Результаты совместного Российско-Британского проекта о последствиях изменения климата на территории России, с возможными последствиями изменениями углеродного баланса

В последнее время вопросу об изменении климата во всем мире уделяется большое внимание. В рамках этой проблемы вот уже в течение трех последних лет длится совместный Российско-Британский проект о последствиях изменения климата на территории России, с возможными последствиями изменениями углеродного баланса. В ходе работы над проектом были получены результаты.
Весь проект можно условно разбить на два этапа.
На первом этапе особое внимание уделялось обмену информацией. В Российских журналах существует довольно много статей по данной тематике. Но, к сожалению, у большинства нет перевода на английский язык, и как следствие они доступны только для русскоговорящей части научного сообщества. Чтобы как-то восполнить этот пробел, в рамках проекта, была написана обзорная статья на английском языке, где в полной мере можно ознакомиться со всеми существующими на данный момент российскими статьями в области изменения климата. Полный текст статьи можно найти на сайтах проекта: http://www.uk-russia-ccproject.info/ , http://permafrost.su/UK-Rus/

В ходе второго этапа работы над проектом перед учеными встала проблема: статей много, как и результатов, полученных различными учеными, но единого мнения не существует. Как же более точно оценить изменения климата? Одной из главных проблем, с которой сталкиваются учёные климатологи при оценки последствий изменений климата, является большая доля неопределённости оценок. При оценки последствий исследователь вынужден основываться на том или ином сценарии изменения климата, а в силу того, что сценарий фактически описывает будущее, качество сценария не может быть оценено напрямую. Но мы можем оценить качество модели, по которой данный сценарий был получен, и, таким образом, выбрать наилучший сценарий в качестве основы для оценки последствий изменений климата.
На протяжении последнего десятилетия прилагались значительные усилия для оценки качества моделей, используемых для построения сценариев изменения климата. Из русскоязычных публикаций на эту тему наибольший интерес представляют работы (Говоркова и др. 2008; Груза и др. 2006; Мелешко и др. 2008; Менжулин и др. 2005), авторы которых пришли к несколько различным выводам. Этому вопросу посвящен ряд крупных международных проектов сравнения моделей АМIР (Atmospheric Model Intercomparison Program) и СМIР (Coupled Model Intercomparison Project). Однако в этих работах не учтены специфические территориальные и климатические особенности России, не говоря уже об отдельных ее регионах. Проводившейся анализ также не был ориентирован на те климатические параметры, которые в наибольшей степени определяют доминантные для рассматриваемых регионов последствия потепления. Поэтому в рамках данного проекта предлагается новый метод оценки качества климатических сценариев, в том числе ансамблевых, на основе сравнения расчетов для современных условий с региональными наблюдениями по параметрам, наиболее важным для конкретной рассматриваемой задачи.
Для решения поставленной задачи выбор был остановлен на криолитозоне России, поскольку она представляет собой уникальную территорию, где многие из предсказанных в 1990х годах последствий изменений климата уже наблюдаются в настоящее время. Для тестирования были использованы результаты расчетов температуры воздуха месячного разрешения по 21 гидродинамической модели за исторический период более 100 лет, оканчивающийся, в зависимости от модели, в 1999 или 2000 г. Все расчеты были приведены к единой пространственной сетке с шагом 2.5° по широте и долготе после чего сравнивались с данными наблюдений на метеостанциях в период 1961-1999.

Карта границ


Рис. 1 границы сплошной, прерывистой и островной вечной мерзлоты, расположенные на ней 160 метеостанций с длительными рядами наблюдений (из архива реперных станций ИГКЭ), а также 403 узла единой сетки, попадающие в зону влияния обозначенных станций.

В сравнении использовались данные 160 станций из архива ИГКЭ, расположенные в криолитозоне (рис 1.). Было проведено сравнение данных расчетов и наблюдений, осредненных по всей криолитозоне России, по трем основным температурным характеристикам, в наибольшей степени определяющим состояние вечной мерзлоты. Проводилось сравнение трендов среднегодовой температуры воздуха, её сезонной амплитуды и суммы градусо-дней таяния. Модели были ранжированы по качеству воспроизведения трендов каждой из этих характеристик. Затем для каждой модели был рассчитан суммарный ранг (сумма позиций) по всем трем тестам, показанный на рисунке 2.

