Длительные тенденции и изменения температуры почвогрунтов последнего десятилетия в зоне многолетней мерзлоты России

А. Б. Шерстюков

Введение

Глобальное изменение климата сопровождается изменениями климата России [1]. С середины 1960-х годов в России преимущественно отмечается потепление климата [2]. Повышение температуры воздуха оказывает влияние на состояние почвогрунтов в зоне многолетней мерзлоты России.

Зона многолетней мерзлоты занимает более 65 % территории России [3] и охватывает значительную часть Сибири и Дальнего Востока. В пределах криолитозоны России сосредоточено более 30 % разведанных запасов всей нефти страны, около 60 % природного газа. Здесь создана дорогостоящая и уязвимая инфраструктура: нефтегазопромысловые объекты, магистральные нефтеи газопроводы протяженностью в тысячи километров [3].

Изменение состояния грунтов влияет на инженерно-технические сооружения, окружающую среду [4] и хозяйственную деятельность человека.

Из публикаций известно, что с начала XXI века глобальное потепление климата замедлилось [5 – 7]. В [8] отмечается, что преобладающее в Северном полушарии потепление климата 1976 – 1998 гг. сменилось тенденцией к похолоданию. Отрицательные тренды температуры -1,0 и -2,0 °С / 10 лет наблюдаются в Западной Сибири.

Была поставлена задача – по данным инструментальных наблюдений за температурой почвогрунтов на метеорологических станциях России за последние пять десятилетий (период с 1963 по 2011 г.) получить оценки изменения температуры почвогрунтов на глубинах до 320 см с детализацией по территории многолетней мерзлоты России и определить, сохранились ли тенденции изменения температуры почвогрунтов в последнее десятилетие в связи с замедлением потепления климата.

Исходные данные и методика исследований

Для исследования этой проблемы:

1.Подготовлен массив суточных значений температуры почвы на глубинах до 320 см по метеорологическим станциям Российской Федерации. Период наблюдений на станциях различен, самый ранний год в массиве – 1963, заканчивается текущая версия массива 2011 годом.

В массиве содержатся данные о температуре почвы под естественным покровом на глубинах 2, 5, 10, 15, 20, 40, 60, 80,

120, 160, 240, 320 см по 660 станциям России, 458 из которых являются станциями международного обмена (рис. 1).

Рис. 1. Сеть станций международного обмена с ежедневными данными о температуре почвогрунтов под естественным покровом на территории России (458 станций)

При создании массива проводился контроль качества исходных данных.

Первая версия массива с данными до 2008 года была подготовлена автором в отделе климатологии ФГБУ «ВНИИГМИМЦД» в 2010 году. В настоящей версии массива применены доработанные авторские методы контроля, ряды наблюдений по станциям продлены до 2011 года включительно. Текущая версия массива данных подготовлена в лаборатории исследования последствий изменения климата ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД».

Подробное описание массива, методы контроля качества и сами данные можно найти на сайте ВНИИГМИ-МЦД по адресу: http://www.meteo.ru/data/164-soil-temperature. Также описание предыдущей версии массива представлено в [9, 10].

2.Создан массив расчетной глубины протаивания по метеорологическим станциям Российской Федерации до 2011 года. В массиве содержатся погодичные данные о глубине протаивания почвы по 107 станциям РФ в зоне многолетней мерзлоты (рис. 2). Массив расчетной глубины протаивания создан с использованием интерполяции и экстраполяции данных из массива суточных значений температуры почвы на глубинах до 320 см.

