Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Географические науки
Метеорология, климатология, агрометеорология

Диссертационная работа:

Белолуцкая Марина Арнольдовна. Влияние изменения климата на вечную мерзлоту и инженерную инфраструктуру Крайнего Севера : Дис. ... канд. физ.-мат. наук : 25.00.30 : Санкт-Петербург, 2004 111 c. РГБ ОД, 61:04-1/723

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 3

Глава 1. Современные и ожидаемые в будущем изменения климата суб-Лрктической области. 12

1.1. Методы прогноза климата и особенности их применения в суб-Арктических регионах. 12

1.2. Прямые и косвенные индикаторы изменения климата холодных регионов. 22

1.3. Прогноз температуры на основе анализа современных данных наблюдений. 38

1.4. Сравнение модельных и эмпирических прогнозов изменения климата для криолитозоны северного полушария и оценка точности. 44

Глава 2. Математическое моделирование вечной мерзлоты в условиях изменения климата. 49

2.1. Равновесные модели взаимодействия вечной мерзлоты и климата. 50

2.2. Динамическое моделирование взаимодействия вечной мерзлоты и климата. 55

2.3. Методика расчетов и оценка точности геокриологических моделей. 60

Глава 3. Прогноз изменения вечной мерзлоты и оценка геокриологических рисков для ландшафтов и инфраструктуры районов Крайнего Севера в условиях антропогенного потепления. 67

3.1. Геокриологические факторы влияния на ландшафты и инженерную инфраструктуру Крайнего Севера. 67

3.2. Изменение климата и вечная мерзлота: учет влияния растительности. 73

3.3. Изменение распространения вечной мерзлоты и глубины сезонного протаивания при потеплении. 79

3.4. Оценка геокриологических опасностей для природных ландшафтов и инженерной инфраструктуры районов Крайнего Севера. 94

Заключение и основные выводы. 98

Литература. 100 

Введение к работе:

Около 67% территории современной России расположено в районах распространения многолетнемерзлых пород. 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 инфраструкгура, 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 суб-Арктических 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 (Хргиап, 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 по 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 (Folland 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 по 2000 год был самым теплым десятилетием, а 1998 год - самым теплым годом за полтора века наблюдений (Houghton et ai, 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; Serrczee/a/.,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( км". 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 протаиваппю. На периферийных участках но 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, но и на отдельных участках в зонах прерывистого и даже сплошного распространения мпоголстнемерзлых пород, где местные условия способствуют глубокому сезонному протаиванию. 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; Лннсимов, 1994; Лнисимов и Нельсон. 1993; Величко и Нечаев, 1992; Малевский-Малевич и др., 2000; Малевский-Малевич 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 el 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 на 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 протапвания установить сложно. Несомненно лишь, что улучшение условий инфильтрации и дренирования способствует увеличению глубины сезонного протаивания 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 суб-Арктической 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.

13 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.

Заключительная часть содержит выводы по результатам диссертации.

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).

Подобные работы
Александров Веселин Аврамович
Колебания и изменения климата и их влияние на экосистемы юго-восточной и центральной Европы, а также юго-восточных районов США
Вишнякова Татьяна Викторовна
Индикация тепло-влагообеспеченности по радиальному приросту деревьев применительно к исследованиям изменения климата отдельных регионов России
Чередниченко Александр Владимирович
Тенденции изменения климата и динамика загрязнения воздушного бассейна Казахстанского Алтая
Титкова Татьяна Борисовна
Изменение климата переходных природных зон Русской равнины
Салахова Рауиле Халимуловна
Многолетние изменения климата крупных городов Среднего Поволжья
Шерстюков Борис Георгиевич
Пространственные и сезонные особенности изменений климата в период интенсивного глобального потепления
Рубинштейн Константин Григорьевич
Моделирование общей циркуляции атмосферы для исследований изменения климата и переноса примесей
Коробов Владимир Борисович
Эколого-географическое обоснование экспертной оценки создания нефтяной транспортной инфраструктуры севера Тимано-Печорской провинции
Шишконакова, Екатерина Анатольевна
Эколого-ботанические аспекты воздействия транспортной инфраструктуры на ландшафты нефтегазодобывающих районов севера Западной Сибири
Жарков Рафаэль Владимирович
Типы термальных вод Южных Курил и севера Сахалина и их влияние на ландшафты

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net