Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Влияние изменения климата на вечную мерзлоту и инженерную инфраструктуру Крайнего Севера

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Влияние изменения климата на вечную мерзлоту и инженерную инфраструктуру Крайнего Севера"

На правах рукописи

Белолуцкая Марина Арнольдовна

УДК 551.583:551.345(470-17+570-17)

Влияние изменения климата на вечную мерзлоту и инженерную инфраструктуру Крайнего Севера

25.00.30 -Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург

2004

Работа выполнена в Государственном гидрологическом институте.

Научный руководитель - доктор географических наук О. А. Анисимов

Официальные оппоненты - доктор географических наук

С.П. Малевский-Малевич, кандидат физико-математических наук В.Е. Лагун

Ведущая организация - Институт Физики Атмосферы РАН

Защита состоится 24 марта 2004 г. в 14 часов на заседании диссертационного Совета Д 327.005.01 по защитам диссертаций при Государственном учреждении Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова по адресу: 194021, С.Петербург, ул. Карбышева, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова.

Автореферат разослан 19 февраля 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, доктор географических наук

А М

А.В. Мещерская

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Около 67% территории современной России расположено в районах распространения многолетнемерзлых пород, часто называемых вечной мерзлотой, температура которых, за исключением верхнего слоя сезонного протаивания, не поднимается выше О °С на протяжении двух или более последовательных лет. Все районы распространения многолетнемерзлых пород обьединены понятием криолитозона. В криолитозоне имеется развитая городская и промышленная инфраструктура, отличительной чертой которой является то, что большинство сооружений построены на свайных фундаментах, использующих в качестве основания мерзлый грунт.

Климатическое потепление вызывает деградацию вечной мерзлоты, под которой понимается совокупность процессов, приводящих к увеличению температуры мерзлого грунта, более глубокому сезонному протаиванию и сокращению площади распространения приповерхностных многолетнемерзлых пород. Вместе с тем криолитозона, северные ландшафты и растительность обладают некоторой устойчивостью по отношению к воздействиям внешних факторов, и, в частности, климата. Имеющиеся в этой системе обратные связи частично компенсируют первоначальное воздействие до тех пор, пока оно не превышает порогового значения, по достижении которого система теряет устойчивость и переходит в новое состояние.

Потеря устойчивости криолитозоны связана со многими неблагоприятными социальными, экономическими и экологическими последствиями. В ближайшие несколько десятилетий изменение климата может привести к уменьшению прочностных свойств многолетне-мерзлых грунтов, что, в свою очередь, вызовет уменьшение несущей способности фундаментов и повреждение или же разрушение построенных на них сооружений. Деформации и аварии трубопроводов, про-

ходящих через вечную мерзлоту, могут

1МИ в

окружающую среду нефтепродуктов. На неосвоенных участках крио-литозоны могут развиваться деструктивные геоморфологические процессы, вызывая просадки грунта и значительно изменяя северные ландшафты и экосистемы. Возникающие при этом проблемы требуют незамедлительного и всестороннего изучения, поскольку они ставят под угрозу экологическую безопасность северных территорий. Устойчивость криолитозоны, ландшафтов и инженерной инфраструктуры районов Крайнего Севера в условиях глобального изменения климата являются предметами исследования данной диссертационной работы.

Целью исследований является разработка методологии оценки природных опасностей, связанных с деградацией многолетнемерз-лых грунтов, и построение на ее основе прогностических карт, характеризующих геокриологические риски для природных ландшафтов и инфраструктуры в области распространения вечной мерзлоты.

Были решены следующие конкретные задачи. разработан метод оценки достоверности теоретических прогнозов климата для суб-Арктической области, основанный на построении эмпирической регрессионной модели и региональном сравнении получаемых с ее помощью результатов с расчетами по моделям общей циркуляции атмосферы и океана;

разработаны блоки динамической и стационарной моделей, учитывающие влияние изменения растительности на термический режим вечной мерзлоты и на снегонакопление в процессе потепления;

созданы базы климатических, почвенных и растительных данных, необходимые для проведения расчетов по моделям вечной мерзлоты в масштабе криолитозоны Северного полушария;

построены сценарии изменения растительного покрова в Арктике, соответствующие модельным сценариям изменения климата;

получены прогнозы изменения площади распространения и глубины сезонного протаивания вечной мерзлоты для одиннадцатилетних

интервалов времени вблизи 2030, 2050 и 2080гг. по нескольким климатическим сценариям с учетом изменений растительности;

разработан метод прогноза опасностей, связанных с деградацией вечной мерзлоты, основанный на расчетном индексе;

построены прогностические карты геокриологических опасностей для природных ландшафтов и для инфраструктуры районов распространения вечной мерзлоты в условиях изменения климата.

Методы исследования. Перечисленные задачи решаются с использованием метода регрессионного анализа, метода математического моделирования и технологий Геоинформационных систем (ГИС). Отбор прогнозов изменения климата осуществляется путем сравнения с оценками, полученными по регрессионной эмпирической модели климата. ГИС-технологии используются для географической привязки различного рода данных, для пространственного обобщения результатов расчетов и для построения прогностических карт.

На защиту выносятся следующие положения. Метод оценки адекватности теоретических прогнозов климата, основанный на построении регрессионной модели по данным длительных измерений температуры воздуха.

Динамическая и стационарная математические модели вечной мерзлоты, учитывающие обратные связи в системе атмосфера - снег — растительный покров — многолетнемерзлый грунт в регуляции воздействия изменения климата на термический режим и глубину сезонного протаивания мерзлых грунтов.

Метод-прогноза природных опасностей, связанных с деградацией вечной мерзлоты, основанный на расчетном индексе.

Прогностические карты геокриологических опасностей для природных ландшафтов и инфраструктуры районов распространения вечной мерзлоты для середины 21 века.

Научная новизна и личный вклад автора. Научная новизна результатов заключается в обосновании автором необходимости учета изменения свойств растительного покрова при прогнозе состояния вечной мерзлоты в условиях будущего климата; в создании стационарной и динамической моделей вечной мерзлоты, учитывающих динамику растительности; в создании баз данных, необходимых для проведения расчетов; в создании метода оценки геокриологических опасностей для природных ландшафтов и сооружений, построенных на вечной мерзлоте, и в построении прогностических карт индекса геокриологической опасности для середины 21 века.

Диссертационная работа является частью коллективных исследований, проводившихся в рамках двух научных проектов. Личный вклад автора проявлялся в сборе климатических, почвенных и растительных данных для криолитозоны северного полушария; анализе трендов изменения температуры воздуха и построении на их основе эмпирической модели климата; в разработке стационарной и динамической моделей вечной мерзлоты (блоков, учитывающих изменения растительного покрова и влажности грунта); в проведении расчетов, в которых оценивалось совместное влияние изменения климата и растительности на распространение и глубину сезонного протаивания вечной мерзлоты; в развитии метода количественной оценки геокриологических опасностей на основе расчетного индекса; в построении прогностических карт вечной мерзлоты и индекса геокриологической опасности для криолитозоны Северного полушария.

Практическое значение работы. Результаты научных исследований, полученные в диссертационной работе, использовались для подготовки Российских и международных справочных материалов, экспертных заключений и рекомендаций, связанных с изучением негативных последствий изменения климата в области распространения вечной мерзлоты, а также были предоставлены в качестве научного обоснования для выработки национальной позиции России по вопросу участия в международных соглашениях, направленных на ограничение антропогенного потепления.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на научных семинарах, Российских и международных совещаниях, важнейшими из которых являются ежегодная Международная конференция по геокриологии (Пущино, 1999 — 2003), Итоговая конференция по международной программе арктических исследований ЛСБУБ (ноябрь 2003, С.Петербург), всемирная конференция по изменению климата (сентябрь 2003, Москва), восьмая международная конференция по проблемам вечной мерзлоты (июль 2003, Цюрих, Швейцария), конференция Европейского геофизического союза (апрель 2003, Ницца, Франция), первая Европейская конференция по вечной мерзлоте (апрель 2001, Рим, Италия), конференции Американского Геофизического Союза (декабрь 2000, 2001, 2003, Сан Франциско, США), международное совещание по проблемам загрязнения Арктики (июль 2000, Кэмбридж, Великобритания).

Публикации. Основные итоги научных разработок автора, представленные в диссертации, опубликованы в 6 статьях в журналах "Метеорология и Гидрология", "Физика Атмосферы и Океана", в сборнике "Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем", а также в трудах конференций и совещаний.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из трех глав, введения и заключения, содержит 24 рисунка и 7 таблиц, список цитируемой литературы состоит из 137 наименований.

1. Современные и ожидаемые в будущем изменения климата суб-Арктической области.

Современное изменение климата имеет глобальный характер и оказывает воздействие на многие природные процессы. Согласно большинству из имеющихся прогнозов, наиболее быстрым и значительным потепление будет в высоких широтах северного полушария, и, в частности в области распространения вечной мерзлоты. Для получения количественных оценок геокриологических последствий потепления необходимы прогнозы изменения климата в высоких широтах. Такие прогнозы могут быть получены различными методами.

В настоящее время большое распространение получили модели общей циркуляции атмосферы и океана. В контексте данной работы существенным является то, что многие современные модели, достаточно точно воспроизводя климат умеренных и низких широт, дают существенно различные оценки как современных климатических трендов, так и ожидаемого в будущем климата суб-Арктических регионов. Было проведено сравнение прогнозов увеличения температуры воздуха по 19 моделям общей циркуляции. К концу 21 века, согласно расчетам, глобальная температура должна увеличиться на 1.1 -3.1 °С, в среднем по всем моделям на 1.75 °С. При этом изменение температуры в зоне к северу от 60° широты в среднем по всем моделям вдвое превышает глобальную оценку и составляет 3.4 °С, а разброс укладывается в диапазон 1.5 - 7.6 °С, причем 17 из 19 моделей дают оценки, попадающие в значительно меньший диапазон от 2.2 °С до 3.9 °С. Присущие современным теоретическим моделям климата неопределенности указывают на необходимость разработки альтернативных методов прогноза, основанных на анализе эмпирических данных.