Ранг



Рис.2
. Сумма позиций каждой модели во всех тестах


На основе полученных результатов были отобраны три модели, показавшие наилучшие результаты. После этого были составлены ансамбли из трех лучших моделей и из всех 21 участвовавших в сравнение моделей. Ансамблевые расчеты также сравнивались с наблюдениями.
Ансамбль из трех лучших моделей по своим показателям наилучшим образом воспроизводит имевшие место изменения климата криолитозоны России, значительно превосходя ансамбль из всех моделей. Это указывает на необходимость предварительной селекции моделей при формировании ансамбля.

Стоит отметить, что при анализе пространственного распределения неопределённостей оценок климата прошлого было обнаружено несколько регионов, где не одна модель не даёт удовлетворительных результатов. Наиболее яркими примерами таких районов могут служить бассейн реки Амур, Яно-Индигирская и Колымская низменности. В таких районах особенно важно оценивать качество воспроизведения необходимых метеоэлементов, климатическими моделями, и использовать ансамбль из моделей, наиболее адекватно воспроизводящими выбранные метеоэлементы.

Изучение зоны вечной мерзлоты является важной задачей для России еще и в связи с тем, что на территории криолитозоны России располагается множество объектов инфраструктуры нефте- и газо- добывающей промышленности и их сохранность представляет стратегический интерес. К сожалению, неопределённости в оценках климата будущего, глобальными гидродинамическими моделями, на данной территории больше чем в большинстве регионов земного шара. Выбор климатического сценария для оценки последствий изменения вечной мерзлоты является важным фактором, влияющим на результаты оценки изменений климата. Результаты расчётов показали, что сценарий, полученный по ансамблю из всех моделей, лучше, чем сценарий по одной конкретной модели, но сценарий, полученный по ансамблю из нескольких лучших моделей, всегда лучше того, который был получен по ансамблю из всех моделей. Также следует заметить, что существует несколько областей, где не одна модель не даёт удовлетворительных результатов, и изучение этих районов позволит повысить качество воспроизведения моделями климата прошлого и будущего.

Криолитозоне России неспроста уделяется такое большое внимание. Важным аспектом проблемы расчета по сценариям является выбор оптимального количества регионов. Критерием для отбора послужила «чувствительность» регионов к воздействию, т.е. какие области быстрее всего реагируют на изменения. Самыми «чувствительными» оказались Северные регионы. Изменения в этих регионах получили самый большой отклик во всей природной системе: в распределении растительности, деградации вечной мерзлоты, изменение гидрологического режима и многое другое.

Для России большой интерес представляет изменения в криолитозоне. Область распространения многолетнемерзлых грунтов занимает более 60% территории страны. На Крайнем Севере сосредоточено более 30% разведанных запасов нефти, около 60% - природного газа, огромные залежи каменного угля и торфа, помимо нескольких городов с численностью населения более 100 тысяч, здесь имеются автомобильные и железные дороги, аэропорты, способные принимать крупные авиалайнеры, речные и морские порты на крупных реках и на Арктическом побережье, протяженные линии электропередач, единственная в мира Билибинская атомная электростанция, построенная на вечной мерзлоте и разветвленная сеть трубопроводов, общая протяженность которых только лишь в Сибири превышает 350 тысяч километров. Большинство сооружений в этих районах построены на свайных фундаментах, используют многолетнемерзлый грунт в качестве оснований и рассчитаны на эксплуатацию в определенных температурных условиях. При увеличении температуры мерзлых грунтов изменяются их физико-механические свойства (объёмный вес, влажность, пористость, адгезия к сваям-основаниям), что, в конечном счете, уменьшает несущую способность фундаментов, приводя к повреждению построенных на них сооружений.