Рис. 2. Сеть станций международного обмена с данными о расчетной глубине протаивания по метеорологическим станциям Российской Федерации (107 станций)

Известно, что волны тепла распространяются от поверхности почвогрунтов на глубины по экспоненциальной зависимости [11]. Для определения глубины протаивания определяются максимумы температуры почвы за каждый год с 1963 по 2011 г. для всех глубин. По выбранным на каждой глубине максимумам температур почвогрунтов, используя логарифмическую интерполяцию, определяется максимальная глубина протаивания в каждом году. Графически это можно представить как глубину, на которой логарифмическая аппроксимация максимумов температур принимает нулевое значение. Следует помнить, что вычисленная таким способом сезонная глубина протаивания является расчетной величиной и не может заменить данные натурных наблюдений.

Для интерполяции используются данные по температуре почвы по всем имеющимся наблюдениям на глубинах, т. е. от 2 до 320 см. Но наблюдения далеко не всегда проводились на всех двенадцати глубинах, указанных выше. Наибольшее количество данных сосредоточено для глубин 80, 160 и 320 см. Для предотвращения появления грубых ошибок экстраполяция проводится только до глубины 400 см. Если расчетное значение глубины протаивания превышает 400 см, то устанавливается константа отсутствия глубины протаивания 9999, означающая, что вычислить ее не удалось.

Результаты

Реакция криолитозоны на изменения климата связана с проникновением колебаний температуры воздуха в почвогрунты и последующим изменением температурного поля криолитозоны [12, 13].

Среднегодовая температура почвогрунтов и мощность сезонно-талого (сезонно-мерзлого) слоя пород наиболее часто становятся объектами геокриологического мониторинга. Эти характеристики отражают направленность развития многолетней мерзлоты, поэтому далее они рассматриваются более подробно. Главной характеристикой термического состояния мерзлоты является среднегодовая температура почвогрунтов, а ее многолетние изменения могут служить характеристикой изменений состояния мерзлоты [14]. Многолетнее изменение термического состояния почвогрунтов оценивалось величиной линейного тренда среднегодовой температуры за 1963 – 2010 гг. в пересчете на 10 лет (°С/10 лет).

На основе массива суточных значений температуры почвогрунтов проведено исследование, которое показало потепление почвогрунтов на обширной территории России за период 1963 – 2010 гг. на глубине 320 см, при этом статистически достоверные тренды (0,2 – 0,4 °С/10 лет) повышения среднегодовой температуры почвогрунтов обнаружены на территории европейской части России, в Западной и Восточной Сибири. Причем наибольшие тренды (0,4 – 0,5 °С/10 лет) сосредоточены в их южной части – в междуречье верховий Оби и Енисея, а также на отдельных станциях бассейнов рек Ангара и Вилюй и в долине реки Амур (рис. 3).

Рис. 3. Пространственное распределение коэффициентов линейного тренда (°C/10 лет) среднегодовой температуры почвогрунтов на глубине 320 см за 1963 – 2010 гг.

Повышение температуры создает благоприятные условия для увеличения глубины сезонного протаивания в зоне многолетней мерзлоты, особенно в ее южной части, но это сопровождается негативными последствиями в инфраструктуре и хозяйственной деятельности человека.

Данные мониторинга глубин сезонного протаивания неоднократно анализировались [15–18], особенно подробный анализ выполнен для регионов Западной Сибири. Результаты этого анализа убедительно показывают, что с конца XX века в Западной Сибири происходит повышение температуры многолетнемерзлых почвогрунтов и наблюдается слабое увеличение глубин сезонного протаивания [19]. Глубины сезонного промерзания и протаивания являются важнейшими характеристиками при строительстве фундаментов всех сооружений. Особое значение глубина сезонного протаивания приобретает в зоне мерзлоты со специфическими особенностями почвогрунтов, зависящими от климата [14].

В настоящей работе на основе массива расчетной глубины протаивания оценивалось многолетнее изменение сезонной глубины протаивания при помощи линейного тренда (см / год) за 1963 – 2010 гг. (рис. 4). В целом для территории Восточной Сибири и Дальнего Востока характерен положительный тренд роста глубины протаивания в пределах 1 см / год. На этом фоне в Якутии встречаются очаги наибольших достоверных положительных трендов (3 – 4 см / год), вероятно, вызванных не только климатическими факторами, но и хозяйственной деятельностью человека (тепловые воздействия зданий, сооружений, подземных коммуникаций и т. п. на многолетнемерзлые почвогрунты).

