CC BY
30
ТЕОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ
УДК: 551.509:624.159
А.В. Кислов1, В.И. Гребенец2, В.М. Евстигнеев3, В.Н. Конищев4,
с С п
М.В. Сидорова5, Г.В. Суркова6, Н.В. Тумель7
ПОСЛЕДСТВИЯ ВОЗМОЖНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ КЛИМАТА В XXI веке
НА СЕВЕРЕ ЕВРАЗИИ8
Выполнен анализ влияния потепления климата на Севере России на природную среду и геотехническую безопасность объектов в криолитозоне. Проведена верификация климатических моделей. Результаты моделирования показали, что увеличение теплообеспеченности будет наиболее заметно в высоких широтах и произойдет за счет повышения значений температуры холодного периода; в целом уменьшится увлажнение территории, резко дифференцируется реакция гидрологического режима на глобальные изменения климата. Произойдет существенное увеличение деформации зданий и сооружений за счет снижения несущей способности вмороженных фундаментов и увеличения сил морозного пучения.
Ключевые слова: потепление климата, моделирование, увлажнение территории, годовой сток, деградация мерзлоты, деформация объектов, север Евразии.
Введение. Глобальное потепление приводит к изменениям состояния тех природных ресурсов (страны, региона), которые зависят от климата. Будем называть их климатически обусловленными природными ресурсами (КоПР). Они включают энергетические ресурсы (в том числе гидроэнергетические и ветроэнергетические, затраты тепла на обогрев и вентиляцию помещений), водные ресурсы (объем речного стока выступает в качестве оценки потенциала водных ресурсов), агроклиматические ресурсы, экологические ресурсы (в том числе связанные с уровнем заболеваемости), рекреационные ресурсы, территориальные ресурсы и др. Можно говорить и о воздействии изменений климата на климатозави-симые отрасли хозяйства (КзОХ): лесное, рыбное, охотничье хозяйство; гидро- и нетрадиционная энергетика, коммунальное хозяйство (затраты на отопление/охлаждение), водный и отчасти автомобильный транспорт, рекреация и туризм. Динамика КоПР и КзОХ зависит как от экономического планирования, так и от изменений климата. В статье исследуется климатический компонент этих изменений.
Прогноз состояния КоПР и КзОХ — новое научное направление [2, 6]. Для его реализации требуется
решение следующих задач: 1) моделирование и прогноз климата в рамках сценариев динамики парниковых газов; 2) количественное выражение ресурсов в терминах переменных, надежно воспроизводимых климатическими моделями. В статье рассмотрены принципиальные связи между состоянием различных величин, играющих ключевую роль при определении ресурсов и антропогенно обусловленных потеплением климата в XXI в.
Проблема прогнозирования климата решается в настоящее время на основе данных математических моделей общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАиО). Результаты наиболее передовых разработок в этой области объединены в рамках проекта CMIP3 (Coupled Model Intercomparison Project), выполняемого под эгидой Всемирной программы исследования климата WCRP (World Climate Research Program). Количественная оценка большинства КоПР и КзОХ выполняется на основе сведений о температуре воздуха и количестве осадков, поскольку фактически только эти поля, представляют собой надежный продукт моделирования климата [2]. Данные CMIP3 использованы в статье для оценки возможных изменений климатических ресурсов в текущем столетии
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, заведующий кафедрой метеорологии и климатологии, профессор, e-mail: avkislov@mail.ru
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра криолитологии и гляциологии, доцент, e-mail: vgreb@inbox.ru
3 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра гидрологии суши, профессор, e-mail: hydro@geogr.msu.ru
4 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, заведующий кафедрой криолитологии и гляциологии, профессор, e-mail: vkonish@mail.ru
5 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра гидрологии суши, аспирантка, e-mail: iskra_si@mail.ru
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра метеорологии и климатологии, доцент, e-mail: galina.surkova@gmail.com
7 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра криолитологии и гляциологии, доцент, e-mail: ntumel@mail.ru
8 Работа выполнена при финансовой поддержке Государственного контракта и программы поддержки ведущих научных школ РФ (НШ-3271.2010.5) и Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 10-05-00434).
