Прогноз изменения геокриологических условий Европейского Севера России и Западной Сибири в связи с возможными изменениями климата тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 04.00.07, кандидат геолого-минералогических наук Чепурнов, Михаил Борисович

• Чепурнов, Михаил Борисович
• кандидат геолого-минералогических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат геолого-минералогических наук Чепурнов, Михаил Борисович

страница

Введение.

Глава 1. Существующие представления о динамике климата

1.1 Обзор современных представлений о естественной динамике климата.

1.2 Краткий обзор сценариев глобального потепления климата.

1.3 Глобальное потепление и реакция криолитозоны.

Глава 2.Методика прогнозной оценки динамики криолитозоны в связи с естественноисторическими и антропогенными изменениями климата

2.1 Методика назначения верхних граничных условий и прогноза температурного режима грунтов

2.1.1 Прогноз естественной динамики климата.

2.1.2 Прогноз динамики климата с учётом глобального потепления за счёт увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере.

2.2 Методика прогноза осадки оттаивающих отложений включающих ледяные жилы.:.=.

2.3 Методика прогноза осадки оттаивающих грунтов при глобальном потеплении климата за счёт вытаивания текстурообразующего льда.

Глава 3. Геокриологические условия исследуемых территорий

3.1 Европейский Север России

3.1.1 Геолого - географические условия.

3.1.2 Распространение, мощность и среднегодовая температура ММП.

3.1.3 Состав, криогенное строение и льдистость отложений.

3.2 Западная Сибирь

3.2.1 Геолого - географические условия.

3.2.2 Распространение, мощность и среднегодовая температура ММП.

3.2.3 Состав, криогенное строение и льдистость отложений.

Глава 4. Прогноз температурного режима пород в результате естественной динамики климата и глобального потепления

4.1 Европейский Север России.

4.2 Западная Сибирь.

4.3 Прогноз температурного режима многолетнемёрзлых пород Европейского Севера России и Западной Сибири при различных трендах повышения температуры воздуха.

Глава 5. Потенциальная возможность развития термокарста на севере Европейской части России и в Западной Сибири в связи с возможными климатическими изменениями 5 .1 Современные представления о природе и закономерностях развития термокарста.

5 2 Прогноз термокарста на участках распространения повторно-жильных льдов.

5.3 Прогноз потенциальной возможности развития термокарста за счёт вытаивания такстурообразующего льда.

Глава 6. Карты прогноза геокриологических условий Европейского Севера России и Западной Сибири в связи с естественной динамикой климата и с учётом глобального потепления за счёт увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прогноз изменения геокриологических условий Европейского Севера России и Западной Сибири в связи с возможными изменениями климата»

Актуальность темы. В последние десятилетия большой интерес вызывает проблема глобальных климатических изменений, связанных как с естественно-историческими вариациями экосистем Земли, так и с хозяйственной деятельностью человека. Особенно остро проблема глобального потепления климата, устойчивая тенденция которого наблюдается примерно с середины XX века, может затронуть те регионы России, где сейчас существуют многолетнемёрзлые породы (ММП). В случае осуществления многочисленных прогнозов, имеющихся на сегодняшний день и предполагающих сохранение тенденции повышения среднеглобальной температуры воздуха в XXI веке за счёт увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере, в северных регионах России можно ожидать неизбежной реакции огромных массивов многолетнемёрзлых пород, выражающейся в повышении температуры пород, оттаивании ММП, осадке поверхности оттаивающих льдистых отложений, новообразовании и активизации криогенных геологических процессов. Это, в свою очередь, может привести к уменьшению несущей способности оттаявших отложений, в результате чего можно ожидать нарушений функционирования инженерных, сооружений эксплуатируемых на сегодняшний день в криолитозоне. Таким образом, неучёт фактора глобального потепления при строительстве новых и эксплуатации уже построенных сооружений в области распространения многолетнемёрзлых пород может привести к весьма существенным убыткам для экономики и хозяйства России, связанным с ликвидацией последствий оттаивания массивов ММП.