Данные указывают на то, что в ряде регионов прослеживается устойчивая связь аномалий температуры воздуха с изменением средней годовой глобально осредненной температуры, прогноз которой в этом случае можно использовать в качестве предиктора для расчета ожидаемых региональных изменений климата. На этом принципе нами была построена эмпирическая модель климата, основанная на расчете корреляций временных рядов глобальной и региональной

температуры воздуха, осредненной за различные периоды:

Тр«=арТгл(1> + Ьр+П(0' (1.1)

В уравнении (1) Яр и Ьр - коэффициенты линейной связи глобальной и

региональной температуры воздуха; п(0 - слагаемое, учитывающее влияние стохастических факторов и процессов синоптического масштаба. При построении модели предполагается, что влияние синоптических процессов можно свести к минимуму путем скользящего временного осреднения рядов за период порядка десятилетия, при этом:

Полагая, что коэффициент Ьр не зависит от времени, с учетом (1.2) можно переписать уравнение (1.1) в следующем виде:

(1.3)

В (1.3) ДТр и АТрл - изменения региональной и глобальной температуры воздуха. Для оценки используются длительные ряды региональной и глобальной температуры воздуха. Прогноз изменения региональной температуры в зависимости от приращения

строится по уравнению (1.3).

В таблице 1 приведены сравнительные оценки изменения средней годовой температуры воздуха по крупным регионам мира, полученные при помощи расчетов по трем моделям общей циркуляции атмосферы, по данным палеоклиматических аналогов для трех теплых периодов прошлого, (климатический оптимум голоцена (Ш), 6-10 тыс. лет назад, микулинское межледниковье (Ее), 125 тыс. лет назад, и быстрый климатический переход в период раннего дриаса фг), около 10300 лет назад ), по современным трендам и по эмпирической модели климата. Диапазон изменения оценок по каждому региону отражает меру неопределенности современных прогнозов климата. Вывод, который можно сделать по результатам такого сравнения, состоит в том, что потепление будет наиболее сильным в субАрктической области, и следует ожидать, что оно окажет заметное воздействие на вечную мерзлоту и геосистемы Крайнего Севера, которые можно рассматривать в качестве косвенных индикаторов изменений климата.

ДТр(9=арДТгл(Ь.).

АТ,

гл

Таблица 1. Сравнительная оценка прогнозов изменения климата (в пересчете на 1 °С глобального потепления).

Регион Модели климата Палео данные тренд Эмп. модель

GFDL HadCM ЕСНА М HI Ее Dr ДТ Гт

Скандинавия 1+2 1+2 -0.5+0.5 2+3 1+2 2+3 0+2 -1.5+1.5 <0.6

Север ETC 2+3 0+1 1+2 2+4 2+3 2+4 1+4 2.0+3.5 0.6-0.8

С.з. России 1+2 0+1 0.5+1.5 1+2 0+1 2+4 1+4 0+1.5 <0.6

Вост. Европа 1+2 -0.5+0.5 0.5+1.5 0+1 0+1 0+4 0+2 0+0.5 <0.6

Зап. Европа 0+1 0.5+1.0 0.5+1.0 0+1 0+1 0+4 0+2 0+0.5 <0.6

Арктич. побережье 2.0+3.0 1.0+3.0 0.5+1.5 3+5 3+5 0+1 2+4 3.0+5.0 >0.8

Западная Сибирь 3.0+4.0 3.0+4.0 1.0+2.0 1+3 1+3 4+6 4+5 4.0+6.0 >0.8

Якутия 2.0+3.0 2.0+3.0 1.0+2.0 1+2 1+2 3+5 2+3 2.5+3.5 >0.8

Дальний Восток 1.5+2.5 1.5+2.5 -0.5+0.5 1+3 1+3 0+2 1+2 2.0+4.0 >0.8

Средняя Азия 1.5+2.5 0.5+1.5 -0.5+0.5 1+0 - 0+4 1+2 0.5+1.0 <0.6

Индокитай 1.0+2.0 0.5+1.5 0.5+1.0 1+0 - - 0+1 0.5+1.0 0.6-0.8

Юго-вост. Азия 0.5+1.0 0.5+1.5 0.5+1.0 0+1 - - - 0.5+1.0 >0.8

Север Аляски 3.0+4.0 2.0+3.0 -1.0+0. 4+5 - - 3+5 4.0+5.0 >0.8

Арктич. Канада 2.5+3.5 1.5+2.5 2.0+3.0 2+3 - - 1+2 1.5+3.5 <0.6

Север Атлантики 2.0+3.0 1.0+0.5 -1.0+0.5 - - - -1+0 1.0+1.5 <0.6

Юж. Аляска 3.0+4.0 2.0+3.0 -0.5+0.5 4+5 - - 3+5 5.0+6.0 >0.8

С/з США 2.0+2.5 0.5+1.5 -1.0+0.5 - - 0+1 0+2 0+1.0 <0.6

С/в США 1.0+2.0 0.+1.0 0.+1.5 0+1 - 0+ 1 0+1 -0.5+1.5 <0.6

За последние три десятилетия произошло сокращение площади морских льдов во все сезоны приблизительно на 30%, площадь снежного

покрова за это же время уменьшилась на 10%. Увеличилась температура вечной мерзлоты на 1-3 °С на Аляске и на 1 - 1.5 °С в Сибири. С конца 1970х годов годовой сток сибирских рек увеличился приблизительно на 10%, в зимний период увеличение стока достигало 40% при том, что осадки изменились незначительно. Произошло сокращение периода ледостава на реках и озерах. Данные по северному полушарию за 1846 — 1995 годы свидетельствуют о том, что период ледостава на пресноводных водоемах уменьшился в среднем на 12 дней за столетие как за счет более поздней осенней даты его начала (5,8 дн./100 лет), так и за счет более раннего весеннего вскрытия (6,5 дн./100 лет). Отмечены изменения границы тундры, которая смещается к северу в среднем на 100 км при увеличении среднегодовой температуры воздуха на 1 °С, и на ее место продвигаются леса. Согласно немногочисленным данным, почвы тундровой зоны, на протяжении многих столетий накапливавшие углерод, преобразуются из нетто-стока в нетто-источник углерода. В совокупности рассмотренные косвенные индикаторы подтверждают представление о том, что современные изменения климата наиболее сильно проявляются в высоких широтах.

2. Математическое моделирование вечной мерзлоты в условиях

изменения климата.

Для геокриологического прогноза были разработаны стационарная и динамическая модели вечной мерзлоты, учитывающие воздействие температуры воздуха, осадков, снежного покрова и растительности на температуру мерзлого грунта и глубину сезонного про-таивания. В основу стационарной модели положена схема расчета глубины протаивания/промерзания, разработанная в 1970х годах В.А. Кудрявцевым. В простейшем варианте для расчета требуются температура воздуха и осадки (месячные данные), теплофизические свойства растительности и грунта. Основу динамической модели составляют

три блока, обеспечивающие совместное решение уравнения теплового баланса подстилающей поверхности, уравнения водного баланса и уравнения переноса тепла в слое снега и в грунте. Входными параметрами являются приходящая радиация, температура воздуха, влажность воздуха, осадки и облачность. В упрощенном варианте модели предполагается равенство температуры поверхности и воздуха, при этом расчет может проводиться при наличии данных только лишь о месячной температуре воздуха и осадках. Для расчета теплофизических свойств грунта, снежного покрова и растительности использовались полуэмпирические формулы, полученные различными авторами. Коэффициент теплопроводности грунта рассчитывался в зависимости от его влажности по формуле, предложенной А.В. Павловым:

Х = к..(0,001.рск+10.ш/рс1(- 1,1)- П,<>™/Рск, (2.1)

где рск - плотность сухого грунта, кг/м ; XV - влажность (льдистость), выраженная в миллиметрах воды на метр грунта, (мм/м); к. - эмпири-

ческий коэффициент, значения которого приведены в таблице 2. Таблица 2. Значения эмпирического коэффициента к._

Песок Супесь, суглинок Глина

Мерзлая почва 1,95 1,75 1,60

Талая почва 1,75 1,60 1,50

Для расчета коэффициента теплопроводности органического слоя (торфа) использовались эмпирические формулы, полученные в Государственном гидрологическом институте на основе обобщения данных по болотным почвам Западной Сибири:

Хм= 0,08 ехр(0,00388«\Ун), Х = (0,615*лу + 22,2)«10"3

(2.2)

Объемный коэффициент теплоемкости всех типов почвы, С (дж/м^*^С) рассчитывался через удельную теплоемкость скелета, С^, (дж/кг*^С), плотность скелета, рск, (кг/м*) и влажность w, (мм/м): См= С к*рск + 4180^н + 2090^н- \ун), (2.3)

В этих формулах \Ум и лут - льдистость и влажность почвы, \Ун -незамерзшая влага, (мм/м), 4180 и 2090 - удельная теплоемкость воды

и льда, (дж/кг*^С). Характерные значения параметров грунта приведены в таблице 3. Коэффициент теплопроводности и теплоемкость

о

снежного покрова принимались равными:

Характерные значения характеристик низшей растительности (мохово - лишайникового покрова) приведены в таблице 4. Таблица 3. Характерные значения теплофгоических параметров грунтов.

Песок Супесь Суглинок Глина Торф

р , кг/м"* 1300 1400 1500 1500 200

Сск, Дж/(кг °С) 690 730 775 920 2000

(гтнп/тах), мм/м 150/500 150/500 100/400 100/150 450/900

Вт/(м °С) 1,25/2,65 1,25/2,35 1,15/2,05 1,10/2,00 0,80/2,60

X, Вт/(м °С) 1,05/2,15 1,05/1,90 0.90/1,70 0,85/1,60 0,30/0,55

Таблица 4. Характеристики растительных покровов в талом состоянии.

Рск»кг/м \У, мм/м Вт/(м °С)

Лишайник 70-140 10-30 0,15-0,35

Мох бурый 40-240 5-800 0,15-0,35

Сфагнум 100-270 10-650 0,15-0,40

Для проверки моделей были использованы измерения глубины сезонного протаивания на экспериментальных площадках международного проекта CALM, расположенных в различных зонах вечной мерзлоты. Результаты измерений доступны через интернет на странице проекта CALM (http://www.geographv.uc .edu/~kenhinke/CAL M/). Обе модели удовлетворительно описывают максимальную глубину протаивания мерзлого грунта. Говоря об удовлетворительном соответствии расчетных и измеренных величин, мы отмечаем тот факт, что в случае если влияющие параметры модели принимают значения в пределах диапазона их изменений на данном контрольном участке, в результате расчета получаются значения глубины протаивания, укладывающиеся в диапазон ее измерений на данной площадке. С учетом значительной пространственной изменчивости параметров вечной мерзлоты результаты расчетов по геокриологическим моделям необходимо оценивать именно в означенном выше статистическом смысле.