Рис. 4. Пространственное распределение коэффициентов линейного тренда (см/ год) сезонной глубины протаивания многолетнемерзлых почвогрунтов за период 1963 – 2010 гг.

В связи с замедлением в начале XXI века глобального потепления климата проведены дополнительные исследования изменения температуры почвогрунтов за период 2001 – 2011 гг. При этом получено, что обнаруженные ранее на всем интервале лет 1963 – 2010 гг. положительные тренды температуры почвогрунтов на юге и юго-востоке Западной Сибири сменились в последней декаде лет на отрицательные тренды (-0,2 ÷ -0,6 °С/ 10 лет) (рис. 5).

Рис. 5. Пространственное распределение коэффициентов линейного тренда (°C/10 лет) среднегодовой температуры почвогрунтов на глубине 320 см за 2001 – 2011 гг.

Однако в Якутии, Забайкалье и Приморье, напротив, положительные тренды существенно усилились и достигли значений в пределах от 0,4 до 1 °С / 10 лет.

Для исследования региона с достоверными отрицательными трендами на юго-востоке Западной Сибири дополнительно получен осредненный по району многолетний ряд аномалий температуры почвы на глубине 320 см (аномалии от норм за 1971 – 2000 гг.). Анализ данных показал, что в этом регионе наиболее интенсивное понижение температуры почвогрунтов наблюдается с 2007 года (рис. 6).

Тенденция изменения глубины протаивания также претерпела изменения в начале XXI века. Исследование трендов сезонной глубины протаивания почвогрунтов за период 2001 – 2011 гг. показало, что за последнее время тренд увеличения глубины протаивания преимущественно усилился и находится в пределах от 1 до 3 см / год. На территории Среднесибирского плоскогорья (Якутия) и Станового нагорья на обширных участках обнаружены положительные тренды протаивания 4 – 5 см / год (рис. 7). Эта тенденция согласуется с увеличением трендов среднегодовой температуры почвогрунтов за 2001 – 2011 гг. в тех же районах (рис. 5).

Рис. 6. Аномалии температуры почвы на глубине 320 см, осредненные по станциям юго-восточной части Западной Сибири со значимыми отрицательными трендами. Период норм – 1971 – 2000 гг.

Рис. 7. Пространственное распределение коэффициентов линейного тренда (см/ год) сезонной глубины протаивания многолетнемерзлых почвогрунтов за период 2001 – 2011 гг.

Однако за этот же интервал лет в Центральной Якутии, южнее озера Байкал и вблизи устья р. Колыма, на карте (рис. 7) видны очаги с достоверными отрицательными трендами.

Заключение

1.По данным о температуре почвогрунтов на территории России на глубинах до 320 см за последние 40 – 50 лет показано потепление на обширной территории. При этом максимальные тренды потепления почвогрунтов на глубине 320 см обнаружены на территории южной половины Западной и Восточной Сибири.

2.Последствиями современных изменений климата является общая тенденция увеличения глубины сезонного протаивания почвогрунтов на обширной территории Восточной Сибири и Дальнего Востока за период 1963 – 2010 гг.

3.На территории Среднесибирского плоскогорья (Якутия) и Станового нагорья в начале XXI века положительные тренды температуры почвогрунтов и глубины сезонного протаивания преимущественно усилились. Однако в те же годы на юге Западной Сибири вблизи южной границы криолитозоны наметилась тенденция понижения температуры почвогрунтов и произошло уменьшение глубины протаивания в некоторых районах Восточной Сибири и Дальнего Востока.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект №11-05-00691).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Анохин Ю. А., Величко А. А., Демченко П. Ф. и др. Россия в условиях глобальных изменений окружающей среды и климата. М.: ИСА РАН, 1993. 49 с.