Существуют две основные проблемы, связанные с таянием вечной мерзлоты. Одна из них это воздействие на инфраструктуру, в результате которого значительная ее часть может оказаться под угрозой. Многие здания в городах, расположенных в области распространения вечной мерзлоты, находятся в настоящее время в опасном состоянии из-за уменьшения прочности и несущей способности фундаментов. Например, в условиях Якутска при увеличении среднегодовой температуры воздуха на 2оC несущая способность свайных фундаментов может сократиться на 50%. С начала 1970х годов более 300 зданий получили серьезные повреждения в результате просадок мерзлого грунта. В период с 1990 по 1999 г. число таких зданий увеличилось по сравнению с предшествующим десятилетием на 61% в Якутске, на 42% в Норильске и на 90% в Амдерме. Более четверти стандартных жилых пятиэтажных зданий в Якутске, Воркуте и Тикси, построенных в 1950-70х годах, может стать непригодными к эксплуатации уже в ближайшие одно-два десятилетия.

Здание в Воркуте


Рис.3. Здание в Воркуте
Якутск


Рис.4. Якутск, июль, 2006

Не менее серьезную угрозу представляет оттаивание льдонасыщенных грунтов и пластов погребенного льда, мощность которых может достигать нескольких метров. Таяние содержащегося в грунте льда сопровождается просадками земной поверхности и развитием опасных мерзлотных процессов: термокарста, термоэрозии и др. В результате происходят значительные изменения рельефа, которые ухудшают напряженно-деформированное состояние трубопроводов и других сооружений, расположенных в данной местности.

железнодорожной магистраль


Рис.5. Участок Байкало-Амурской железнодорожной магистрали, подверженный деформации из-за неравномерной просадки и пучения грунта
Деформация здания


Рис.6. Деформация здания заброшенной воинской части в низовье Енисея за счет неравномерного вытаивания подземного льда. Фото Д.С. Дроздова

Оценки геокриологических опасностей для инфраструктуры должны учитывать изменения основных параметров вечной мерзлоты в условиях будущего климата, в частности то, насколько они будут отличаться от условий, заложенных в расчете конструкций. Для выявления областей, наиболее подверженных геокриологическим опасностям в связи с предстоящим изменением климата был разработан достаточно простой метод, основанный на применении расчетного индекса:



Iг = DZ ? W ? S



Здесь Iг - индекс геокриологической опасности, DZ – относительное изменение глубины сезонного протаивания вечной мерзлоты, рассчитанное для заданного прогноза климата и выраженное в долях от современной нормы; W – процентное содержание льда в мерзлом грунте, S – коэффициент, учитывающий засоленность грунтов. Вероятность развития деструктивных геокриологических процессов приобретает наибольшую величину в случае, когда мерзлый грунт содержит большое количество льда и солей, 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 оттаивания.

Модельные прогнозы состояния вечной мерзлоты позволяют рассчитать значения индекса геокриологической опасности для различных климатических сценариев и построить соответствующие карты. Такие карты, рассчитанные по пяти различным сценариям для середины 21 века CGCM2, CSM–1.4, ECHAM4/OPYC3, GFDL–R30c и HadCM3, показаны на рисунке 6

CGCM2

CGCM2
ECHAM4/OPYC3

ECHAM4/OPYC3
GFDL–R30c

GFDL–R30c
HadCM3

HadCM3
CSM–1.4

CSM–1.4
легенда



Рис. 7
. Индекс геокриологической опасности для криолитозоны России, рассчитанный для середины 21 века по пяти климатическим сценария.


Геокриологические прогнозы позволяют заранее оценить риск возникновения аварийных ситуаций и выработать наиболее эффективные и экономичные проектные решения для минимизации возможных негативных и катастрофических последствий. Изменения механических свойств грунта происходят в течение длительного времени и могут быть предсказаны. В инженерной геокриологии разработано большое число методов стабилизации фундаментов и оснований на вечномерзлых грунтах. Такие методы могут быть предложены как часть общей стратегии адаптации экономики России и, в частности, топливно-энергетического комплекса, к предстоящим изменениям климата в северных регионах. Представленные оценки геокриологического риска в значительной степени условны и не могут быть использованы для принятия конкретных решений применительно к отдельным объектам и конструкциям. Для решения задач такого уровня необходимо привлечение более детальной информации о природных условиях исследуемого района и особенностях размещения того или иного объекта инфраструктуры. При этом необходимо проведение специальных полевых, лабораторных и теоретических исследований.