Рис. 1. Оценка квантилей выборочной суммы осадков теплого периода 1961—1989 гг., представленная
в виде меридионального разреза вдоль 50° в.д.
воспроизведения моделью каждого показателя для современного (базового) периода. Эта методика позволила отобрать надежные модели (см. их перечень выше), которые использованы в качестве статистического ансамбля для повышения точности результатов.
Изменения тепло-
для двух крупнейших равнин России — ВосточноЕвропейской и Западно-Сибирской. Выбор именно обширных равнинных территорий обусловлен тем, что данные климатических моделей здесь гораздо надежнее по сравнению с горными областями, районами побережий, архипелагами и др.
Материалы и методы. Оценка изменения климатических ресурсов в середине XXI в. (2046—2065) выполнена по ансамблю результатов расчетов одиннадцати МОЦАиО: CCSM3 (США), CGCM3.1 (Канада), CNRM-CM3 (Франция), CSIRO-Mk3.0 (Австралия), ECHAM5/MPI-OM (Германия), GFDL-CM2.0, GFDL-CM2.1 (США), MIROC3.2, MRI-CGCM2.3.2А (Япония), PCM (США), INM (Россия) для сценария выбросов примесей в атмосферу (А2), отражающего наименее благоприятное с экологической точки зрения антропогенное воздействие человека на окружающую среду [7]. В качестве базового периода для оценки изменений климата в соответствии с рекомендациями Всемирной метеорологической организации приняты 1961—1990 гг. Прогнозируемое изменение какой-либо величины Х рассматривается как отклонение ее среднего многолетнего модельного значения в прогностический период от среднего многолетнего модельного значения в базовый период (в некоторых случаях вместо аномалии используется отношение величин):
ДА™ (2046 - 2065) = Xм (2046 - 2065) -Xм (1961 -1990).
Результирующая прогностическая величина оценивается как
X(2046-2065) = AZM (2046 - 2065)+Х°Ы (1961 -1990),
где последнее слагаемое — среднее многолетнее значение в базовый период по данным наблюдений.
Стадии прогнозирования обязательно предшествовала верификация данных каждой модели. Она выполнялась в несколько этапов [2], включающих сравнение сеточных модельных средних и дисперсий с данными станционных наблюдений, интерполированных на ту же сетку; сопоставление пространственно-временной изменчивости — реальной и модельной — путем использования разложения полей по естественным ортогональным составляющим; наконец, перед прогнозированием проверялось качество
обеспеченности и условий увлажнения. Полученные результаты свидетельствуют, что прогнозируемое в ответ на потепление увеличение теплообеспеченности, наиболее заметное в высоких широтах, происходит в основном за счет смягчения значений температуры холодного периода. В целом значительно возрастают продолжительность вегетационного периода и количество осадков, выпадающих при положительной температуре воздуха, т.е. преимущественно в жидком виде.
Эти данные, характеризующие изменения средних многолетних условий, достаточно надежны, что было подтверждено путем тщательной верификации модельных данных [2]. Однако к прогнозу экстремальных климатических величин следует относиться с осторожностью, о чем свидетельствует выполненный анализ функций распределения моделируемых температуры воздуха и количество осадков. Пример недооценки естественной межгодовой изменчивости и неточности оценки функции распределения в целом для суммы количества осадков в теплый период показан на рис. 1. Подобные результаты получены и для количества осадков в холодный период. Температура воздуха воспроизводится моделями лучше, хотя даже для средней годовой температуры воздуха отклонение экстремумов от средних занижается моделями в несколько раз.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что для будущего климата количественная оценка экстремумов метеорологических величин и показателей, рассчитываемых на их основе, требует разработки дополнительных методик интерпретации результатов моделирования.