З.Прогноз изменения вечной мерзлоты и оценка геокриологических опасностей для природных ландшафтов и инфраструктуры районов Крайнего Севера в условиях антропогенного потепления.

При построении долгосрочных геокриологических прогнозов необходимо учитывать неклиматические факторы, оказывающие влияние на вечную мерзлоту, которые сами могут значительно изменяться под воздействием потепления. Важнейшим среди них является растительность, в особенности низший органический слой, образуемый мохово-лишайниковой растительностью и торфом. Высокие теплоизолирующие свойства этого слоя особенно сильно проявляются в летнее время, сохраняя мерзлый грунт.

Данные наблюдений позволяют построить сценарий изменения растительности при увеличении температуры воздуха, предполагающий первоначальное увеличение биомассы (высоты и сомкнутости) мохово-лишайникового покрова. Затем, по достижении некоторой критической величины потепления, начинают преобладать процессы изменения видового состава, проявляющиеся в постепенном вытеснении и замещении мохообразных кустарниками. Для оценки влияния таких изменений растительности на вечную мерзлоту были проведены серии расчетов, в которых параметры растительности изменялись во времени в соответствии с указанным выше сценарием. Было выделено четыре градации толщины мохово-лишайникового слоя высотой 5, 10, 15 и 20 см. Предполагалось, что первоначальная толщина мохового слоя, задаваемая равной 5 см для арктической пустыни и 10 см для арктической тундры, увеличивается на 5 см с каждым градусом увеличения средней годовой температуры воздуха потепления в данной точке. По достижении 20 см с каждым последующим градусом потепления толщина мохового слоя уменьшается, также на 5 см, пока не будет достигнут предельный случай, при котором он замещается сосудистыми растениями (кустарниками), оказывающими небольшое теплоизолирующее воздействие.

Предполагалось, что изменения растительности сопровождались изменениями снежного покрова, которые рассчитывались по следующей схеме. В случае, когда высота растительности не превышала 10 см, высота снежного покрова принималась равной базовому значению, определяемому количеством зимних осадков. При увеличении высоты растительности до 20 см (толстый слой мха), и до 30-50 см (кустарник) высота снега увеличивалась на 10% и на 20%, что соответствовало большей снегоудерживающей способности такого покрова.

Согласно расчету, первоначальное увеличение толщины мохового слоя, обладающего низкой теплопроводностью в теплый период года, с 10 см до 20 см, может снизить среднегодовую температуру вечной мерзлоты на 0.5 - 1.0 °С и уменьшить глубину протаивания в среднем по криолитозоне на 25 см, или приблизительно на 30%. Это сравнимо с прямым воздействием повышения температуры воздуха, ожидаемого в ближайшие два десятилетия, и может заметно уменьшить его эффект. При уменьшении толщины мха с 10 см до 5 см расчетная глубина сезонного протаивания возрастает в среднем по всей криолитозоне на 13 см (около 15%). Если же мохово-лишайниковый слой полностью замещается кустарником, расчетная глубина протаи-вания возрастает в среднем на 28 см (27%).

Для проведения расчетов в масштабе северного полушария были созданы базы данных температуры воздуха, осадков, типа грунта и растительности в узлах регулярной сетки с пространственным шагом 0.5 градуса по широте и долготе. При помощи стационарной модели были рассчитаны положения границ вечной мерзлоты и глубина сезонного протаивания для пяти сценариев изменения климата, построенных на основе расчетов по моделям общей циркуляции атмосферы ОББЬ, МСЛЯ, ССС, ИаёСМ, и ЕСНАМ-4 с учетом изменения растительности. Эти сценарии были выбраны путем сравнения результатов расчетов современной динамики климата по 19 различным моделям с данными наблюдений о его изменениях в Арктике.

На рисунке 1 показаны последовательные изменения положения южной границы криолитозоны и границы зоны сплошной приповерхностной вечной мерзлоты, рассчитанные для условий 2030, 2050 и

2080 г. по "среднему" сценарию GFDL (в диссертации приведены аналогичные карты для всех пяти выбранных сценариев). Поскольку мерзлые толщи южной периферийной области обладают небольшой мощностью, за время порядка нескольких десятилетий возможно полное протаивание большинства островов мерзлоты и смещение южной границы криолитозоны к северу на десятки километров. Обозначенное на рис.1 смещение границы "холодной" сплошной мерзлоты следует понимать в том смысле, что местами будут возникать и развиваться острова протаивания с отрывом кровли мерзлоты от поверхности и сохранением ее в более глубоких слоях. Между областями деградации островной и сплошной вечной мерзлоты на рисунке 1 находятся большие участки криолитозоны, статус которых в процессе потепления не изменится. Они будут характеризоваться прерывистым распространением мерзлых пород, сомкнутость которых будет уменьшаться в процессе потепления, а глубина сезонного протаивания расти.

Прогностические оценки площади криолитозоны приведены в таблице 5. Диапазон изменения общей площади мерзлоты (а также отдельно сплошной криолитозоны) в северном полушарии к 2030, 2050 и 2080 годам составляет, соответственно, 10%-18% (15%-25%); 15%-30% (20%-40%), и 20%-35% (25%-50%). Расположение модельных сценариев в таблице 5 соответствует эффекту, который они оказывают на вечную мерзлоту. Наиболее радикальные изменения дает сценарий ЕСНАМ, в то время как сценарий NCAR оказывается наиболее консервативным в плане воздействия прогнозируемого изменения климата на распространение вечной мерзлоты. Сценарий GFDL можно назвать в этом отношении "средним", а результаты, получаемые с использованием прогнозов ССС и HadCM, можно условно принять за верхнюю и нижнюю границы вероятного интервала изменений вечной мерзлоты при климатическом потеплении.

0 - океан

1 - суша

2,3,4 - последовательное смещение южной границы криолитозоны к 2030, 2050 и 2080 гг.

5 - область прерывистой мерзлоты, не изменяющая свой статус до 2080 г.

6,7,8 - последовательное смещение границы сплошной мерзлоты к 2030, 2050 и 2080 гг.

9 - область сплошной мерзлоты к 2080 году.

Рис. 1. Прогноз изменения положения южной границы криолитозоны и границы сплошной мерзлоты по сценарию йРИЬ для 2030, 2050 и 2080 г.

Таблица 5. Расчетные площади криолитозоны северного полушария (млн. км2 и % от современной) для 2030,2050 и 2080 г.

Сценарий Общая площадь криолитозоны Площадь сплошной мерзлоты

2030 2050 2080 2030 2050 2080

ЕСНАМ * 22.30 19.31 17.64 9.37 7.25 5.88

82% 71% 65% 75% 58% 47%

ССС 23.72 21.94 20.66 9.83 8.19 6.93

87% 81% 76% 79% 66% 56%

СЯРЬ 24.11 • 22.38 20.85 10.19 8.85 7.28

89% 82% 77% 82% 71% 59%

НасЮМЗ 24.45 23.07 21.36 10.47 9.44 7.71

90% 85% 78% 84% 76% 62%

1ЧСАР 24.24 23.64 21.99 10.69 10.06 9.14

89% 87% 81% 86% 81% 74%

Таяние приповерхностной вечной мерзлоты будет сопровождаться, изменениями ландшафта с преобладанием депрессивных форм, образуемых термокарстом. Такие изменения опасны для имеющихся сооружений. В Западной Сибири ежегодно происходит около 35 тысяч отказов и аварий на магистральных нефте- и газопроводах, общая протяженность которых в России составляет приблизительно 350 тысяч километров. Около 21% всех аварий вызваны механическими воздействиями, в том числе связанными с потерей устойчивости фундаментов и деформацией опор. Имеются многочисленные примеры нарушения целостности и разрушения жилых и производственных зданий из-за уменьшения несущей способности вечной мерзлоты, и различных форм термокарста. По данным проводившихся, исследований доля зданий, находящихся в опасном неустойчивом состоянии составляет в Норильске 10%, в Тикси 22%, в Дудинке 55%, в Диксоне 35%, в Певе-ке и в Амдерме 50%, в Чите 69% и в Воркуте 80%. В Якутске за период с начала 1970х годов более 300 зданий получили серьезные повреждения в результате просадок мерзлого грунта. По мнению эксперта Института Мерзлотоведения Сибирского отделения РАН, в последнее десятилетие изменение климата могло стать основной причиной ослабления фундаментов строений на вечной мерзлоте. Статистика показывает, что в период с 1990 по 1999 г. число зданий, получивших различного.рода повреждения из-за неравномерных просадок фундаментов, увеличилось по сравнению с предшествующим десятилетием на 42% в Норильске, на 61% в Якутске и на 90% в Амдерме. Это свидетельствует о необходимости разработки методов прогноза геокриологических опасностей для инженерной инфраструктуры, построенной на вечной мерзлоте..

Для выявления областей, наиболее подверженных геокриологическим опасностям при изменении климата, и районирования территории России нами был разработан достаточно простой прогностический метод, основанный на применении расчетного индекса:

/г = лгпсл. (3.1)

Здесь /г - индекс геокриологической опасности, А2п - изменение глубины сезонного протаивания вечной мерзлоты, рассчитанное для заданного прогноза климата, и С„. - процентное содержание льда в мерзлом грунте. Согласно (3.1), вероятность развития деструктивных геокриологических процессов приобретает наибольшую величину в случае, когда мерзлый грунт содержит большое количество льда, и предстоящее изменение климата вызовет значительное увеличение глубины сезонного протаивания. В таких районах возможны осадки оттаивающего грунта за счет интенсивного термокарста. Изменение температуры грунта, которое является главным фактором, влияющим на его несущую способность, неявно учитывается при расчете изменения глубины протаивания.

При расчете индекса природной геокриологической опасности были использованы данные о процентном содержании льда в мерзлом грунте в узлах регулярной сетки с шагом 0.5 х 0.5 градуса. Эти данные представляют собой электронный вариант геокриологической карты Международной ассоциации мерзлотоведения. Необходимые для расчета индекса геокриологической опасности прогнозы изменения глубины сезонного протаивания вечной мерзлоты были получены при

помощи стационарной модели. Результаты расчетов и прогностические карты для пяти сценариев изменения климата и трех временных интервалов, 2030, 2050 и 2080 гг. рассматриваются в параграфе 3.2 диссертации. По данным расчетов к середине столетия на большей части криолитозоны глубина протаивания может возрасти на 15%-25%, местами на 50% и более.