Другая проблема, которая часто упоминалась как в научных дискуссиях, так и в средствах массовой информации, это возможное усиление парникового эффекта за счет увеличения эмиссии парниковых газов, особенно метана, при таянии вечной мерзлоты. Некоторые авторитетные издания, такие как интернет-портал BBC-Россия, писали даже о «метановой бомбе» в многолетнемерзлых болотах Западной Сибири, которая может сделать глобальный климат еще теплее, притом, что с количественных позиций такой механизм еще недостаточно хорошо изучен. Именно по этой причине одной из основных задач стала попытка смоделировать эмиссию метана из болот криолитозоны России в условиях прогнозируемых изменений климата. Это позволило дать оценку гипотетическим суждениям относительно сильного влияния будущего увеличения эмиссии метана на глобальный климат, сравнив их с данными измерений и расчетов, имеющих четкую географическую привязку.

Эмиссия метана с поверхности болот рассчитывалась по модели, учитывающей изменения температуры и глубины сезонного оттаивания многолетнемерзлых грунтов и обусловленные этим изменения почвенного углеродного газообмена. Для расчета глубины сезонного оттаивания и температуры талого слоя многолетнемерзлых болот была применена стационарная модель вечной мерзлоты. Расчет проводился последовательно в узлах регулярной сетки с пространственным шагом 0.5 градуса по широте и долготе. Изменения мощности сезонно-талого слоя мерзлого органического вещества по всей криолитозоне России были рассчитаны для пяти климатических сценариев: CGCM2, CSM–1.4, ECHAM4/OPYC3, GFDL–R30c и HadCM3. Полученные результаты были помножены на долю площади, которую занимают мерзлые болота в каждой из ячеек пространственной расчетной сетки.

Доля площади



Рис.8
. Доля площади, занимаемая многолетнемерзлыми болотами в каждой из ячеек пространственной сетки криолитозоны России.

Прогнозируемое изменение эмиссии метана



Рис.9
. Прогнозируемое изменение эмиссии метана из многолетнемерзлых болот криолитозоны России для 2050 г. по климатическому сценарию GFDL, % от современной нормы


Наши результаты на середину 21 века показывают, что эмиссия метана может вырасти на 20-40% на большей части исследуемой территории и на 50-80% в арктических областях, что соответствует 6-8 Мт/год. Если предположить, что источники и стоки метана не изменятся и учесть, что время жизни метана в атмосфере 12 лет, то к 2050 году его количество возрастет примерно на 0,04 ppm. Так как 1 ppm атмосферного метана дает примерно +0,3°С к глобальной температуре, то увеличение ее за счет притока метана из оттаявших болот криолитозоны России при прогнозируемом потеплении ожидается всего лишь +0,012°С, что не представляет собой большой угрозы.

источники и глобальный сток атмосферного метана



Рис.10
. Некоторые современные источники и глобальный сток атмосферного метана, млн. т/год


Сравнение полученных нами результатов с результатами аналогичных исследований не всегда возможно, поскольку в работах используются различные предположения об изменениях климатических характеристик. Кроме того, они заметно отличаются по географическому охвату. Тем не менее, если провести все же некоторые аналогии, то можно сказать, что многие оценки достаточно сопоставимы друг с другом. Таким образом, можно сделать вывод, что, даже принимая во внимание ряд допущений, принятых в наших расчетах (например, фиксированный уровень грунтовых вод, неучет мелких болот подсеточного масштаба), проблема эмиссии метана из мерзлых болот России при прогнозируемом изменении климата является несколько преувеличенной. В то же время вызывает интерес исследовать потенциальное увеличение эмиссии метана в результате действия иных механизмов, например, разложения газовых гидратов в шельфовой зоне или же формирования этого газа в озерных отложениях.

Омск ремонт канализации Прочистка канализации, устранения засоров 24 часа Омск Водопровод, канализация, отапления 24 часа Омск Онлайн игра Diablo 4 Онлайн игра Веселая ферма Онлайн игра Черепашки-Ниндзя Онлайн игра Minecraft Онлайн игра Assassin's Creed Онлайн игра COD 2 Онлайн игра Need For Speed Онлайн игра GTA V Онлайн игра GTA 5 Симс 4 The SimsOnline в Minecraft 2 Assassins creed на андроид COD 2 Онлайн Need For Speed 6 Grand theft auto london Gta unlimited Гта 5 Sims 4 современная роскошь