В качестве примера комплексной оценки изменения термогидродинамических условий продемонстрируем изменение гидротермического коэффициента ГТК—индекса Селянинова, который рассчитывается как отношение суммы осадков за некоторый период к 0,1 от суммы значений температуры воздуха за то же время: ГТК = Х^/0,Ш>10°с.
Эмпирически установлено, что разной степени увлажнения соответствуют следующие градации ГТК: ГТК<0,4 — очень сильная засуха; 0,4<ГТК<0,5 — сильная засуха; 0,5<ГТК<0,7 — среднезасушливо; 0,7<ГТК<1,0 — недостаточно влажно; 1,0<ГТК<2,0 — достаточно влажно; ГТК>2,0 — переувлажнено.
В.Д.
Рис. 2. Тенденции изменения повторяемости различных градаций ГТК в 2046—2065 гг. на фоне зоны современной (1961—1990) повторяемости 30% и более засушливых (серая заливка) и очень засушливых (штриховка) лет. Направление треугольников (вверх или вниз) свидетельствует о соответственном увеличении или уменьшении показателя: 1 — переувлажнение, ГТК>2; 2 — норма, 1<ГТК<2;
3 — засушливо, 0,5<ГТК<1; 4 — очень засушливо, ГТК<0,5
Результаты ансамбля моделей свидетельствуют (рис. 2) о том, что прогнозируемое увеличение продолжительности вегетационного периода и средней температуры воздуха за этот период наряду с изменением режима осадков в середине XXI в. может привести к снижению повторяемости нормальных (с точки зрения увлажнения) лет на юге Восточно-Европейской равнины. Одновременно заметно возрастет повторяемость засушливых и очень засушливых лет, что может еще больше увеличить риск ведения многих сельскохозяйственных работ. В то же время на севере, напротив, можно ожидать возрастания вероятности лет с нормальным (по ГТК) увлажнением.
Прогнозирование величин норм годового стока и слоя стока весеннего половодья в условиях глобального потепления. Оценка изменений годового стока позволяет рассчитать изменения энергетического потенциала и величину общего потенциала водных ресурсов. Величина стока непосредственно рассчитывается в климатических моделях, однако этот продукт моделирования невозможно использовать в практических целях из-за больших неточностей. Поэтому было необходимо разработать метод косвенной оценки нормы годового стока. Поскольку модельно воспроизводимые величины влагосодержания почвы и испарения (Е) также содержат большие ошибки, пришлось использовать следующее выражение водного баланса, базирующееся только на хорошо верифицированных модельных данных о температуре (Т) и количестве осадков (Р):
У = Р - Е = Р - Е(Р, Е0).
В этом выражении У — «климатический» сток, а испарение вычисляется как функция от количества осадков и величины потенциально возможного испарения (испаряемости Е0), причем последняя величина тоже зависит от количества осадков и температуры. Прежде всего следовало убедиться, что климатический сток соответствует истинному значению «гидротермического» стока (у). Проверка, основанная на сопоставлении данных наблюдений, показала, что
между у и У существует тесная связь (коэффициент корреляции равен 0,97), смещение очень мало, а само регрессионное выражение близко к биссектрисе. Для расчета испарения использован метод Мезенцева, согласно которому
Е = е ■ Р, е = I (1 + 1")-1/" (п = 3,8), I = Е0/Р, Е0 = 6,727-0, [2, 7].
В последнем выражении Т0 — сумма положительных среднемесячных значений температуры. Эмпирический коэффициент и значение показателя п подобраны методом наименьших квадратов. При этом оказалось, что они получаются практически одинаковыми для речных бассейнов, расположенных в разных природных условиях (степь, широколиственный лес, смешанный лес, тайга, лесотундра, тундра). Эта идентичность очень важна, так как позволяет использовать указанные уравнения при анализе реакции водных бассейнов, расположенных в разных природных зонах, на изменения климата.