На рисунке 2а показана карта индекса природной геокриологической опасности для климатических условий середины 21 века, рассчитанная с использованием "среднего" сценария GFDL. Весь диапазон изменения индекса был разбит на три категории, которые обозначают области с малой, средней и большой вероятностью развития деструктивных геоморфологических процессов, связанных с деградацией вечной мерзлоты. Карта на рисунке 2а заметно отличается от широтно-зональной поскольку алгоритм расчета индекса природной геокриологической опасности учитывает орографию, растительность, и региональные особенности современного и прогнозируемого климата (эти факторы учитываются при расчете глубины протаивания), а также неоднородное содержание льда в мерзлом грунте.

Необходимо отметить, что природные ландшафты и инфраструктура районов Крайнего Севера обладают различной устойчивостью по отношению к изменениям климата. Существующая инфраструктура северных регионов достаточно хорошо адаптирована к современным мерзлотно-климатическим условиям. При оценке ее устойчивости целесообразно исходить не из абсолютных, а из относительных изменений несущей способности мерзлого грунта, используя несколько иной индекс, который можно назвать индексом геокриологического

риска для инфраструктуры. От индекса природной геокриологической опасности он отличается лишь тем, что в формуле (3.1) изменение глубины протаивания выражено в процентах от современной нормы. Расчетные значения такого индекса для криолитозоны Евразии по климатическому сценарию ОББЬ на 2050 г. показаны на рисунке 26 (в диссертации имеется аналогичная карта для криолитозоны северного полушария).

В области наибольших значений индекса геокриологического риска попадают Чукотка, бассейны верхнего течения Индигирки и Колымы, юго-восточная часть Якутии, значительная часть ЗападноСибирской равнины, побережье Карского моря, Новая Земля, а также часть островной мерзлоты на севере европейской территории. В этих районах имеется развитая инфраструктура, в частности газо- и нефтедобывающие комплексы, система трубопроводов Надым-Пур-Таз на северо-западе Сибири, Билибинская атомная станция и связанные с ней линии электропередач от Черского на Колыме до Певека на побережье Восточно-Сибирского моря. Деградация мерзлоты на побережье Карского моря может привести к значительному усилению береговой эрозии, за счет которой в настоящее время берег отступает ежегодно на 2-4 метра. Особую опасность представляет ослабление вечной мерзлоты на Новой Земле в зонах расположения хранилищ радиоактивных отходов. В то же время расчеты свидетельствуют о том, что на больших территориях Якутии и Западной Сибири запас надежности инженерных сооружений и построек на вечной мерзлоте, рассчитанных на эксплуатацию в современных климатических условиях, уменьшится незначительно.

Рис. 2. Индекс геокриологической опасности (а) и индекс геокриологического риска для инфраструктуры (б) для климатических условий 2050 года по сценарию СРИЬ.

Заключение н выводы

1. Имеются устойчивые корреляционные связи между наблюдаемыми изменениями среднегодовой глобальной температуры и температурой на большей части Сибири и на Аляске. Изменения температуры в этих регионах в 3-5 раз превышают глобальные изменения.

2. Сценарии климатических моделей GFDL, NCAR, ССС, ЕСНАМ и HadCM хорошо воспроизводят региональную картину потепления высоких широт, получаемую по эмпирической модели климата.

3. Пространственные распределения изменений температуры воздуха, мерзлого грунта и глубины сезонного протаивания вечной мерзлоты не являются подобными в силу действия локальных факторов и обратных связей через изменения растительности и снегонакопления.

4. Диапазон сокращения общей площади приповерхностной вечной мерзлоты (а также отдельно сплошной криолитозоны) в северном полушарии, рассчитанный с учетом обратных связей, к 2030,2050 и 2080 годам составляет, соответственно, 10%-18% (15%-25%); 15%-30% (20%-40%), и 20%-35% (25%-50%) от современной величины.

5. Увеличение глубины протаивания к 2030 г. может достигать 10%-15%; к 2050 г. 15%-25%, местами до 50%; к 2080 г. 30%-50% и более.

6. Увеличение толщины мохового слоя от 10 до 20 см может уменьшить среднюю по криолитозоне глубину протаивания до 30%. При вытеснении мхов кустарником с учетом сопутствующих изменений снегонакопления глубина протаивания может увеличиться до 27%.

7 Согласно расчетам, ожидаемые изменения вечной мерзлоты представляют наибольшую опасность для инфраструктуры на Чукотке, в бассейнах верхнего течения Индигирки и Колымы, в юго-восточной части Якутии, на ряде участков Западно-Сибирской равнины, на побережье Карского моря, на Новой Земле, а также в области островной мерзлоты на севере европейской территории. В то же время во многих районах Якутии и Западной Сибири изменение климата в первой половине текущего столетия не приведет к заметной потере устойчивости сооружений, построенных на вечной мерзлоте.

Публикации автора по теме диссертации.

1. Анисимов, О.А. и М.А. Белолуцкая, 2001. Применение геоинформационной системы для прогноза агроклиматических характеристик. -Метеорология и гидрология, № 9, с. 89-98.

2. Анисимов, О.А. и М.А. Белолуцкая, 2002. Оценка влияния изменения климата и деградации вечной мерзлоты на инфраструктуру в северных регионах России.- Метеорология и гидрология, № 6, с. 15-22.

3. Анисимов, О.А. и М.А. Белолуцкая, 2003. Современное потепление как аналог климата будущего.- Физика атмосферы и океана, № 2, с. 211-221.

4. Анисимов, О.А., М.А. Белолуцкая, и В.А. Лобанов, 2003. Современные изменения климата и природной среды в области высоких широт Северного полушария.- Метеорология и гидрология, № 1, с. 18-30.

5. Анисимов, О. А. и М.А. Белолуцкая, 2004. Моделирование воздействия антропогенного потепления на вечную мерзлоту: учет влияния растительности.- Метеорология и гидрология, (в печати).

6. Анисимов, О.А. и М.А. Белолуцкая, 2004. Влияние изменения климата на вечную мерзлоту: прогноз и оценка неопределенности. В кн.: Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем, Москва, (в печати).

7. Шутов, В.А. и М.А. Белолуцкая, 1990. Оценка инфильтрации талых вод по данным наблюдений на экспериментальных площадках.- Метеорология и гидрология, № 12, с. 93-100.

8. Anisimov, O.A., Poljakov,V.Yu, and М.А. Belolutskaia, 2000. Computerised Geocryological Information System for the Studies of Climate-Permafrost Interaction in the Northern Hemisphere.- Proceedings of the American Geophysical Union, Fall Meeting, San-Francisco, December 2000.

9. Anisimov, O.A., and M.A. Belolutskaia, 2001. Climate Change, Degradation of Permafrost, and Hazards to Infrastructure in the Circumpolar Arctic- Proceedings ofthe American Geophysical Union, Fall Meeting, San-Francisco, December2001.

Ш - 35 76

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Белолуцкая, Марина Арнольдовна

Введение

Глава 1. Современные и ожидаемые в будущем изменения климата суб-Арктичеекой области.

1.1. Методы прогноза климата и особенности их применения в субАрктических регионах.

1.2. Прямые и косвенные индикаторы изменения климата холодных регионов.

1.3. Прогноз температуры на основе анализа современных данных наблюдений.

1.4. Сравнение модельных и эмпирических прогнозов изменения климата для криолитозоны северного полушария и оценка точности.

Глава 2. Математическое моделирование вечной мерзлоты в условиях изменения климата.

2.1. Равновесные модели взаимодействия вечной мерзлоты и климата.

2.2. Динамическое моделирование взаимодействия вечной мерзлоты и климата.

2.3. Методика расчетов и оценка точности геокриологических моделей.

Глава 3. Прогноз изменения вечной мерзлоты и оценка геокриологических рисков для ландшафтов и инфраструктуры районов Крайнего Севера в условиях антропогенного потепления.

3.1. Геокриологические факторы влияния на ландшафты и инженерную инфраструктуру Крайнего Севера.

3.2. Изменение климата и вечная мерзлота: учет влияния растительности.

3.3. Изменение распространения вечной мерзлоты и глубины сезонного протаивания при потеплении.

3.4. Оценка геокриологических опасностей для природных ландшафтов и инженерной инфраструктуры районов Крайнего Севера.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Влияние изменения климата на вечную мерзлоту и инженерную инфраструктуру Крайнего Севера"

Около 67% территории современной России расположено в районах распространения многолетнемерзлых порол. К многолстнемерзлым породам, часто называемым вечной мерзлотой, относят слои грунта и горные породы, температура которых не поднимается выше О °С на протяжении двух или более последовательных лет. Все районы распространения многолетнемерзлых пород объединены понятием криолитозона. В криолитозоне имеется развитая инфраструктура, значительная часть которой обслуживает нужды добывающей промышленности. Помимо протяженных транспортных магистралей, мостов, нефтепроводов, линий электропередач, взлетно-посадочных полос, морских и речных портов, в России, в отличие от других субАрктических государств, имеются крупные города (Якутск, Норильск, Воркута) и населенные пункты, построенные на вечной мерзлоте. Большинство сооружений в криолитозоне построены на свайных фундаментах, использующих в качестве основания мерзлый грунт.

Климатическое потепление вызывает деградацию вечной мерзлоты, под которой понимается совокупность процессов, приводящих к увеличению температуры мерзлого грунта, более глубокому сезонному протаиванию и сокращению площади распространения приповерхностных многолетнемерзлых пород (при этом в более глубоких слоях температура пород может еще длительное время оставаться отрицательной). Вместе с тем криолитозона, северные ландшафты и растительность обладают некоторой устойчивостью по отношению к воздействиям внешних факторов, и, в частности, климата. Имеющиеся в этой системе обратные связи частично компенсируют первоначальное воздействие, однако лишь до тех пор, пока его величина не превышает некоторого порогового значения. По достижении этого значения система теряет устойчивость и переходит в новое состояние.

Потеря устойчивости криолитозоны может иметь многие неблагоприятные социальные, экономические и экологические последствия. В ближайшие несколько десятилетий изменение климата может привести к уменьшению прочностных свойств многолетнемерзлых грунтов, что, в свою очередь, вызовет уменьшение несущей способности фундаментов и повреждение или же разрушение построенных на них сооружений. Деформации и аварии трубопроводов, проходящих через вечную мерзлоту, могут сопровождаться выбросами в окружающую среду нефтепродуктов. На неосвоенных участках криолитозоны могут развиваться деструктивные геоморфологические процессы, вызывая просадки грунта и значительно изменяя северные ландшафты. Возникающие при этом проблемы требуют незамедлительного и всестороннего изучения, поскольку они ставят под угрозу экологическую безопасность районов Крайнего Севера.