Цель и задачи работы. Цель настоящей работы - оценить изменения геокриологических условий Европейского Севера России и Западной Сибири как в связи с естественной динамикой климата, так и в связи с глобальным потеплением климата в XXI веке.

В связи с поставленной целью решались следующие задачи:

1) Обобщить и проанализировать имеющиеся на сегодняшний день представления о динамике климата в прошлом и будущем.

2) Выявить закономерности изменения среднегодовой, максимальной и минимальной среднемесячной температуры воздуха по данным инструментальных метеонаблюдений и осуществить прогноз её изменений в XXI веке при естественно-исторических изменениях и с учётом различных сценариев потепления климата.

3) Изучить пространственные и временные закономерности изменения геокриологических условий исследуемых регионов при естественно-исторической динамике климата и с учётом глобального потепления.

4) Установить закономерности развития осадки поверхности оттаивающих льдистых отложений и возможность развития процессов термокарста.

5) Составить карты прогноза изменения геокриологических условий исследуемых регионов на 2100-й год при различных вариантах возможных климатических изменений.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- На основе гармонического анализа данных метеонаблюдений получены аналитические зависимости, позволяющие прогнозировать динамику температуры воздуха и ММП в будущем при естественно-исторических изменениях климата;

- Получены пространственно-временные закономерности эволюции мёрзлых и талых пород различного состава в результате естественно-исторической динамики климата и выявлены промежутки времени, когда наиболее вероятным становится возникновение перелетков мёрзлых пород в талых породах, или образования несливающейся мерзлоты в области распространения высокотемпературных ММП.

Установлены количественные закономерности изменения геокриологических условий: времени начала оттаивания ММП, изменения температуры многолетнемёрзлых пород, глубины оттаивания в грунтах различного состава при различных сценариях глобального потепления климата;

Осуществлён прогноз возможной осадки поверхности оттаявших льдистых отложений и развития термокарста при возможном глобальном потеплении климата за счёт увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере;

- Составлены карты прогноза изменения геокриологических условий Европейского Севера России и Западной Сибири масштаба 1:2 500 ООО на 2100-й год при естественной динамике климата и при различных трендах повышения температуры воздуха за счёт увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере.

Практическая значимость работы заключается в том, что результаты настоящих исследований могут быть использованы для обоснования выбора принципов и методов строительства различных сооружений в области криолитозоны; разработки мероприятий по защите уже эксплуатируемых сооружений от негативных последствий, связанных с повышением температуры и оттаиванием мёрзлых пород; принятия оптимальных технико-конструктивных решений строительства и эксплуатации сооружений; разработки рекомендаций по управлению мерзлотными процессами в целях охраны природной среды и инженерной защите территорий.

Полученные в результате выполненных исследований материалы были использованы при написании двух научно-технических отчётов. ч

Личный вклад автора. В ходе исследований с личным участием автора проведено изучение и обобщение современных представлений о закономерностях динамики климата, прогнозов его изменений и возможной реакции ММП; проведены многочисленные прогнозные расчёты для различных районов криолитозоны; на основе расчётов установлены частные количественные закономерности изменения геокриологических характеристик ММП и составлены прогнозные карты масштаба 1 : 2 500 ООО.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной конференции "Мониторинг криосферы" РАН (Пущино,1999), на "Ломоносовских чтениях" (Москва, 1996 и 1999), на "Первой конференции геокриологов России" (Москва, 1996). По теме исследований опубликовано 5 работ. В 2000 году автор стал лауреатом конкурса молодых учёных МГУ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, изложенных на 138 страницах машинописного текста. Работа включает 15 таблиц, иллюстрирована 85 рисунками. Список использованной литературы составляет 79 наименований.

Заключение диссертации по теме «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение», Чепурнов, Михаил Борисович

Основные результаты исследований, отражающие новизну, теоретическую и практическую значимость диссертационной работы, заключаются в следующем:

1) Путём усовершенствования и адаптации известных математических приёмов и методов обработки числовых рядов разработан новый методический подход к назначению температуры воздуха при долгосрочном геокриологическом прогнозировании. Методический подход подразумевает следующую последовательность обработки метеоданных:

- сглаживание с интервалом 10 лет;

- удлинение коротких рядов метеонаблюдений (приведением их к ближайшему длинному ряду);

- гармонический анализ (разложение);

- прогноз естественно-исторический;

- прогноз, учитывающий антропогенное потепление климата.