Верификация для современного климата, осуществленная для речных бассейнов и административных единиц территории, показала, что поле 70 воспроизводится моделями надежно: коэффициент корреляции составляет 0,95-0,98 (по ансамблю моделей он получается равным 0,97), причем уравнение регрессии практически не содержит систематического сдвига. Количество осадков воспроизводится не так хорошо: коэффициент корреляции равен 0,88 и ансамбль моделей систематически занижает количество осадков. Этот эффект проявляется в занижении модельного стока (ут) по сравнению с данными наблюдений (у) для современного периода, использованного для верификации метода; уравнение регрессии имеет вид: у = 1,53ут + 20, а коэффициент корреляции составляет 0,91.
Кажется, что этот факт делает невозможным какое-либо продолжение работы в данном направлении, поскольку ясно, что если модели не в состоянии воспроизвести современный климат, то нет уверенности в том, что они способны воспроизвести климат будущего. Естественно, что если современные условия моделируются успешно, то это также не является достаточным условием для уверенности в том, что модели будут правильно работать в измененных климатических условиях, но по крайней мере выражает некоторое «необходимое условие».
Чтобы выйти из такой ситуации, был использован следующий достаточно неожиданный результат моделирования [8]. Обнаружено, что модельные поля значений температуры и количества осадков, относящиеся к различным срезам (современному, середине и концу столетия), очень хорошо пространственно скоррелированы. Для Т0 коэффициенты корреляции составляют 0,99, а для осадков — 0,94-0,98. Такое сходство полей позволяет при рассматрении аномалии или отношения практически полностью ликвидиро-
Рис. 3. Прогноз изменений нормы годового стока рек Восточно-Европейской равнины и Западной Сибири (в долях от современных величин) по ансамблю 11 моделей СМ1Р3 на середину XXI в.
вать систематические ошибки, присутствующие в модельных полях.
Таким образом, в результате применения развитой методики получены поля коэффициентов Ку = Урю/Уь^е, представляющие собой отношение прогнозируемой величины стока к его значению в базовый период.
На рис. 3 прежде всего видна резко различная региональная реакция гидрологического режима на глобальные изменения климата. В Западной Сибири изменения, причем сравнительно небольшие, наблюдаются лишь в южных районах, в то время как северные районы и центральная часть практически не испытывают статистически значимых изменений. На Восточно-Европейской равнине ситуация иная: объем речного стока остается практически неизменным на севере и резко (на 40—60%) уменьшается в южных регионах.
Прогноз изменения инженерно-геокриологических параметров и увеличение деформаций объектов при деградации вечномерзлых оснований. В последние десятилетия многократно возросли природные риски в пределах селитебных и индустриальных территорий криолитозоны, связанные со снижением надежности зданий и сооружений [4], что выразилось в развитии массовых деформаций во многих индустриальных регионах и населенных пунктах Крайнего Севера. Деформации вызваны комплексом причин [1], среди которых важнейшее значение в современный период принадлежит развивающемуся потеплению климата, причем природные мерзлотные ландшафты реагируют на этот процесс неоднозначно [3]. При повышении температуры поверхности на хозяйственно освоенных территориях (где, как правило, отсутствуют
естественные защитные мохово-торфяные покровы) происходит отепление мерзлых толщ, что вызывает развитие ряда деградационных тенденций в вечно-мерзлых грунтах [1]. Во-первых, несущая способность вмороженных фундаментов уменьшается (ослабевают силы смерзания, т.е. сопротивление сдвигу; уменьшается площадь смерзания при увеличении глубины сезонного оттаивания); во-вторых, при увеличении глубины сезонно-талого слоя более обширной становится зона воздействия касательных сил морозного пучения, которые проявляются в период промерзания этого слоя (вторая половина осени — начало зимы).