Предмет исследования. Предметом исследования данной диссертационной работы является устойчивость криолитозоны, ландшафтов и инженерной инфраструктуры Крайнего Севера в условиях глобального изменения климата.

История исследований. Исследования связи вечной мерзлоты и климата имеют достаточно длительную историю. Первые попытки описать распространение вечной мерзлоты были сделаны еще в конце 19 столетия, когда русский климатолог Г.И. Вильд теоретическим путем установил, что южная граница криолитозоны должна быть расположена вблизи изотермы средней годовой температуры воздуха -2

С (Вильд, 1882). Впоследствии эти работы были продолжены Л.А. Ячевским (Ячсвский, 1889), А. Хргианом (Хргиаи, 1937), А.И. Воейковым (Воейков, 1949; Воейков, 1952) и другими исследователями, которые создали основы теории формирования вечномерзлых пород и их связи с климатом. Дальнейшие исследования, продолжающиеся до настоящего времени, были направлены на изучение истории формирования криолитозоны, на получение данных о распространении вечной мерзлоты, ее температуре, глубине залегания, глубине сезонного протаивания и на построение геокриологических карт.

В последние десятилетия в связи с происходящим изменением климата исследования вечной мерзлоты приобрели новую направленность. Важной общей задачей является изучение последствий антропогенного потепления для природной среды, экономики и социальной сферы. Такие исследования в первую очередь необходимы для разработки экономических и политических стратегий адаптации к предстоящему потеплению. Особую озабоченность вызывают неблагоприятные и катастрофические последствия, многие из которых требуют незамедлительных мер, направленных на их минимизацию. К такого рода последствиям можно отнести и обусловленную потеплением деградацию вечной мерзлоты. На Всемирной конференции но изменению климата, проходившей осенью 2003 года в Москве, была сформулирована позиция России, согласно которой требуется дальнейшее изучение последствий потепления, в особенности тех, которые непосредственно затрагивают национальные интересы страны. Подчеркивалось, что в силу географического положения России большая часть ее природных ресурсов находится в районах Крайнего Севера, и проблемы изучения вечной мерзлоты, поддержания расположенной на ней инфраструктуры и обеспечения экологической безопасности в условиях изменения климата следует относить к числу наиболее приоритетных научных задач.

Современное состояние исследований. Анализ данных наблюдений свидетельствует о продолжающемся увеличении средней глобальной температуры воздуха (Holland and Karl, 2001). По оценкам Международной Группы Экспертов по Изменению Климата (часто цитируемой по англоязычной аббревиатуре IPCC), рост глобальной температуры в 20 веке превысил ее изменения за последнюю тысячу лет и составил 0,6 °С; период с 1991 но 2000 год был самым теплым десятилетием, а 1998 год - самым теплым годом за полтора века наблюдений (Houghton et al., 2001). Имеющиеся прогнозы свидетельствуют о возможности дальнейшего увеличения глобальной температуры воздуха на несколько градусов в течение 21 столетия. Конкретные оценки различаются между собой, однако большинство прогнозов по моделям теории климата предсказывают более сильное потепление высоких широт северного полушария по сравнению с другими регионами мира (Cubasch and Meehl, 2001). Аналогичный вывод следует и из анализа данных наблюдений (Анисимов и Белолуцкая, 2003; Анисимов и Поляков, 1999; Anisimov, 2001; Folland and Karl, 2001; Serrcze et al., 2000).

Увеличение средней годовой температуры воздуха в арктических и субарктических регионах может превышать среднюю глобальную величину в 2-3 раза. По этой причине изучение последствий изменения климата в 'северных регионах несомненно относится к числу задач, решение которых возможно и необходимо уже в настоящее время. Предстоящее потепление приведет прежде всего к изменению природных ландшафтов и экосистем Крайнего Севера (Анисимов и др., 2003). Среди природных последствий потепления Арктики одним из наиболее важных можно считать воздействие на вечную мерзлоту. Многолетнемерзлые породы занимают в настоящее время приблизительно 24% площади суши в северном полушарии, что составляет около 22.8x10(> км2. Ослабление прочностных свойств вечной мерзлоты при потеплении и развитие деструктивных геокриологических процессов представляют серьезную угрозу для -сооружений, равно как и для населения районов Крайнего Севера. Несмотря на очевидную актуальность этой проблемы, многие ее аспекты требуют дальнейшего изучения.

На первый взгляд, качественная картина изменения вечной мерзлоты в условиях глобального потепления представляется достаточно ясной. Более высокая температура воздуха как в зимний, так и в летний период будет способствовать увеличению температуры мерзлых грунтов и более глубокому сезонному протаивапшо. На периферийных участках по достижении некоторой критической глубины протаивания произойдет отрыв мерзлых толщ от поверхности, вечная мерзлота перейдет в реликтовую форму, над ней образуется талый слой, толщина которого со временем будет увеличиваться, и над этим слоем возникнет слой сезонного промерзания. Аналогичные процессы могут иметь место не только вблизи южной границы, по и на отдельных участках в зонах прерывистого и даже сплошного распространения многолетнемерзлых пород, где местные условия способствуют глубокому сезонному протаивапшо. В результате произойдет сокращение площади распространения приповерхностной вечной мерзлоты, часть ее перейдет в реликтовую форму, а там, где она сохранится, увеличится глубина сезонного протаивания. В ряде исследований были даны количественные оценки этих процессов (Анисимов, 1989; Анисимов и Скворцов, 1989; Гарагуля и Ершов, 2000; Гречищев, 1997; Молькентин и др., 2001) и на основании модельных расчетов построены геокриологические карты отдельных участков криолитозоны (Sazonova and Romanovsky, 2003; Stendel and Christensen, 2002), территории России (Анисимов,

1990; Анисимов, 1994; Аиисммов и Нсльсон. 1993; Величко и Нечаев, 1992; Малевскмй-Малевич и др., 2000; Малевскии-Малевпч и Надежина, 2002; Малевский-Малевич и др., 1999; Павлов, 1997; Anisimov. 1989; Malevsky-Malevich et al., 2001; Nelson and Anisimov, 1993) и всего северного полушария (Анисимов и Нельсон, 1997; Анисимов и Нельсон, 1998; Анисимов и др., 1999; Anisimov и Nelson, 1997; Anisimov ct al., 1997) для нескольких модельных прогнозов изменения климата.

Такой сценарий в общих чертах подтверждается имевшими место на протяжении 20 века регрессиями и трансгрессиями вечной мерзлоты, следовавшими с некоторым запозданием за периодами потепления ЗОх годов и похолодания 50х (Anisimov ct al., 2002). Вместе с тем реальная картина может заметно отличаться от данной схемы за счет влияния снежного покрова, гидрологических и почвенных факторов, и в особенности растительности. Как известно, снег оказывает отепляющее воздействие, увеличивая температуру поверхности почвы и сглаживая резкие температурные колебания. Некоторое увеличение осадков, прогнозируемое в условиях будущего климата, может, таким образом, усилить первоначальный эффект потепления. Влияние гидрологических факторов па вечную мерзлоту более сложно. Вода и лсд проводят тепло лучше, чем сухая почва, поэтому увеличение влажности и льдистости почвы приводит к росту теплооборотов как в теплый, так и в холодный период года. Значительная часть тепла расходуется на фазовые переходы, и однозначную зависимость между влажностью почвы и глубиной сезонного протанвания установить сложно. Несомненно лишь, что улучшение условий инфильтрации и дренирования способствует увеличению глубины сезонного протанвания вечной мерзлоты. И, наконец, растительность, в особенности низший мохово-лишайниковый слой, по-видимому, играет наибольшую роль в регуляции взаимодействия изменяющегося климата и вечной мерзлоты, являясь мощным теплоизолятором, свойства которого меняются в течение года.

Существующие модели вечной мерзлоты упрощенно учитывают влияние перечисленных выше факторов. В ряде случаев, как, например, это имеет место для растительного покрова, не учитываются их изменения в процессе потепления. Это является одной из возможных причин имеющихся в настоящее время достаточно значительных расхождений между результатами модельных расчетов обусловленной изменением климата динамики вечной мерзлоты и данными ее мониторинга.

Цель диссертационной работы. Целью диссертации является разработка методологии оценки природных опасностей, связанных с деградацией многолетнемерзлых грунтов, и построение на ее основе прогностических карт, характеризующих геокриологические риски для природных ландшафтов и инфраструктуры в области распространения вечной мерзлоты.

Для достижения данной цели были решены следующие конкретные задачи, разработан метод оценки достоверности теоретических прогнозов климата для суб-Арктической области, основанный на построении эмпирической регрессионной модели и региональном сравнении получаемых с ее помощью результатов с расчетами по моделям общей циркуляции атмосферы и океана; разработаны блоки динамической и стационарной моделей, учитывающие влияние изменения растительности на термический режим вечной мерзлоты и на снегонакопление в процессе потепления; созданы базы климатических, почвенных и растительных данных, необходимые для проведения расчетов по моделям вечной мерзлоты в масштабе криолитозоны Северного полушария; построены сценарии изменения растительного покрова в Арктике, соответствующие модельным сценариям изменения климата; получены прогнозы изменения площади распространения и глубины сезонного протаивания вечной мерзлоты для интервалов времени вблизи 2030, 2050 и 2080гг. по нескольким климатическим сценариям с учетом изменений растительности; разработан метод прогноза геокриологических опасностей, связанных с деградацией вечной мерзлоты, основанный на расчетном индексе; построены прогностические карты геокриологических опасностей для природных ландшафтов и для инфраструктуры районов распространения вечной мерзлоты в условиях изменения климата.

Личный вклад автора диссертации в решение перечисленных задач состоял в сборе и анализе данных, разработке теоретической концепции и программных алгоритмов реализации эмпирической модели климата, моделей вечной мерзлоты и метода оценки геокриологических опасностей, в построении сценариев изменения растительности Арктики, в проведении расчетов по моделям и построении прогностических карт, в написании (совместно со своим научным руководителем) научных статей и подготовке докладов на Российских и международных конференциях.