2) На основе гармонического анализа данных метеонаблюдений и прогнозных расчётов установлено, что в результате естественно-исторической динамики климата на территории Европейского севера России и в Западной Сибири выявляется отчётливый период потепления (2005-2020 гг.), когда в районах с высокотемпературными ММП возможно разобщение слоя сезонного промерзания с мёрзлыми толщами, сменяющийся к середине XXI в. периодом похолодания, когда в районах с талыми породами, температура которых близка к нулю, возможно образование перелетков.

3) Ширина области образования перелетков и несливающейся мерзлоты за счёт естественной динамики климата в Западной Сибири составит 500-600 км, на Европейском Севере 150-300 км.

4) Выявлены частные (двухсторонние) количественные закономерности изменения геокриологических характеристик (время начала оттаивания ММП, прогнозная температура пород, глубина оттаивания ММП и их потенциальная осадка, положение подошвы ММП) от начальной среднегодовой температуры пород и темпа потепления климата за счёт увеличения содержания парниковых газов в атмосфере применительно к ММП разного состава и льдистости.

5) В зависимости от возможного тренда глобального потепления климата к 2100-му году южная граница ММП может сместиться к северу в Западной Сибири при тренде потепления 0.06°С/год на 400-500 км, при тренде потепления 0.01°С/год на 100-400 км; на Европейском Севере при тренде потепления 0.06°С/год практически на всей территории за исключением северо-восточных областей отмечается протаивание ММП с поверхности, при тренде 0.01°С/год южная граница ММП сместится к северу на 150-350 км.

6) Установленные закономерности свидетельствуют о сравнительно высокой пространственно-временной изменчивости криолитозоны исследованных территорий в результате как природных изменений температуры воздуха, так и (в особенности) при потеплении климата за счёт увеличения содержания в атмосфере парниковых газов, что отражено на прогнозных геокриологических картах.

Основные положения диссертации отражены в работах:

1. Деградация криолитозоны России при глобальном потеплении климата. Материалы первой конференции геокриологов России. Кн.2., МГУ, 1996 (совместно с Э.Д. Ершовым, А.Н. Козловым, С.Ю. Пармузиным).

2. Динамика криолитозоны в связи с естественно-историческими и антропогенными изменениями климата. "Ломоносовские чтения". Тезисы докладов. МГУ, 1996 (совместно с С.Ю. Пармузиным, Е.В. Жирновой, А.Н. Козловым, Т.Ю. Шаталовой).

3. Глобальное потепление климата и возможность развития термокарста. "Ломоносовские чтения". Тезисы докладов. МГУ, 1999 (совместно с С.Ю. Пармузиным, А.В. Медведевым).

4. Прогноз термокарста при возможном глобальном потеплении климата. Международная конференция "Мониторинг криосферы" РАН. Тезисы докладов. Пущино,1999 (совместно с С.Ю. Пармузиным, А.В. Медведевым, В.А. Аверкиной).

5. Пространственно-временная динамика многолетнемёрзлых пород Европейского севера России и Западной Сибири в XXI веке в связи с возможными изменениями климата. "Вестник Московского Университета" серия геология (в печати).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Чепурнов, Михаил Борисович, 2000 год

1. Алисов Б.П. , Полтараус Б.В. Климатология. Изд. МГУ , 1962.

2. Анисимов О.А. Оценка влияния ожидаемых изменений климата на режим вечной мерзлоты. Метеорология и климатология. 1990 , №3.

3. Анисимов О.А., Нельсон Ф.Э., Павлов А.В. Прогнозные сценарии эволюции криолитозоны при глобальных изменениях климата в XXI веке. Криосфера Земли, 1999, т. III, №4, с. 15-25.

