Современные исследования

Математическое моделирование является мощным инструментом для пространственного обобщения данных редкой сети наблюдений за вечной мерзлотой и для прогноза ее состояния в условиях будущего климата. Модели вечной мерзлоты различной степени сложности хорошо известны и описаны в научной литературе. С их помощью были получены оценки площади распространения, глубины сезонного протаивания и температуры многолетнемерзлых пород для современных условий и для нескольких прогнозов изменения климата в 21 веке для территории России и всего северного полушария.

Все разработанные до настоящего времени модели вечной мерзлоты относятся к детерминистическому типу. Первоначально они разрабатывались для расчетов в отдельных точках, при этом предполагалось, что все необходимые входные данные могут быть определены с высокой точностью. С развитием геоинформационных технологий модели стали применяться и для расчетов по большим территориям с пространственно распределенными влияющими параметрами. Такие расчеты обычно проводятся с использованием регулярной сетки, в узлах задаются характерные значения параметров климата, растительности и почвы, принимаемые за средние по соответствующей пространственной ячейке. Наилучшее разрешение, которое удалось достичь, составляет 0.5° по широте и долготе; более детальные расчеты лимитированы отсутствием входных данных высокого разрешения. Такой подход оправдан при использовании крупнорегионального и континентального масштаба и лишь при условии, что естественная изменчивость параметров вечной мерзлоты в пределах ячеек расчетной сетки несущественна для решаемой задачи и можно ограничиться расчетом их средних значений. В общем же случае неизбежно возникает противоречие между детерминизмом моделей и стохастической природой процессов, формирующих термический режим и сезонное протаивание многолетнемерзлых грунтов. Так, в пределах любой ячейки глубина сезонного таяния является случайной величиной, обладающей функцией распределения, что принципиально невозможно учесть в рамках детерминистического метода.

Альтернативным детерминистическому является вероятностно-статистический подход, в рамках которого макромасштабные изменения в пространстве и времени влияющих на вечную мерзлоту параметров задаются явно, а их случайные флуктуации, которые порождают мелкомасштабную изменчивость характеристик вечной мерзлоты, описываются статистически. Это позволяет учесть изменчивость свойств почвы, растительности, снежного покрова и топографии, которые порождают случайные вариации температуры и глубины сезонного таяния многолетнемерзлых грунтов на небольших пространственных масштабах. В результате, как это имеет место в природе, в вероятностно-статистической модели возникает ансамбль близких, но различных состояний многолетнемерзлых грунтов при одних и тех же климатических условиях, но флуктуирующих свойствах среды. Получаемые характеристики ансамбля позволяют оценить как средние параметры вечной мерзлоты, так и их изменчивость в пределах небольших территорий, которые в рамках детерминистического метода считаются однородными. Неоспоримым преимуществом такого подхода является то, что вероятностно-статистическая модель адекватна действительности и имеется возможность прямого сравнения результатов расчетов, представленных в виде статистического ансамбля, с выборками, получаемыми в процессе измерений, оценивая точность модели по ее способности воспроизводить статистику выборки для рассчитываемой величины.

Алгоритмически метод ансамблевого осреднения состоит в том, что в каждой ячейке пространственной сетки проводится несколько расчетов с различными комбинациями варьируемых вокруг средних значений влияющих параметров, описывающих свойства снежного покрова, растительности и почвы. В результате получаются выборки значений исследуемых величин (например, температуры грунта или же максимальной глубины сезонного таяния), по которым можно оценить их функции распределения. Собственно модель вечной мерзлоты при этом является детерминистической, стохастичность же методу придает описанный выше алгоритм формирования статистического ансамбля (выборки) решений.

Методика моделирования вечной мерзлоты на основе ансамблевого осреднения дает возможность на качественно ином уровне формулировать задачу прогноза состояния многолетнемерзлых грунтов, максимально приблизив ее к требованиям практики. Так, помимо «средних» характерных для заданных внешних условий значений параметров, можно, рассчитав их ансамблевые дисперсии, представить также наибольшие и наименьшие значения, попадающие в 95% доверительный интервал. Несомненным преимуществом метода ансамблевого моделирования является и то, что с его помощью можно получать оценки вероятности превышения параметрами многолетнемерзлых грунтов заданных значений. Для этого необходимо знать плотность вероятности рассматриваемой величины, а ее можно построить по рассчитанному ансамблю.

Пример вероятностно-статистического расчета глубины сезонного таяния для прогнозируемого по сценарию GFDL на середину 21 века климата показан на рисунке 1. Представленные на нем карты принципиально отличаются от традиционных тем, что вместо глубины оттаивания, характеризуемой «средним» для данной точки значением, на них показана вероятность того, что она находится в заданном интервале. Эта вероятность рассчитывается на основе частотного анализа выборки, полученной при помощи ансамблевого моделирования, при этом границы и число классов можно устанавливать произвольно. В данном случае выделены 4 класса с неравномерным разбиением по глубине для того, чтобы обеспечить достаточное заполнение каждого из них.


models

Рисунок 1. Вероятность попадания глубины сезонного оттаивания в заданный интервал. Расчет по ансамблевой модели для криолитозоны Северной Евразии был проведен с использованием климатического сценария GFDL для середины 21 века.

Разработанный метод ансамблевых расчетов состояния вечной мерзлоты обладает несомненными преимуществами по сравнению с традиционными детерминистическими моделями и более полно отвечает требованиям, предъявляемым современной инженерной геокриологией. Идеология инженерных расчетов в условиях меняющегося климата и флуктуирующих свойств окружающей среды основана на вероятностных оценках заданной обеспеченности. Эти оценки позволяют на качественно новом уровне решать многие задачи, связанные с оценкой геокриологических процессов, в частности, рассчитывать вероятность превышения пороговых значений глубины сезонного таяния, определяющих предел устойчивости инженерных сооружений.


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