Методы исследования. Перечисленные задачи решаются с использованием метода регрессионного анализа, на основе которого строится эмпирическая модель климата, метода математического моделирования и технологий Геоинформационных систем (ГИС). Отбор имеющихся теоретических прогнозов изменения климата осуществляется путем их сравнения с независимыми оценками, полученными но регрессионной эмпирической модели климата. ГИС-технологии используются для географической привязки различного рода данных, для пространственного обобщения результатов расчетов и для построения прогностических карт.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из трех глав, введения и заключения, содержит 24 рисунка и 7 таблиц, список цитируемой литературы состоит из 137 наименований.

В первой главе обсуждается вопрос о достоверности результатов расчетов по моделям общей циркуляции атмосферы и океана, в особенности для области севернее 60° широты, и излагаются принципы построения эмпирической модели климата. Различные прогнозы климата, полученные путем расчетов по теоретическим моделям, сравниваются с прогнозом, построенным автором на основании анализа длительных рядов измерений температуры воздуха на глобальной сети метеостанций. В результате такого сравнения автором обосновывается выбор прогнозов изменения климата по пяти различным теоретическим моделям, которые в наибольшей степени соответствуют современным климатическим изменениям, наблюдаемым в субАрктической области.

Вторая глава диссертации посвящена описанию математических моделей, на основе которых можно рассчитать параметры вечной мерзлоты, такие как температура и глубина сезонного протаивания,- в условиях современного и будущего климата. Эти два параметра представляют наибольший интерес. Они определяют интенсивность многих геоморфологических процессов и прочностные свойства мерзлых грунтов, а следовательно, устойчивость северных ландшафтов и инженерных сооружений на вечной мерзлоте в условиях изменения климата.

В третьей главе проводится сравнение прогнозов распространения многолетнемерзлых пород и глубины сезонного протаивания по континентам северного полушария для нескольких сценариев климата будущего; рассматриваются последовательные этапы сокращения площади распространения приповерхностной вечной мерзлоты для временных срезов вблизи 2030, 2050 и 2080 годов. Отдельный раздел посвящен роли неклиматических факторов, регулирующих (ограничивающих пли же усиливающих) влияние изменения климата на вечную мерзлоту, важнейшим среди которых является растительный покров. В расчетах по моделям вечной мерзлоты впервые учитываются изменения растительного покрова в процессе потепления и обусловленные этим изменения теплоизолирующего воздействия на вечную мерзлоту самого покрова, а также снега, накопление которого зависит от высоты растительности. Рассматривается разработанная автором методика оценки природных опасностей, связанных с деградацией вечной мерзлоты. Обсуждается ее применение для оценки устойчивости ландшафтов и инженерной инфраструктуры в районах распространения вечной мерзлоты при ослаблении ее прочностных свойств в условиях антропогенного потепления. Данная методика применяется для расчета прогностических карт, характеризующих степень геокриологических рисков для природных ландшафтов Крайнего Севера и инфраструктуры.

На защиту выносятся следующие теоретические положения.

Метод оценки адекватности теоретических прогнозов изменения климата для отдельных регионов и широтных зон, основанный на построении регрессионной модели по данным длительных измерений температуры воздуха и сравнении получаемых с ее помощью результатов с расчетами по моделям теории климата.

Динамическая и стационарная математические модели вечной мерзлоты, учитывающие обратные связи в системе атмосфера - снег - растительный покров -многолетнемерзлый грунт в регуляции воздействия изменения климата на термический режим и глубину сезонного протаивания мерзлых грунтов.

Метод прогноза природных опасностей, связанных с деградацией вечной мерзлоты, основанный на расчетном индексе.

Прогностические карты геокриологических опасностей для природных ландшафтов и инфраструктуры районов распространения вечной мерзлоты . для середины 21 века.

Благодарности. Автор выражает признательность своему научному руководителю, д.г.н. О.А. Анисимову, за постоянное внимание к работе, ценные замечания и консультации, сотрудникам и коллегам из отдела исследования изменений климата Государственного гидрологического института и географического факультета Университета штата Делавер, США, за предоставление архивов климатических данных, необходимых для проведения расчетов. Особую благодарность автор выражает В.Ю. Полякову за его помощь в обьединеиии алгоритмов моделей вечной мерзлоты и баз климатических, почвенных, растительных и мерзлотных данных в единую информационно - вычислительную систему ГеоИнф, работа с которой значительно облегчает и ускоряет проведение расчетов и решение отдельных научных задач. Различные этапы данной работы выполнялись при поддержке Фонда гражданских исследований и развития США (проект RG1-2075, 2000-2001) и Национального Научного Фонда Нидерландов (NWO, проект 047.011.2001.003).

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Белолуцкая, Марина Арнольдовна

Результаты работы позволяют сделать следующие выводы. 1. Имеются устойчивые статистически значимые корреляционные связи между наблюдаемыми изменениями среднегодовой глобальной температуры и температурой на большей части Сибири и на Аляске. Изменения температуры в этих регионах в 3-5 раз превышают глобальные изменения.

2. Сценарии климатических моделей GFDL, NCAR, ССС, ЕСНАМ и HadCM достаточно хорошо воспроизводят региональную картину потепления высоких широт, получаемую по эмпирической модели климата.

3. Пространственные распределения наблюдаемых изменений температуры воздуха, температуры мерзлого грунта и глубины сезонного протаивания вечной мерзлоты не являются подобными в силу действия локальных факторов и обратных связей через изменения растительности и снегонакопления.

4. Диапазон сокращения общей площади приповерхностной вечной мерзлоты (а также отдельно сплошной криолитозоны) в северном полушарии, рассчитанный с учетом обратных связей, к 2030, 2050 и 2080 годам составляет, соответственно, 10%-18% (15%-25%); 15%-30% (20%-40%), и 20%-35% (25%-50%) от современной величины.

5. Увеличение глубины сезонного протаивания к 2030 г. может достигать 10%-15%; к 2050 г. 15%-25%, местами до 50%; к 2080 г. 30%-50% и более.

6. Увеличение толщины мохового слоя от 10 до 20 см может уменьшить среднюю по криолигозоне расчетную глубину сезонного протаивания до 30%. При вытеснении мхов кустарником с учетом сопутствующих изменений снегонакопления глубина протаивания может увеличиться до 27%.

7. Согласно расчетам, ожидаемые изменения вечной мерзлоты представляют наибольшую опасность для инфраструктуры на Чукотке, в бассейнах верхнего течения Индигирки и Колымы, в юго-восточной части Якутии, на значительной части Западно-Сибирской равнины, на побережье Карского моря, на Новой Земле, а также в области островной мерзлоты на севере европейской территории. В то же время на большей части Якутии и Западной Сибири изменение климата в первой половине текущего столетия не приведет к заметной потере устойчивости сооружений, построенных на вечной мерзлоте.

Заключение и основные выводы

В диссертации была разработана методика оценки достоверности теоретических прогнозов климата на основе данных наблюдений. Для ее реализации была построена эмпирическая модель климата, которая использовалась для прогноза изменения среднегодовой температуры воздуха в первой четверти 21 века. Главной задачей работы являлось изучение устойчивости криолитозоны в условиях изменения климата. Для ее решения были разработаны динамическая и равновесная модели вечной мерзлоты. В отличие от имевшихся ранее, эти модели более полно учитывают обратные связи, действующие через изменения растительного покрова и снегонакопления. Для проведения расчетов по таким моделям были созданы базы климатических, почвенных и растительных данных для криолитозоны Северного полушария; а также разработаны сценарии изменения растительного покрова в Арктике, соответствующие наблюдаемым закономерностям. Был разработан метод прогноза геокриологических опасностей для природных ландшафтов и инфраструктуры районов Крайнего Севера, основанный на расчетном индексе.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Белолуцкая, Марина Арнольдовна, Санкт-Петербург

1. Выживет ли город?- Сибирское здоровье сегодня, № 10, 1997.

2. Алексеев, Г.В., О.И. Мякошии, и Н.П. Смирнов, 1997. Изменчивость переноса льдачерез пролив Фрама.- Метеорология и Гидрология, № 9, с. 52-57.

3. Анисимов, О.А., 1989. Об оценке чувствительности вечной мерзлоты к изменениюглобального термического режима земной поверхности.- Метеорология и гидрология, № 1, с. 79-84.

4. Анисимов, О.А., 1990. Оценка влияния ожидаемых изменений климата па режим вечной мерзлоты.- Метеорология и гидрология, № 3, с. 40-46.

5. Анисимов, О.А., 1994. Оценка макроклимата криолитозоны Евразии и распространение вечной мерзлоты в условиях глобального потеплсния.-Метеорология и гидрология, № 9, с. 12-19.

6. Анисимов, О.А. и М.А. Белолуцкая, 2001. Применение геоинформационной системы для прогноза агроклиматических характеристик.- Метеорология и гидрология, № 9, с. 89-98.

7. Анисимов, О.А. и М.А. Белолуцкая, 2003. Современное потепление как аналог климата будущего.- Физика атмосферы и океана, № 2, с. 211-221.

8. Анисимов, О.А. и М.А. Белолуцкая, 2004. Моделирование воздействия антропогенного потепления на вечную мерзлоту: учет влияния растительности.-Метеорология и гидрология, (принята в печать).

9. Анисимов, О.А., М.А. Белолуцкая, и В.А. Лобанов, 2003. Современные измененияклимата и природной среды в области высоких широт Северного полушария.-Метеорология и гидрология, № 1, с. 18-30.

10. Анисимов, О.А. и Ф.Е. Нельсон, 1997. Влияние изменения климата на вечную мерзлоту в Северном полушарии.- Метеорология и Гидрология, № 5, с. 71-80.

11. Анисимов, О.А. и Ф.Э. Нельсон, 1990. О применении математических моделей для исследования взаимосвязи климат-вечная мерзлота.- Метеорология и гидрология, №10, с. 13-19.

12. Анисимов, О.А. и Ф.Э. Нельсон, 1993. Зональность криолитозоны России в условиях аптропогенного изменения климата.- Метеорология и гидрология, № 10, с. 87-93.

13. Анисимов, О.Л. и Ф.Э. Мсльсон. 1998. Прогноз изменения мерзлотных условий в северном полушарии: применение результатов балансовых и транзитивных расчетов по моделям общей циркуляции атмосферы,- Криосфера Земли, № 2, с. 5357.

14. Анисимов, О.А., Ф.Э. Нельсон, и А.В. Павлов, 1999. Прогнозные сценарии эволюции криолитозоны при глобальных изменениях климата в XXI веке.-Криосфера Земли, № 4, с. 15-25.