4. Арэ Ф.Э. Термоабразия морских берегов. М.: Наука, 1980.

5. Бакулин Ф.Г. Льдистость и осадки при оттаивании многолетнемёрзлых четвертичных отложений Воркутинского района. М.: Изд. АН СССР, 1958.

6. Бачобаев В.Т., Павлов А.В. Динамика криолитозоны в связи с изменениями климата и антропогенными воздействиями. Проблемы геокриологии. М., "Наука", 1983.

7. Баранова Н.А. Математическое моделирование процесса термоэрозии и его применение для исследования разных районов криолитозоны.// Экологические проблемы эрозии почв и русловых процессов. М.; Изд. МГУ , 1992 , с. 29 36.

8. Баулин В.В. Многолетнемерзлые породы нефтегазоносных районов СССР. М.,"Недра", 1985.

9. Белопухова Е.Б. , Прошкин В.И. , Фельдман Г.М. Влияние растительных напочвенных покровов на температурный режим грунтов (на примере Западной Сибири). Труды ПНИИИС , вып. 49 , М. , Стройиздат , 1976.

10. Бирман Б.А., Балашова Е.В. Земля и вселенная. Космонавтика , астрономия, геофизика. 1997, №3 ,с. 102- 105.

11. Борисенков Е.П. Изменения климата и человек. М.,"Знание", 1990.

12. Будыко М.И., Израэль Ю.А., Яншин A.JI. Глобальное потепление и его последствия. Метеорология и гидрология. 1991 , № 12 , с 5 10.

13. Будыко М.И. Предстоящие изменения климата. Изв. АН СССР. Сер. географ., 1992 , № 4, с. 36 52.

14. Величко А.А., Нечаев В.П. Сценарии изменения криолитозоны России при глобальном потеплении климата. Материалы первой конференции геокриологов России. Кн. 2. Изд. МГУ, 1996, с. 309 318.

15. Величко А.А., Нечаев В.П. К оценке динамики зоны многолетней мерзлоты в Северной Евразии при глобальном потеплении климата.ДАН^ 1992 , т. 324 , № 3 , с. 667 671.

16. Гаврилова М.К. Климат и многолетнее промерзание горных пород. "Наука". Сиб. отд. , Новосибирск, 1978.

17. Гаврилова М.К. Предстоящие изменения климата и вечная мерзлота. Рациональное природопользование в криолитозоне. М.,"Наука",1992, с. 8-12.

18. Геокриология СССР. Европейская территория СССР. Под ред. Э.Д. Ершова. М.,"Недра",1988.

19. Геокриология СССР. Западная Сибирь. Под ред. Э.Д. Ершова. М.,"Недра",1989.

20. Геокриологические условия Печорского угольного бассейна. М.,"Наука",1964.

21. Геоэкология Севера (введение в геокриоэкологию). Под ред. В.И. Соломатина. Изд. МГУ, 1992.

22. Граве Н.А. Ископаемые льды водораздела рек Лены и Алдана. / Тр. ин-та мерзлотоведения им. В.А. Обручева. 1944, ТА, с. 10 32.

23. Гречищев С.Е. Прогноз оттаивания и распределения вечной мерзлоты и изменения криогенного растрескивания грунтов при потеплении климата. Криосфера земли. 1997. № 1. с. 59-68.

24. Гречищев С.Е., Чистотинов JIB., Шур Ю.Л. Криогенные физико-геологические процессы и их прогноз. М.,"Недра", 1980.

25. Данилов-Данилян В.И., Горшков В.Г., Арский Ю.М., Лосев К.С. Окружающая Среда между прошлым и будущим: мир и Россия (опыт эколого-экономического анатиза). М., 1994.

26. Дроздов О.А., Григорьева А.С. Многолетние циклические колебания атмосферных осадков на территории СССР. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1971.

27. Дружинин И.П. Речной сток и геофизические процессы. М.,"Наука", 1966.

28. Емельянов Н.В., Пустовойт Г.П., Хрусталев Л.Н., Яковлев С.В. Программа расчета теплового взаимодействия инженерных сооружений с вечномерзлыми грунтами WARM: Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. РОСА.ПО, № 940281, 1994.