Расчет температурного режима вечномерзлых грунтов и глубины сезонного протаивания на 2030 и 2050 гг. базировался на решении нестационарной задачи теплопроводности с учетом подвижной границы раздела фаз. Граничными условиями на поверхности приняты ансамблевые данные моделирования климата на сетке 2x2° широты и долготы. С помощью этой методики и на основе алгоритомов расчетов, предлагаемых национальными нормативными документами [5], осуществлен прогноз изменения основных инженерно-геокриологических параметров (несущая способность вмороженных свай и воздействие касательных сил морозного пучения в сезонно-талом слое) для нескольких регионов.
На рис. 4 и 5 представлены данные для севера Западной Сибири, отчетливо видно значительное ухудшение инженерно-геокриологической ситуации — снижение несущей способности вмороженных фундаментов и заметное увеличение негативного воздействия на малонагруженные опоры морозного пучения. В более северных регионах геотехническая
Рис. 4. Изменение несущей способности одиночной типовой вмороженной сваи при сохранении трендов к потеплению (2000—2050) климата на севере Западной Сибири. Несущая способность сваи в различных типах грунтов (торф, суглинок, песок в 2000, 2030 и 2050 гг.)
обстановка ухудшится меньше. Однако рост глубины сезонного оттаивания в этих регионах может спровоцировать резкую активизацию термокарста (здесь широко и близко к поверхности залегают мощные пластовые льды) и опасных криогенных оползней, что, несомненно, усилит разрушение дорог, трубопроводов и др.
Заключение. В предположении, что потепление климата в ближайшее столетие будет происходить в соответствии со сценарием 1РСС А2, выполнена комплексная оценка последствий потепления климата на севере Евразии. Поскольку этот сценарий представляет «жесткий» вариант антропогенного воздействия на климат, то результаты надо рассматривать как оценку «сверху».
Потепление в XXI в. приведет к важному для сельского хозяйства увеличению теплообеспеченно-сти, вследствие чего увеличится продолжительность вегетационного периода. Сдвиг агроклиматических зон приведет к развитию тенденции к замещению типов растительности, в том числе к изменению набора сельскохозяйственных культур. Повышение теплообеспечнности будет способствовать росту биоресурсов лесных экосистем.
Повышение температуры на севере Евразии приведет к увеличению природных рисков на селитебных и индустриальных территориях криолитозоны, связанных со снижением надежности зданий и сооружений. Положительный момент здесь — сокращение на севере ВЕР в середине века продолжительности отопительного периода до 1 месяца и более.
В XXI в. увлажнение на всей ВЕР будет в целом уменьшаться по сравнению с современным периодом, однако этот процесс сильно территориально и сезонно дифференцирован. Рассматриваемый процесс означает лишь некоторую тенденцию к росту засушливости в зоне достаточного увлажнения, а для зон, относящихся в современных условиях к классам
Рис. 5. Увеличение сил касательного морозного пучения, воздействующего на стандартные металлические опоры надземных объектов, при сохранении трендов к потеплению климата (2000—2050) на севере Западной Сибири. Изменение касательных сил морозного пучения круглой стандартной сваи в различных типах грунтов (суглинок, песок) в 2000, 2030 и 2050 гг.
средней засушливости и недостаточного увлажнения, ситуация будет более напряженная, так как здесь ожидается увеличение сильных и очень сильных засух. Вклад в этот процесс вносят и повышение температуры и уменьшение количества осадков. Перестройка к ландшафтным условиям полупустынь и пустынь не может произойти столь же быстро, как ожидаемые через несколько десятков лет изменения климата, однако тенденция к этому прослеживается четко. В зоне избыточного увлажнения произойдут незначительные изменения водных ресурсов, а в зоне дефицита ожидается их сильное снижение, вплоть до катастрофического (в 2—3 раза), на южных окраинах.
