ОЦЕНКИ ТЕРМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ: РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ

Аржанов М.М.¹, Казанцев В.С.²

¹Кандидат физико-математических наук, Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН; ²кандидат биологических наук, Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН

ОЦЕНКИ ТЕРМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ: РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ

Аннотация

 С использованием данных наблюдений за приповерхностной температурой и толщиной снежного покрова на метеостанции п. Тазовский выполнен расчет термического состояния многолетнемерзлых грунтов на разной глубине за период 2006-2013 гг. Проведено сравнение полученных результатов с измеренными профилями температуры на экспериментальных площадках с минеральным и органическим грунтом.

Ключевые слова: многолетнемерзлые породы, изменения климата, численное моделирование.

Arzhanov M.M.¹, Kazantsev V.S.²

¹PhD in Physics and mathematics, A.M.Obukhov Institute of Atmospheric Physics Russian Academy of Sciences

²PhD in biology,  A.M.Obukhov Institute of Atmospheric Physics Russian Academy of Sciences

EVALUATION OF PERMAFROST THERMAL STATE: MODEL CALCULATIONS AND OBSERVATIONS

Abstract

Using observations of the surface temperature and the snow depth on the Weather item Taz the thermal state of permafrost at different depths for the period 2006-2013 is calculated. The results are compared with the measured temperature profiles at experimental sites with mineral and organic soil.

Keywords: permafrost, climate changes, modeling.

Проблема оценки состояния и прогноза эволюции многолетнемерзлых пород под влиянием климатических изменений является одной из актуальных научных задач, имеющих не только региональное, но и глобальное значение [1-3]. Потеря устойчивости криолитозоны может иметь значительные неблагоприятные экологические, экономические и социальные последствия. Деградация приповерхностной многолетней мерзлоты приведет к развитию деструктивных геоморфологических процессов, таких как термокарст, солифлюкция, термоэрозия, вызывая просадки грунта, заболачивание территорий, значительно изменяя северные ландшафты [4]. Кроме того, оттаивание многолетнемерзлых грунтов может инициировать высвобождение активных парниковых газов, таких как углекислый газ и метан, выведенных из современного биогеохимического круговорота и законсервированных в вечной мерзлоте [5, 6], что приведет к росту эмиссии этих газов, и как следствие, к усилению положительной обратной связи между экосистемами криолитозоны и атмосферой. В данной работе представлены результаты анализа численных экспериментов по расчету термического состояния многолетнемерзлых грунтов с разработанной в Институте физики атмосферы  им. А.М. Обухова РАН динамической моделью теплофизических процессов в  грунте [7-9]. В качестве входных параметров использовались приповерхностная температура и толщина снежного покрова по данным наблюдений на метеостанции п. Тазовский WMO ID 23256 (67^o28' с.ш., 78^o43' в.д.) [10]. По трехчасовым данным рассчитывались среднесуточные значения приповерхностной температуры. В проведенных расчетах использовался одномерный блок  процессов теплопереноса в грунте и снежном покрове (при его наличии), глубина расчетной области в грунте составляла 14.2 м, при этом шаг вертикальной сетки изменялся от 0.05 м на верхних модельных уровнях до 0.2 м у нижней границы расчетной области. Ширина модельных уровней в снеге задавалась постоянной и составляла 0.05 м. Расчеты проводились для двух типов грунтов — минерального (суглинок) и органического (торф). Значения теплофизических характеристик каждого типа грунта и снежного покрова задавались согласно [11].

На рис. 1 приведены входные данные среднесуточной  приповерхностной температуры и толщины снежного покрова на метеостанции п. Тазовский за период 2006-2013 гг. За рассматриваемый период линейный тренд среднегодовой приповерхностной температуры составил 0.26 ^оС/год (см. рис. 1а). Однако, учитывая большую межгодовую изменчивость среднегодовой температуры (порядка 4-5 ^оС) и малый объем выборки (8 лет), можно считать этот линейный тренд неустойчивым.

Рис. 1 - Данные наблюдений за среднесуточной приповерхностной температурой, среднегодовые значения (точки) и тренд среднегодовой температуры (прямая линия) (а) и толщиной снежного покрова (б) на метеостанции п. Тазовский (67^o28' с.ш., 78^o43' в.д.) за период 2006-2013 гг.

Полученное на основе обобщенных данных многолетних наблюдений сети метеостанций увеличение среднегодовой температуры воздуха на арктических равнинах и низменностях криолитозоны России во второй половине XX века и к началу XXI века составляло порядка 0.5-0.8 ^оС, при этом в континентальных районах потепление было наиболее выражено и составляло 1.5-2.7 ^оС [12].

Результаты расчета температуры для минерального и органического грунтов на различных глубинах за период 01.2006-12.2013 показаны на рис. 2а и 2б, соответственно.