29. Ершов Э.Д., Пармузин С.Ю. Многолетнемерзлые породы как среда захоронения экологически опасных отходов. Геоэкология. Инженерная геология , гидрогеология , геокриология., № 1 1997 , с. 23 39.

30. Ершов Э.Д., Максимова Л.Н., Медведев А.В., Оспенников Е.Н., Пармузин С.Ю., Хрупкий С.Ф., Баранова Н.А. Реакция мерзлоты на глобальные изменения климата.Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 1994 № 5, c.l 1 24

31. Ершов Э.Д., Козлов А.Н., Пармузин С.Ю., Чепурнов М.Б. Деградация криолитозоны России при глобальном потеплении климата.Материалы первой конференции геокриологов России. Кн. 2. Изд. МГУ, 1996(1), с. 319 328.

32. Ершов Э.Д., Баранова Н.А., Булдович С.Н., Лисицына О.М., Максимова Л.Н., Медведев

33. A.В., Пармузин С.Ю. Геокриологические реконструкции для центра Русской равнины.// Материалы первой конференции геокриологов России. Кн. 1. Изд. МГУ , 1996 (3), с. 34 -41.

34. Климатический режим Арктики на рубеже XX и XXI веков. Под ред. Б.А.Крутских. Санкт-Петербург, Гидрометеоиздат, 1991.

35. Количественная теория геокриологического прогноза / С.С. Григорян, М.С. Красс, Е.В. Гусева, С.Г. Геворкян. М.: Изд. МГУ, 1987. - 266 с.

36. Котляков В.М., Лориус К. Глобальные изменения за последний ледниково-межледниковый цикл. // Известия АН СССР, серия географическая, № 1,1992 , с. 5 -22.

37. Кудрявцев В.А. О термокарсте. В кн.: Вопросы физической географии полярных стран. Вып.1. Изд. МГУ, 1958, с 101 - 106.

38. Ловчук В.В., Красс М.С. К прогнозу эволюций термокарстовых озёр. / Инженерное мерзлотоведение / Материалы к III Международной конференции по мерзлотоведению. Изд. "Наука", Сибирское отд., Новосибирск, 1979, с. 229 238.

39. Монин А.С. , Шишков Ю.А. Г'лобольные экологические проблемы.// Новое в жизни, науке, технике.// Сер. "Науки о Земле",№ 7.М.: Знание , 1990 , 48 с.

40. Основы мерзлотного прогноза при инженерно-геологических исследованиях. Под ред.

41. B.А. Кудрявцева. Изд. МГУ, 1974.

42. Оценка экологических и социально-экономических последствий изменения климата. Под ред. Ю.А. Израэля и др. Санкт-Петербург, Гидрометеоиздат, 1993.

43. Павлов А.В. Закономерности формирования криолитозоны при современных изменениях климата. Изд. РАН , серия географическая № 4, 1997, с. 61 75.

44. Павлов А.В. Мерзлотно-климатический мониторинг России: методология, результаты наблюдений, прогноз. Криосфера Земли. Т. 1, № 1, 1997, с. 47 58.Я

45. Пармузин С.Ю., Шаманова И.И. Карты оценки потенциальной возможности развития техногенного термокарста на севере Западной Сибири. Инженерная геология № 6, 1985, с. 81 -88

46. Парниковый эффект, изменение климата и экосистемы. Под ред. Б.Болина. Ленинград. Гидрометеоиздат, 1989.

47. Полозова Л.Г. Предполагаемый ход среднемесячной температуры воздуха на территории СССР в период 1971 2000 гг. Общая и семантическая климатология. Тр. ГГС. Вып. 316. Ленинград , Гидрометеоиздат, 1974, с. 69 - 82.

48. Почвенно-геологические условия Нечерноземья. Изд. МГУ, 1984.

49. Пчелинцев A.M. Морфологическое описание термокарстового процесса в Якутии. Мерзлотоведение. 1946, Т. 1. № 2, с. 95 105.51 .Региональная криолитология. Под ред. А.И. Попова. Изд. МГУ, 1989.