15. Анисимов, О.А. и В. Поляков, 1998. Информационная система для оценки последствий изменения климата в области криолитозоны.- Криосфера Земли, № 3, с. 91-95.

16. Анисимов, О.А. и В. Поляков, 1999. К прогнозу изменения температуры воздуха для первой четверти XXI столетия.- Метеорология и гидрология, № 2, с. 25-31.

17. Анисимов, О.А. и М. Скворцов, 1989. О применении математических моделей для исследования влияния изменения климата на вечную мерзлоту.- Метеорология и гидрология, № 9, с. 98-103.

18. Борзепкова, И.И. и С.Л. Брук, 1989. О влиянии вулканических извержений на изменение климата в позднслсдниковьс-голоцене. В кн.: Исследование изменений климата и влагооборота. Труды ГГИ, вып. 347., М.И. Будыко, (Ред.), JI.: Гидрометеоиздат, с. 40-56.

19. Будыко, М.И., 1974. Изменение климата. 1974, JI: Гидрометеоиздат, 280 с.

20. Будыко, М.И., 1988. Климат конца 20 века.- Метеорология и Гидрология, № 10, с. 5-24.

21. Будыко, М.И., И.И. Борзенкова, Г.В. Менжулин, и К.И. Селяков, 1992. Предстоящие изменения регионального климата,- Известия АН СССР, № 4, с. 3652.

22. Будыко, М.И. и П. Гройсман, 1989. Потепление восьмидесятых годов.-Метеорология и гидрология, №2, с. 5-10.

23. Будыко, М.И. и П. Гройсман, 1991. Ожидаемые изменения климата к 2000 году.-Метеорология и гидрология, №7, с. 84-94.

24. Будыко, М.И., Н.А. Ефимова, и К.М. Лугина, 1993. Современное потеилеиие.-Метеорология и Гидрология, № 7, с. 29-34.

25. Будыко, М.И. и Л. Израэль, (Ред.) Антропогенные изменения климата, 1987. JL: Гидрометеоиздат, 406 с.

26. Вартанова, О.В., 1998. Методические подходы к оценке надежности и экологической безопасности промысловых трубопроводов.- Нефтяное хозяйство., № 11, с. 47-48.

27. Величко, Л.Л. и В.П. Нечаев, 1992. К оценке динамики вечной мерзлоты северной Евразии в условиях глобального изменения климата.- Известия РАН, № 3, с. 667671.

28. Вильд, Г.И., 1882. О температуре воздуха в Российской империи. Вып. 2, ч. I, 1882, Санкт-Петербург. 359с.

29. Винпиков, К.Я., 1986. Чувствительность климата. JI.: Гидрометеоиздат, 223 с.

30. Винииков, К.Я. и П.Я. Гройсман, 1979. Эмпирическая модель современных изменений климата.- Метеорология и гидрология, № 3, с. 25-36.

31. Винников, К.Я и Н.П. Ковынева, 1983. О распределении изменений климата при глобальном потеплении.- Метеорология и гидрология, № 5, с. 10-19.

32. Воейков, Д.И., 1949. Снежный покров, его влияние на почву, климат и погоду, способы исследования. В кн.: А.И. Воейков. Избранные сочинения. Т. 2. Москва-Лсппиград: Изд. Ли СССР, с. 15-157.

33. Воейков, Л.И., 1952. Кругооборот тепла в оболочке земного шара, в Избранные сочинения. М.: Издательство ЛИ СССР, с. 186-214.

34. Гарагуля, Л.С. и Э.Д. Ершов, (Ред.), 2000. Геокриологические опасности. Природные опасности России, общая ред. В.И. Осипов и С.К. Шойгу. Т. 1, М.: Крук, 315с.

35. Гинзбург, Б.М. и И.И. Солдатова, 1996. Многолетние колебания сроков замерзания и вскрытия рек в различных географических зонах.- Метеорология и Гидрология, № 6, с. 101-108.

36. Гречищсв, С.Е., 1997. Прогноз оттаивания и распределения вечной мерзлоты и изменения криогенного растрескивания грунтов на территории России при потеплении климата.- Криосфера Земли, № 1, с. 59-65.

37. Груза, Г.В., Э. Ранькова, Л.К. Клещснко, и Л.Н. Аристова, 1999. О связи климатических аномалий на территории России с явлением Эль-Пнньо Южное колебание.- Метеорология и гидрология, № 5, с. 32-51.

38. Ефимова, Н.А. и J1.A. Строкина, 1998. Изменения аномалий приземной температуры воздуха на территории России с 1981 но 1993 г.г.- Метеорология и гидрология, № 7, с. 114-119.

39. Кудрявцев, В.Л., J1.C. Гарагуля, К.А. Кондратьева, и В.Г. Меламед, 1974. Основы мерзлотного прогноза при инженерно-геологических исследованиях. М.: Наука, 431с.

40. Мещерская, А.В., 2001. Долгосрочные метеорологические прогнозы. В кн.: Современные исследования Главной Геофизической Обсерватории, М.Е. Берлянд и В.П. Мелешко, (Ред.). С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 75-96.

41. Молькентин, Е.К., Е.Д. Надежииа, и О.Б. Шкляревич, 2001. Пространственная изменчивость модельных характеристик многолетнемерзлых грунтов.-Метеорологая и гидрология, № 8, с. 89-97.

42. Нагурный, А.П., 1995. Многолетние тенденции изменения толщины морского льда в Арктическом бассейне.- Метеорология и гидрология, № 6, с. 80-83.

43. Нагурный, А.П., В.Г. Коростелев, и В.В. Иванов, 1999. Межгодовая изменчивость толщины льда в Арктическом бассейне по измерениям упруго-гравитационных колебаний ледяного покрова.- Метеорология и гидрология, № 3, с. 72-78.

44. Николаев, II.II., 1999. Основные причины возникновения аварийных отказов на магистральных трубопроводах.- Нефть и газ. Известия ВУЗов, Тюменский государственный университет., № 2, с. 77-81.

45. Павлов, А.В., 1979. Теплофизика ландшафтов. Новосибирск: Наука, 282с.

46. Павлов, А.В., 1997. Мсрзлотио-климатнческий мониторинг России: методология, результаты наблюдений, прогноз.- Криосфера Земли, № 1, с. 47-58.

47. Рекомендации по прогнозу теплового состояния мерзлых грунтов,. 1989. М.: Стройиздат, 72с.

48. Розенбаум, Г.Э. и Н.А. Шполянская, 2000. Позднекайназойская история криолитозоны Арктики и тенденции ее будущего развития. М.: Научный мир, 103с.

49. Рябчснко, В.А., Г.В. Алексеев, И.А. Неелов, и А. Дворников, 2001. Распространение речных вод в Северном Ледовитом океане.- Метеорология и Гидрология, № 9, с. 61-69.

50. Солдатова, И.И., 1996. О сроках ледовых явлений на реках в условиях современного климата.- Метеорология и Гидрология, № 4, с. 87-94.

51. Хргиан, А., 1937. Температура почвы и климат.- Метеорология и Гидрология, № 7, с. 18-28.

52. Ячевский, Л.А., 1889. О вечномерзлой почве в Сибири (с картою).- Известия Императорского Русского географического общества, № 5, с. 341-351.

53. Anisimov, О.А., 1989. Changing climate and permafrost distribution in the Soviet Arctic.- Physical Geography, № 3, p. 285-293.

54. Anisimov, O.A., 2001. Predicting patterns of near-surface air temperature using empirical data.- Climatic Change, № 3, p. 297-315.

55. Anisimov, O.A. and F.E. Nelson, 1997. Permafrost zonation and climate change in the northern hemisphere: Results from transient general circulation models.- Climatic Change, N» 2, p. 241-258.

56. Anisimov, О.A., N.I. Shiklomanov, and F.E. Nelson, 1997. Global warming and active-layer thickness: results from transient general circulation models.- Global and Planetary Change, № 3-4, p. 61-77.

57. Bamett, T.P., G. Hegerl, T. Knudson, and S. Tett, 2000. Uncertainty levels in predicting patterns of anthropogenic climate change.- Journal of Geophysical Research, № p. 15525-15542.

58. Bjorgo, E., O.M. Johanncssen, and M.W. Miles, 1997. Analysis of merged SMMR-SSMI time series of Arctic and Antrctic sea ice parameters 1978-1995.- Geophysical research letters, № 4, p. 413-416.

59. Bromwich, D.H., R.Y. Tzeng, and T.R. Parish, 1994. Simulation of the modern Arctic climate by the NCAR CCM1.- Journal of Climate, № 7, p. 1050-1069.

60. Brown, J., O.J. Ferrians, J.A. Heginbottom, and E.S. Mclnikov, 1997. Circum-Arctic map of permafrost and ground ice conditions.- Circum-pacific map series, №

61. Brown, J., K.M. Hinkel, and F.E. Nelson, 2000. The Circumpolar Active Layer Monitoring (CALM) program: research designs and initial results.- Polar Geography, № 3, p. 165-258.

62. Brutsaert, W., 1982. Evaporation into the Atmosphere. 1982, London: Reidel Publishing Company. 299 p.

63. Cavalieri, D.J., P. Gloersen, C.L. Parkinson, J.C. Comiso, and H.J. Zwally, 1997. Observed hemispheric asymmetry in global sea ice changes.- Science, №> 278, p. 11041106.

64. Chapin, F.S.I.I.I., G.F. Shaver, and J.A. Laundre, 1995. Responses of arctic tundra to experimental and observed changes in climate.- Ecology, № 3, p. 694-.

65. Cornelissen, J.H.C., et al., 2001. Global change and arctic ecosystems: is lichen decline a function of increases in vascular plant biomass?- Journal of Ecology, № 6, p. 984-994.

66. Crowley, T.J., S.K. Baum, and K.Y. Kim, 1993. General circulation model sensitivity experiments with pole-centered supercontinents.- Journal of Geophysical Research, № 5, p. 8793-.

67. Crowley, T.J., K.J. Yip, and S.K. Baum, 1995. Effect of Altered Arctic Sea Ice and Greenland Ice Sheet Cover on the Climate of the GENESIS General Circulation Model.-Global and Planetary Change, № 3-4, p. 275-288.

68. Epstein, II.E., M.D. Walker, F.S. Chapin, and A.M. Starfield, 2000. A transient nutrient-based model of Arctic plant community response to climatic warming.- Ecological Applications, № 3, p. 824-841.