2.Израэль Ю. А., Павлов А. В., Анохин Ю. А. Эволюция криолитозоны при современных изменениях глобального климата // Метеорология и гидрология. 2002.

3.№ 1. С. 22 – 34.

4.Павлов А. В., Гравис Г. Ф. Вечная мерзлота и современный климат // Природа. 2000. № 4. С. 10 – 18.

5.Демченко П. Ф., Величко А. А., Голицын Г. С., Елисеев А.В., Нечаев В. П. Судьба вечной мерзлоты: взгляд из прошлого в будущее // Природа. 2001. № 11. С. 43.

6.pause in global warming // Papers of Met Of fi ce, 2013, http://www.metof fi ce. gov.uk, Exeter, United Kingdom. 22 p.

7.Murphy D.M., Soloman S., Portmann R.W., Rosenlof K.H., Forster P.M., WongAn observationally based energy balance for the Earth since 1950 // J. of Geophys. Res. 2009. V. 114.

8.Груза Г. В., Ранькова Э. Я. Наблюдаемые и ожидаемые изменения климата России: температура воздуха. Обнинск: ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД», 2012. 194 с.

9.Шерстюков Б. Г., Салугашвили Р. С. Новые тенденции в изменениях климата Северного полушария Земли в последнее десятилетие // Труды ГУ «ВНИИГМИ-МЦД». 2010. Вып. 175. С. 43 – 51.

10.Шерстюков А. Б. Массив суточных данных о температуре почвогрунтов на глубинах до 320 см по метеорологическим станциям Российской Федерации// Труды ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД». 2012. Вып. 176. С. 233 – 256.

11.Шерстюков А. Б. Статистический контроль массива суточных данных температуры почвогрунтов // Труды ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД». 2012. Вып. 176. С. 224 – 232.

12.Кудрявцев В. А. Мерзлотоведение. М.: МГУ, 1981. 240 с.

13.Фотиев С. М. Возможные изменения геотемпературного поля криогенной области России при глобальном потеплении климата // Криосфера Земли. 2000. Т. 4,

14.№ 3. С. 14 – 29.

15.Конищев В. Н. Реакция вечной мерзлоты на потепление климата // Вестник МГУ. Сер. 5. География. 2009. № 4. С. 10 – 20.

16.Шерстюков А. Б. Изменения климата и их последствия в зоне многолетней мерзлоты России // Обнинск: ГУ «ВНИИГМИ-МЦД», 2009. 127 с.

17.Израэль Ю. А., Павлов А. В., Анохин Ю. А. Анализ современных и ожидаемых в будущем изменений климата и криолитозоны в северных регионах России // Метеорология и гидрология. 1999. № 1. С. 18 – 26.

18.Павлов А. В., Ананьева Г. В., Дроздов Д. С. и др. Мониторинг сезонно-талого слоя и температуры мерзлого грунта на Севере России // Криосфера Земли. 2002. Т. VI, № 4. С. 30 – 39.

19.Павлов А. В., Скачков Ю. Б., Какунов Н. Б. Взаимосвязь между многолетними изменениями глубины сезонного протаивания грунтов и метеорологическими факторами // Криосфера Земли, 2004. Т. VIII, № 4. С. 3 – 11.

20.Romanovsky V. E., Osterkamp T.Permafrost: changes and impacts // Permafrost response on economic development, environmental security and natural resources. Dordrecht, Kluwer Acad. Publ. 2001. P. 297 – 315.

21.Малевский-Малевич С. П., Молькентин Е. К., Надежина Е. Д., Павлова Т. В., Семиошина А. А. Моделирование и анализ возможностей экспериментальной проверки эволюции термического состояния многолетнемерзлых грунтов // Криосфера Земли. 2007. Т. XI, № 1. С. 29 – 36.