Влияние климатических изменений речного стока на гидроэнергоресурсы скажется в гораздо меньшей степени, чем на водообеспеченности. Общее понижение местного стока на южной половине ВосточноЕвропейской равнины, по-видимому, негативно повлияет на перспективы малой гидроэнергетики, впрочем, пока не очень ясной. Снижение ее возможностей должно было бы увеличить шансы большего использования ветровых ресурсов в развитии местного автономного энергообеспечения. Однако прогнозируемые изменения ветрового режима не демонстрируют появления новых возможностей для масштабного использования ветроэнергетических ресурсов на большей части ВЕР.
Соотношение прогнозных оценок показывает, что снижение объемов весеннего половодья будет значительно сильнее, чем годового стока.
В заключение обратимся к методике прогнозирования. Оставляя в стороне обсуждение проблемы ненадежности и условности сценариев антропогенного влияния на глобальный климат, следует отметить, что представленные результаты, относящиеся к одному сценарию, получены на пределе точности. Поэтому необходимо совершенствовать
главный инструмент прогнозирования — климатические модели, обеспечивая повышение качества воспроизводимых климатических полей. Этого требует и необходимость расширения номенклатуры надежно вычисляемых показателей, в том числе за счет включения в выходные данные практического использования модельных экстремальных значений. Совершенствование моделей предполагает не только их реализацию с детальной разрешающей способностью, совершенствование моделирования
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гребенец В.И. Негативные последствия деградации мерзлоты // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2007. № 3. С. 18-21.
2. Кислое А.В., Евстигнеев В.М., Малхазова С.М. и др. Прогноз климатической ресурсообеспеченности ВосточноЕвропейской равнины в условиях потепления XXI века. М.: Макс-Пресс, 2008. 292 с.
3. Конищев В.Н. Реакция вечной мерзлоты на потепление климата // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2009. № 4. С. 10-19.
4. Природные опасности. Геокриологические опасности / Под ред. Л.С. Гарагули, Э.Д. Ершова. М.: Крук, 2000. 316 с.
физики протекающих процессов, но одновременно с этим развитие средств тестирования модельных данных.
Авторы выражают признательность научным коллективам по моделированию климата программы PCMDI (Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison) и рабочей группе по совместному моделированию атмосферы и океана WGCM (Working Group on Coupled Modelling) за возможность использования данных МОЦАиО проекта CMIP3.
5. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990. 64 с.
6. Стратегический прогноз изменений климата Российской Федерации на период до 2010—2015 гг. и их влияния на отрасли экономики России. М.: Росгидромет, 2005. 28 с.
7. Сценарии выбросов. Резюме для лиц, определяющих политику. Специальный доклад рабочей группы III МГЭИК. 2000. 21 с.
8. Kislov A.V., Evstigneev V., Surkova G. Experience of the forecast of water and power resources changes at warming of the XXI century // Scie in China. Ser. E: Technol. Sci. ISSN 10069321. 2009. Vol. 52, N 11 DOI 10.1007/s11431-009-0372-1.
Поступила в редакцию 25.05.2010
A.V. Kislov, V.I. Grebenets, V.M. Evstigneev, V.N. Konishchev, M.V. Sidorova, G.V. Surkova, N.V. Tumel'
EFFECTS OF POSSIBLE CLIMATE WARMING IN THE 21st CENTURY FOR NORTHERN EURASIA
Changes in climate-related natural resources which could occur within the East-European Plain and Western Siberia under the influence of climate change in the 21st century are discussed. A methodology of forecast for climate-related natural resources and climate-dependent sectors of economy is described.
Agriculturally important climatic resources are evaluated as well as specific parameters of the heating period. Possible transformation of perennially frozen grounds under the global warming is forecasted. Engineering-geocryological parameters were calculated; effects of changes in the carrying capacity of refrigerated piles and the intensity of cryogenic heaving were estimated. Changes of water resources and hydropower under the global warming were analyzed. The forecast of changes in the annual runoff and the evaluation of spring flood volume are of primary importance.
Key words: climate, the 21st century, Northern Eurasia.