 

Рис. 2 — Температура грунта на глубине 1.5 м (сплошная линия) и 3 м (пунктирная линия) в суглинке за период  2006-2013 гг. (а) и 01.2013-12.2013 (в) и на глубине 0.1 м (сплошная линия) и 3 м (пунктирная линия) в торфе за период  2006-2013 гг. (б) и 01.2013-12.2013 (г) по результатам расчетов. Данные наблюдений [13] показаны символами с погрешностями

Для сравнения на рисунках приведены данные инструментальных наблюдений за температурой на разных глубинах на экспериментальных площадках с минеральным и органическим грунтом в тундровой зоне Западной Сибири (67^o22'с.ш., 78^o37'в.д.) за период  07.2013-10.2013 (см. рис. 2в, г) [13]. По результатам расчетов тренд температуры в минеральном грунте за период 2006-2013 гг. составляет 0.05 ^оС/год на глубине 1.5 м и 0.02 ^оС/год на глубине 3 м. Тренд температуры в торфе за рассматриваемый период составляет 0.25 ^оС/год на глубине 0.1 м и 0.13 ^оС/год на глубине 3 м. Результаты расчетов температуры на различных глубинах в суглинке и торфе согласуются с данными наблюдений (рис. 2в, г). Следует отметить  занижение моделируемой температуры на разных глубинах для обоих типов грунтов по сравнению с данными наблюдений. Полученный эффект связан с выбором приповерхностной температуры в качестве верхнего граничного условия при расчете теплопереноса в снеге и грунте. Более адекватное воспроизведение термического режима возможно при использовании температуры верхнего модельного уровня грунта или снега (при его наличии), которую можно получить на основе радиационного баланса подстилающей поверхности [7, 8]. Однако, этот метод требует дополнительных входных метеорологических данных. Коэффициенты корреляции моделируемой и наблюдаемой температуры за период 07.2013-10.2013 для суглинка на глубинах 1.5 м и 3 м составляют 0.94 и 0.96, для торфа на глубинах 0.1 м и 3 м составляют 0.82 и 0.98, соответственно.

Статья написана при поддержке проектов РФФИ (12-05-01092-а, 12-05-91323-СИГ_а, 14-05-00518-а, 14-05-93089-а, 14-05-00193-а, 13-05-12082-офи_м),  программ РАН, Министерства образования и науки (контракт №8833).

Литература

1. Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Том I. Изменения климата. М.: Росгидромет, 2008. 228 с.
2. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Stocker T., Qin D., Plattner G.-K., et al. (eds.). Сambridge/New York: Cambridge University Press., 2013. 1535 p.
3. Павлова Т.В., Катцов В.М., Надежина Е.Д., Спорышев П.В., Говоркова В.А. Расчет эволюции криосферы в XX и XXI веках с использованием глобальных климатических моделей нового поколения // Криосфера Земли. - 2007. - Т. XI. - № 2. - С. 3–13.
4. Jorgenson M.T., Racine C.H., Walters J.C., Ostercamp T.E. Permafrost degradation and ecological changes associated with a warming climate in central Alaska // Climatic Change. - 2001. - vol. 48. - No. 4. - pp. 551-571.
5. Аржанов М.М., Мохов И.И. Модельные оценки количества органического углерода, освобождаемого из многолетнемерзлых грунтов при сценариях глобального потепления в XXI веке // Доклады АН. - 2014. - Т. 455. - № 3. - С. 328-331.
6. Schaefer K., Zhang T., Bruhwiler L., Barret A.P. Amount and timing of permafrost carbon release in response to climate warming // Tellus. - 2011. - vol. 63B. - pp. 165-180.
7. Аржанов М.М., Елисеев А.В., Демченко П.Ф., Мохов И.И. Моделирование изменений температурного и гидрологического режимов приповерхностной мерзлоты с использованием климатических данных (реанализа) // Криосфера Земли. - 2007. - T. XI. - № 4. - С. 65–69.
8. Аржанов М.М., Демченко П.Ф., Елисеев А.В., Мохов И.И. Воспроизведение характеристик температурного и гидрологического режимов почвы в равновесных численных экспериментах с моделью климата промежуточной сложности // Изв.РАН. Физика атмосферы и океана. - 2008. - Т. 44. - № 5. - С. 591-610.
9. Аржанов М.М., Мохов И.И. Температурные тренды в многолетнемерзлых грунтах Северного полушария: сравнение модельных расчетов с данными наблюдений // Доклады АН. - 2013. - Т. 449. - № 1. С. 87-92.
10. Архив погоды в Тазовском [Электронный ресурс] URL: http://rp5.ru/Архив_погоды_в_Тазовском (дата обращения 12.03.2014).
11. Анисимов О.А., Белолуцкая М.А. Моделирование воздействия антропогенного потепления на вечную мерзлоту: учет влияния растительности // Метеорология и гидрология. - 2004. - № 11. - С. 73-82.
12. Павлов А.В., Малкова Г.В. Динамика криолитозоны России в условиях современных изменений климата XX-XXI веков // Изв. РАН. Серия географическая. - 2010. - № 5. С. 44-51.
13. Казанцев В.С., Заров Е.А., Лойко С.В., Аржанов М.М., Голубятников Л.Л., Денисов С.Н., Завалишин Н.Н. Инструментальные измерения потоков метана и запасов органического вещества в тундровых экосистемах криолитозоны: сб. ст. XVII Всероссийской школы-конференции "Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические процессы", Нижний Новгород, 2013. С. 36.