50. Романовский Н.Н. Основы криогенеза литосферы. Изд. МГУ, 1993.

51. Романовский Н.Н. Формирование полигонально-жильных структур. Изд. "Наука", Новосибирск, 1977.

52. Рубинштейн Е.С., Полозова Л.Г. Современное изменение климата. Ленинград, Гидрометеоиздат , 1966.

53. Скорбилин Н.А. Временная изменчивость мощности деятельного слоя почвогрунтов Западной Сибири. Дисс. Изд. РАН, Сибирское отд. Тюмень, 1992.

54. Соловьёв П.А. Криолитозона северной части Лено-Амгинского междуречья. Изд. АН СССР, 1959.

55. Сонечкин Д.М., Даценко Н.М., Иващенко Н.Н. Оценка тренда глобального потепления с помощью вейвлетного анализа. Изв. АН. Физика атмосферы и океана, 1997, том 33, № 2, с. 184- 194.

56. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Под ред. Ю.Я. Велли и др. Ленинград, Стройиздат ,1977.

57. Термоэрозия дисперсных пород. Под ред. Э.Д.Ершова. Изд. МГУ, 1982.

58. Трофимов В.Т., Баду Ю.Б., Дубиков Г.И. Криогенное строение и льдистость многолетнемерзлых пород Западно-Сибирской плиты. Изд. МГУ, 1980.

59. Трофимов В.Т., Васильчук Ю.К. Тенденция изменения региональных мерзлотных условий при реализации "теплых" моделей развития климата. Прогноз изменения природных условий в Западной Сибири. Изд. МГУ, 1988.

60. Фельдман Г.М., Тетельбаум А.С., Шендер Н.И., Гаврильев Р.И. Пособие по прогнозу температурного режима грунтов Якутии. Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1988.

61. Фельдман Г.М. Термокарст и вечная мерзлота. Новосибирск: Наука, 1984.

62. Хрусталев Л.Н., Пустовойт Т.П. Изменение природных условий при глобатыюм потеплении климата и устойчивость зданий в криолитозоне. Геоэкология , 1993 , № 5 , с.30 36.

63. Шполянская Н.А. Попытка прогноза. Знание-сила, № 5, 1990, с. 54 60.

64. Шур Ю.Л. Верхний горизонт толщи мерзлых пород и термокарст. Новосибирск, "Наука" , Сибирское отд., 1988.

65. Bacastow R. , Keeling C.D. (1981). Atmospheric carbon dioxide concentrationand the observed airbon fraction in Bonn B. (ed.) Carbon Cycle Modelling , SCOPE 16, Chichester , Wiley , 103 -112.

66. Manabe S. , Stouffer R.J. (1980). Sensitivity of a global climat model to an increase of C02 concentration in the atmosphere , J.Geophys. Res. , 85 , 5529 5554.

67. Meier M.F. (1983). Snow and ice in a changing hydrological world , Hidrol. Sci., 28 , 1 , 3 22.75.0erlemans J. (1982). Response of the Antarctic ice sheet to a climatic warming: a model study ,J.1. Climatol, 1-11.

68. Revelle R.R.(1983). Probable future changes in sea level resulting from increased atmospheric carbon dioxide. Changing Climate , Washington , D.C. , National Acagemy Press.

69. Washington W.M. , Meehl G.A. (1983). General circulation model experiments on climatic effects due to a doubling and quadrupling of carbon dioxide concentration , J. Geophis. , Res. , 88, 6600 6610. Press.2.0

70. Washington W.M. , Meehl G.A. (1984). Seasonal cycle experiment on the climate sensitivity due to a doubling of C02 with an atmospheric general circulation model coupled to a simple mixed layer ocean model. J. Geophys. Res., 89 , 9475 9503.

71. World Climat Programme (1981). On the Assessment of the role of C02 on climate variations and their impact. Report of a WMO/UNEP/ICSU meeting of experts in Villach , Austria , November 1980 , Geneva. WMO.