69. Fedorov, A.N., 1996. Effects of rcccnt climate change on permafrost landscapes in central Sakha.- Polar Geography, № 20, p. 99-108.

70. Goodrich, L.E., 1978. Efficient numerical technique for one-dimensional thermal problems with phase change.- International Journal of Heat and Mass Transfer, № 5, p. 160-163.

71. Hastenrath, S. and Л. Ames. 1995. Recession of Yanamarcy glacier in Cordillera Blanca, Peru during the 20th century.- Journal of Glaciology, № 137, p. 191-196.

72. Hastenrath, S. and L. Greischar, 1997. Glacier recession on Kilimanjaro, East Africa, 1912-89.- Journal of Glaciology, № 43, p. 455-459.

73. Ilinkel, K.M., F.E. Nelson, Y. Shur. J. Brown, and K.R. Everett, 1996. Temporal changes in moisture content of the active layer and near-surface permafrost at Barrow, Alaska, USA: 1962 1994.- Arctic and Alpine Research, № 3, p. 300-310.

74. Hinzman, L.D., D.J. Goering, and D.L. Kane, 1998. A distributed thermal model for calculating soil temperature profiles and depth of thaw in permafrost.- Journal of Geophysical Research, № 103, p. 28975-28991.

75. Holloway, G. and T. Sou, 2001. Is Arctic sea ice rapidly thinning?- Ice and Climate News, № 1, p. 2-5.

76. Johannessen, O.M., E.V. Shalina, and M.W. Miles, 1999. Satellite evidence for an arctic sea ice cover in transformation.- Science, № 286, p. 1937-1939.

77. Johannesson, Т., 1997. The response of two Icelandic glaciers to climate warming computed with a degree-day glacier mass balance model coupled to a dynamic glacier model.- Journal of Glaciology, № 43, p. 321-327.

78. Kane, D.L., L.D. Hinzman, and J.P. Zarling, 1991. Thermal response of the active layer to climatic warming in a permafrost environment.- Cold Regions Science and Technology, JV« 2, p. 111-122.

79. Lachenbruch, A.II. and B.V. Marshall, 1986. Changing climate: geothermal evidence from permafrost in the Alaskan arctic.- Science, № p. 689-696.

80. Lynch, Л.Н., W.L. Chapman, J.E. Walsh, and G. Weller, 1995. Development of a Regional Climate Model of the Western Arctic.- Journal of Climate, № 6, p. 15551570.

81. Majorowicz, J.A. and W.R. Skinner, 1997. Anomalous ground warming versus surface air warming in the Canadian Prairie provinces.- Climatic Change, № 4, p. 485-500.

82. Malevsky-Malevich, S.P., E.K. Molkentin, E.D. Nadyozhina, and O.B. Shklyarevich, 2001. Numerical simulation of permafrost parameters distribution in Russia.- Cold Regions Science and Technology, № 1, p. 1 -11.

83. Maslanik, J.A., A.H. Lynch, M.C. Serreze, and W. Wu, 2000. A case study of regional climate anomalies in the Arctic: Performance requirements for a coupled mo'del.-Joumal of Climate, № 2, p. 383-401.

84. Maslanik, J.A., M.C. Serreze, and T. Agnew, 1999. On the record reduction in 1998 western Arctic sea-ice cover.- Geophysical Research Letters, № 13, p. 1905-1908.

85. Maslanik, J.A., M.C. Serreze, and R.G. Barry, 1996. Recent decreases in Arctic summer ice cover and linkages to atmospheric circulation anomalies.- Geophysical research letters, № 13, p. 1677-1680.

86. McGinnis, D.L. and R.G. Crane, 1994. A Multivariate-Analysis of Arctic Climate in Gems.- Journal of Climate, № 8, p. 1240-1250.

87. Mitchell, J.F.B., 1990. Greenhouse Warming Is the Midholocenc a Good Analog.-Journal of Climate, № 11, p. 1177-1192.

88. Mitchell, J.F.B. and T.C. Johns, 1997. On modification of global warming by sulfate aerosols.- Journal of Climate, № 2, p. 245-267.

89. Molau, U. and J.M. Alatalo, 1998. Responses of subarctic-alpine plant communities to simulated environmental change: Biodiversity of bryophytes, lichens, and vascular plants.- Ambio, № 4, p. 322-329.

90. Nakicenovic, N., et al., eds. Emissions Scenarios. A Special Report of Working Group III of the Intergovernmental Panel on Climate Change. . 2000, Cambridge University Press: Cambridge, and New York. 599 p.

91. Nelson, F.E., 2003. (Un)frozen in time.- Science, № 299, p. 1673-'675.

92. Nelson, F.E. and O.A. Anisimov, 1993. Permafrost zonation in Russia under anthropogenic climatic change.- Permafrost and Periglacial Processes, № 2, p. 137148.

93. Nelson, F.E., O.A. Anisimov, and N.I. Shiklomanov, 2002. Climate change and hazard zonation in the circum-Arctic permafrost regions.- Natural Hazards, № 3, p. 203-225.

94. Nelson, F.E. and S.I. Outcalt, 1987. A computational method for prediction and regionalization of permafrost.- Arctic and Alpine Research, № 3, p. 279-288.

95. Oerlemans, J., 1992. Climate sensitivity of glaciers in southern Norway: application of an energy-balance model to Nigardsbreen, Hellstugubreen and Alfotbreen.- Journal of Glaciology, № 38, p. 223-232.

96. Oerlemans, J., 1994. Quantifying global warming from the retreat of glaciers.- Science, №5156, p. 243-245.

97. Osterkamp, Т.Е. and V.E. Romanovsky, 1996. Characteristics of changing permafrost temperatures in the Alaskan Arctic, USA.- Arctic and Alpine Research, № 3, p. 267273.

98. Osterkamp, Т.Е. and V.E. Romanovsky, 1997. Freezing of the active layer on the coastal plain of the Alaskan Arctic.- Permafrost and Periglacial Processes, № 1, p. 2344.

99. Osterkamp, Т.Е. and V.E. Romanovsky, 1999. Evidence for warming and thawing of discontinuous permafrost in Alaska.- Permafrost and Periglacial Processes, № 10, p. 17-37.

100. Parkinson, C.L., D.J. Cavalieri, P. Gloersen, H.J. Zwally, and J.C. Comiso, 1999. Arctic sea ice extents, areas, and trends, 1978-1996.- Journal of Geophysical Research (Oceans),, № C9, p. 20837-20856.

101. Peterson, T.C., R. Vose, R. Schmoyer, and V. Razuvaev, 1998. Global historical climatology network (GHCN) quality control of monthly temperature data.-International Journal of Climatology, № 11, p. 1 169-1179.

102. Peterson, T.C. and R.S. Vose, 1997. An overview of the global historical climatology network temperature database.- Bulletin of the American Meteorological Society, № 12, p. 2837-2849.

103. Romanovskii, N.N. and H.W. Hubberten, 2001. Results of permafrost modelling of the lowlands and shelf of the Laptev Sea region. Russia.- Permafrost and Periglacial Processes, № 2, p. 191-202.

104. Romanovsky, V.E. and Т.Е. Osterkamp, 1995. Interannual variations of the thermal regime of the active layer and near-surface permafrost in northern Alaska.- Permafrost and Periglacial Processes, № 4, p. 313-335.

105. Romanovsky, V.E. and Т.Е. Osterkamp, 1997. Thawing of the active layer on the coastal plain of the Alaskan Arctic.- Permafrost and Periglacial Processes, № 1, p. 122.

106. Rothrock, D.A., Y. Yu, and G.A. Maykut, 1999. Thinning of the Arctic Sea-Ice Cover.- Geophysical Research Letters, № 26, p. 3469-3472.

107. Sazonova, T.S. and V.E. Romanovsky, 2003. A model for regional-scale estimation of temporal and spatial variability of active-layer thickness and mean annual ground temperatures.- Permafrost and Periglacial Processes, №2, p. 125- 140.

108. Shabalova, M.V. and G.P. Konnen, 1995. Climate-Change Scenarios Comparisons of Paleoreconstructions With Recent Temperature-Changes.- Climatic Change, № 4, p. 409-428.

109. Staub, B. and C. Rosenzweig, 1987. Global Gridded Data Sets of Soil Type, Soil Texture, Surface Slope and Other Properties. 1987, Boulder, CO: National Center lor Atmospheric Research p.

110. Stendcl, M. and J.H. Christensen, 2002. Impact of global warming on permafrost conditions in a coupled GCM.- Geophysical Research Letters, № 13, p. 10-1 10-4.

111. Stull, R.B., 1988. An introduction to boundary layer meteorology. 1988, London: Kluwer Academic Publishers. 647 p.

112. Sykes, M.T., I.C. Prentice, and W. Cramer, 1996. A Bioclimatic Model for the Potential Distributions of North European Tree Species Under Present and Future Climates.- Journal of Biogeography, № 2, p. 203-233.

113. Takizawa, T. and J. Morison, 2001. Summer observations by JAMSTEC's new drifting buoy (J-CAD).- Ice and Climate News, № 1, p. 10-11.

114. Vettoretli, G., W.R. Peltier, and N.A. McFarlane, 1998. Simulations of mid-Holocene climate using an atmospheric general circulation model.- Journal of Climate, № 10, p. 2607-2627.

115. Vinje, Т., 2001. Anomalies and trends of sea ice extent and atmosphere circulation in the Nordic Seas during the period 1864-1998.- Journal of Climate, № 14, p. 255-267.

116. Vinje, Т., N. Nordlund, and K. Kvainbek, 1998. Monitoring ice thickness in Fram StraitJournal of Geophysical Research, Ni 103, p. 10437-10449.

117. Wadhams, P. and N.R. Davis, 2000. Further evidence of ice thinning in the Arctic Ocean.- Geophysical Research Letters, № 27, p. 3973-3975.

118. Waelbrocck, C., 1993. Climate-soil processes in the presence of permafrost: a systems modelling approach.- Ecological Modelling, № 3,4, p. 185-225.

119. Walsh, J.E. and R.G. Crane, 1992. A comparison of GCM simulations of Arctic climate.- Geophysical Research Letters, № 1, p. 29-32.

120. Winsor, P., 2001. Arctic sea ice thickness remained constant during the 1990s.-Geopliysical Research Letters, № 6, p. 1039-1041.