. Эволюция снежной толщи воссоздавалось с помощью модели 81"Ю\УРАСК, разработанной в Институте снеголавинных исследований (БЬБ, Швейцария). Для анализа, визуализации и обработки данных метеорологических наблюдений, расчета значений метеорологических элементов, создания входных файлов в модель Б^ГОШРАСК, экспорта значений параметров снежной толщи из выходных файлов модели, а также расчета показателей устойчивости снежного покрова были созданы программные коды на языке программирования Ма1ЬАВ. Пространственный анализ данных, построение итоговых полей показателей устойчивости снежного покрова и представление результатов проводилось в программном пакете АгсОШ 10.1.

Использованные материалы. В работе были использованы материалы метеорологических и снегомерных наблюдений, наблюдений за лавинами и отчеты (за сезоны 2008-09, 2009-10, 2011-12) сотрудников лавинной службы ГЖ «Роза Хутор», космические снимки высокого разрешения на территорию курорта, цифровая модель рельефа на район п. Красная Поляна, Западный Кавказ (разрешение 2 м).

Информация о работе

Марченко, Елена Сергеевна
кандидата географических наук
Москва, 2013
ВАК 25.00.31

Диссертация

Пространственная оценка устойчивости снежного покрова для определения возможности схода лавин разных генетических типов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Пространственная оценка устойчивости снежного покрова для определения возможности схода лавин разных генетических типов - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы