Delist.ru

Моделирование и прогноз динамики льдистых берегов восточных арктических морей России (20.02.2007)

Автор: Разумов Сергей Олегович

1. Впервые обоснована функциональная связь динамики береговой криолитозоны восточных арктических морей с вариациями термической и циркуляционной составляющих климата. Разработана линейная теория динамики льдистых морских берегов, которая описывает их развитие в изменяющихся природных условиях посредством частных линейных взаимосвязей с влияющими факторами.

2. Впервые установлены и формализованы зависимости продолжительности безледного времени, положения границы дрейфующих льдов и сопротивления льдистых берегов воздействию моря от средней температуры воздуха безледного периода. В практику моделирования введен комплексный параметр - коэффициент сопротивления берегов. Новизна его заключается в том, что применительно к льдистым клифам он, в отличие от известного коэффициента размываемости Е.Г. Качугина, функционально связан с колебаниями средней температуры воздуха безледного периода.

3. Впервые количественно сформулирована связь между комплексами активных и пассивных природных факторов и темпом разрушения льдистых морских берегов. Аналитически обоснованы причины возможного вырождения термоабразии, оценена роль отдельных активных и пассивных природных факторов в развитии термоабразионного процесса.

4. Впервые количественно обоснована роль многолетнемерзлых пород в развитии термоабразии морских берегов. Выявлены закономерности взаимодействия надводных деструктивных береговых криогенных процессов с субаквальными абразионно-аккумулятивными процессами в условиях изменений климата.

5. Разработана нелинейная теория динамики льдистых морских берегов, предложена многофакторная математическая модель реакции береговой криолитозоны на изменения мерзлотно-климатических условий. В функциональную структуру модели заложена выявленная связь многолетних изменений штормовой активности моря с вариациями суммы горизонтальных составляющих сил приливного типа.

6. Впервые предложена модель реакции льдистых берегов на гидрометеорологические возмущения в масштабах времени одного разрушительного шторма. Выдвинуты принципы динамической типизации берегов арктических морей по количественному критерию, позволяющему учитывать пространственно-временные изменения динамических и соответствующих им генетических типов берегов в нестационарных климатических условиях.

7. На основе разработанной автором линейной и нелинейной теории динамики льдистых морских берегов выполнен количественный прогноз развития термоабразии берегов восточных арктических морей России на первую половину XXI в.

Защищаемые положения.

1. При повышении средней температуры воздуха безледного периода и стабильном уровне моря активность термоабразии льдистых берегов восточных арктических морей в целом существенно возрастает относительно ее средней многолетней величины, несмотря на мелководность прибрежно-шельфовой зоны.

2. Количественно оцененный вклад термического фактора (средней температуры воздуха безледного периода) в развитие термоабразии льдистых морских берегов более чем в два раза превышает интегральный вклад штормовой активности и абразионно-аккумулятивных процессов на подводном береговом склоне.

3. Многолетнемерзлые породы подводного берегового склона препятствуют формированию равновесного штормового профиля, что обусловливает более активное, чем вне криолитозоны, воздействие моря на береговой уступ.

4. Изменения во времени скорости термоабразии льдистых берегов восточных арктических морей соответствуют сопряженным во времени вариациям средней температуры воздуха безледного периода и повторяемости разрушительных штормов, выявленная функциональная взаимосвязь которых является основой для прогнозирования интенсивности термоабразионного процесса.

5. Оценка тенденций развития льдистых берегов восточных арктических морей, проведенная с помощью разработанной математической модели, показывает, что по “умеренному сценарию” предполагаемых изменений средней температуры воздуха безледного периода максимальные значения и амплитуда колебаний средней скорости термоабразии в первой половине XXI в. не превысят величин, наблюдаемых в XX столетии.

Достоверность научных положений ввиду пионерного характера работы подтверждается удовлетворительной многократной сходимостью расчетных и фактических данных при тестировании на независимом материале как отдельных линейных и нелинейных математических моделей развития термоабразии, так и результатов прогноза динамики льдистых берегов на начало XXI в.

Личный вклад автора. Диссертация основывается на материалах, собранных автором с 1984 по 2002 гг. в 21 российской и международной арктических экспедициях. Автор проводил исследования в составе морского отряда Янской геологоразведочной экспедиции (1984-1988 гг.), арктического отряда Геологического факультета МГУ (1985 г.), Института мерзлотоведения СО РАН (1989-1998 гг.), Российско-Германских экспедиций (1999-2002 гг.).

Комплексные геокриологические исследования проведены на 42 участках побережья морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, расположенных на п-ове Таймыр, в Анабаро-Оленекском секторе, Оленекском заливе, дельте р. Лены, заливе Буор-Хая, Янском заливе, на Новосибирских островах и в проливе Д. Лаптева, а также в Колымо-Индигирском секторе с Медвежьими островами и дельте р. Колымы.

Результаты теоретических исследований автора: линейная и нелинейная теории развития деструктивных береговых криогенных процессов в восточных арктических морях; многофакторная математическая модель динамики льдистых морских берегов в нестационарных климатических условиях; прогноз скорости термоабразии льдистых берегов морей Лаптевых и Восточно-Сибирского на первую половину XXI века в связи с изменениями климата Арктики. Автор глубоко признателен коллегам, помогавшим собрать и проанализировать данные: к.г.н. М.Н. Григорьеву, д.г.-м.н. В.Б. Спектору, к.г.н. В.В. Куницкому, профессорам Ф.Э. Арэ и Х.-В. Хуббертену, доктору В. Рахольду, В. Шнейдеру. Выражаю искреннюю благодарность поддержавшему меня руководству Института мерзлотоведения СО РАН и ученому секретарю диссертационного совета М.М. Шацу за советы и критические замечания при подготовке работы. Особую признательность хочу выразить профессору В.В. Шепелеву за помощь, ценные советы и конструктивные дискуссии по сути представляемой к защите диссертации.

Апробация работы. Диссертация выполнена в Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН в рамках приоритетных программ фундаментальных исследований СО РАН: 5.2.6. “Состояние криолитозоны и прогноз ее развития”, проект “Пространственно-временные закономерности развития мерзлых пород, льдов, криогенных процессов и явлений”; 24.4. “Криогенные процессы в естественных и искусственных средах. Методика мониторинга, моделирование и прогноз состояния криосферы”, проект “Процессы формирования и разрушения криолитогенных толщ”.

Исследования по теме диссертации были включены в проекты Госпрограммы 025 “Комплексные исследования океанов и морей, Арктики и Антарктики”, программ фундаментальных исследований Президиума РАН: № 14, проект 14.5. “Динамика морских берегов Российской Арктики”; № 16, проект 16.5. “Эрозия льдистых берегов арктических морей”; П-34, проект 3.1. “Криолитозона и природные процессы в прибрежно-шельфовой области полярных морей Евразии”, № 13, проект 13.3.2. “Влияние прогнозируемого потепления климата в криолитозоне Сибири на экосистемы Севера”. Кроме того, работы проводились по республиканскому проекту: “Исследование динамики разрушения льдистых берегов на северном побережье Республики Саха (Якутия), твердого выноса на шельф и прогноз развития термоабразии”, а также по проектам РФФИ: № 03-05-96093 р2003арктика и № 06-05-64384-а (руководитель С.О. Разумов); № 98-05-65506 (руководитель М.Н. Григорьев). Тема исследований разрабатывалась в Российско-Германских проектах “Система моря Лаптевых - 2000” и в двух международных проектах INTAS.

Результаты исследований были представлены: на заседании Комитета старших должностных лиц Арктического Совета “Охрана окружающей среды в Арктике” (Якутск, апрель 2005 г.); на заседании Совета “Некоммерческого Партнёрства по координации использования Северного Морского пути” (Якутск, ноябрь 2006 г.); в ряде важнейших научных достижений Института мерзлотоведения СО РАН в 2001-2006 гг. и в государственных докладах правительства РС(Я) “О состоянии окружающей природной среды Республики Саха (Якутия)” в 1998, 2000-2002 гг.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались:

на II конференции геокриологов России, г. Москва, МГУ, июнь 2001 г., доклад «Модель динамики льдистых берегов арктических морей в стационарных климатических условиях»;

на международной конференции “Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения”, г. Пущино, май 2003 г., доклад «Развитие эрозии льдистых морских берегов в условиях изменений средней летней температуры воздуха при стационарной повторяемости штормов»;

на международной конференции “Криосфера нефтегазоносных провинций”, г. Тюмень, май 2004 г., доклад «Прогноз динамики льдистых берегов восточных арктических морей на первую половину XXI века»;

на международной конференции “Приоритетные направления в изучении криосферы Земли”, г. Пущино, май, 2005 г., доклад «Принципы и численный критерий динамической типизации криогенных берегов арктических морей»;

на III конференции геокриологов России, г. Москва, МГУ, июнь, 2005 г., доклад «Реакция береговой криолитозоны арктических морей на мезомасштабные гидрометеорологические возмущения».

По теме диссертации лично автором и в соавторстве опубликовано 43 работы.

Практическое значение работы. Развивается новое направление динамической геокриологии в области исследований береговых криогенных процессов – многофакторное математическое моделирование и прогнозирование динамики льдистых морских берегов в изменяющихся природных условиях. Исследования в рамках этой диссертации придают рассматриваемой проблеме завершенность в виде научно обоснованного количественного прогноза, который можно использовать для целей рационального природопользования, навигационного обеспечения и контроля за инженерно-техническими сооружениями и коммуникациями на побережье, а также для выработки практических решений по социально-экономическим проблемам Арктики.

Структура диссертационной работы. Диссертация включает введение, 7 глав, заключение, список использованной литературы и приложение. Содержит 231 страницу, в том числе 62 иллюстрации, 24 таблицы, 1 приложение и список литературы из 200 наименований.

В главе 1 "Изученность и обзор существующих методов” рассматривается изученность динамики берегов восточных арктических морей России. Проанализированы существующие методы прогноза развития берегов морей и больших водохранилищ в криолитозоне и вне криолитозоны. Оценены возможности применения этих методов для прогнозирования динамики льдистых морских берегов.

Многофакторный процесс разрушения льдистых морских берегов очень трудно воспроизвести в лабораторных условиях. Лабораторное моделирование даже отдельных звеньев абразионного процесса не дает приемлемых результатов, которые можно было бы сравнивать с данными измерений, полученными в естественных условиях. Представляется, что более перспективны эксперименты, поставленные в естественных условиях арктического побережья. Однако постановка натурных экспериментов на побережье арктических морей весьма проблематична. Предполагается больше внимания уделять математическому моделированию и прогнозированию развития береговых криогенных процессов в связи с изменениями природных условий. Для этого необходимо располагать комплектом данных, включающим количественные оценки природных факторов, и иметь представление об их пространственно-временных изменениях.

Исследования связей динамики льдистых берегов с природными факторами проводятся с недавних времен. Поэтому естественно, что пионеры теоретических исследований береговых криогенных процессов Н.Ф. Григорьев, Ф.Э. Арэ, Г.А. Сафьянов, Л.А. Жигарев, В.А. Совершаев, С.В. Томирдиаро, В.К. Рябчун, Е.С. Гоголев, А.И. Ермолаев и другие искали объяснения активного разрушения льдистых берегов в гидродинамике и свойствах многолетнемерзлых пород. Однако термоабразионный процесс оказался более сложным, что, вероятно, может служить упреком некоторым положениям общепринятой теории развития морских берегов, основанной на материалах исследований морей умеренных и южных широт. Согласно важнейшему положению этого учения, главной причиной динамики берегов являются изменения подводного берегового склона (Зенкович, 1962). Иными словами, динамика берегов жестко увязывается с морфодинамическими процессами на подводном береговом склоне. Полагается, что в дисперсных отложениях с увеличением уклона подводного профиля должна возрастать скорость разрушения берегового уступа.

По оценкам автора, льдистые берега восточных арктических морей с очень отмелым подводным склоном (уклоны 0.0003-0.002) разрушаются в 3-7 раз быстрее менее отмелых берегов Черного моря с уклонами дна 0.002-0.02 при прочих равных условиях. Исследования динамики берегов и подводного берегового слона морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, проведенные на 12 участках соискателем и с его участием (Разумов, 2000а, б; Are et al., 2000, 2001, 2002b; Grigoriev et al., 2001), показали, что упомянутые закономерности рассматриваемого учения в применении к восточно-арктическому побережью не соответствуют действительности. Скорость отступания льдистых берегов очень мало зависит от уклонов подводного берегового склона (рис. 1). Ранее было установлено незначительное влияние уклонов подводного берегового склона на скорость термоабразии льдистых берегов моря Бофорта (Hequette, Barnes, 1990).

Рис. 1. Соотношения уклонов дна и среднемноголетней скорости отступания берегов восточных арктических морей, сложенных породами ледового комплекса.

Российско-Германские исследования западного побережья дельты р. Лены (Are et al, 2002), показали, что положение песчаных берегов барьерных островов стабильно в течение последних 32 лет. Однако форма профиля подводного склона здесь не оставалась постоянной в течение этого времени. Уклоны в его верхней части увеличились примерно в 5 раз. Приведенные расхождения с общепринятым учением о развитии морских берегов требуют более тщательного и детального изучения влияния мерзлых пород на динамику береговых уступов.

Примеры математического моделирования береговых процессов можно найти в работах отечественных исследователей (Качугин, 1961, 1975; Кирлис, 1968; Бертман и др., 1971; Попов, 1981; Шадрин, 1981; Есин, 1981; Арэ, 1985; Новичихин, 1987; Косьян, Пыхов, 1991; Павлидис, Леонтьев, 2000; Леонтьев, 2002). Представлены они также в ряде зарубежных публикаций (Bruun, 1954; Hanson, Kraus, 1986, 1989; Watanabe et al, 1986; Tsujimoto, Hayakawa, 1986; Larson, Kraus, 1989; Bodge, 1992; Dean, 1997; Komar, 1998; Thieler et al., 2000). Подавляющее количество исследований с применением моделирования проведено вне области криолитозоны, т.е. без учета специфики развития льдистых морских берегов. Задачи по прогнозированию отступания берегов решаются в основном путем измерений движения донных наносов в естественных и лабораторных условиях, а также разработки методов расчета по параметрам волнения и потокам наносов с учетом изменений уровня моря (Косьян, Пыхов, 1991; Леонтьев, 2002). Кроме указанных направлений существуют методы аналитической геометрии, с помощью которых формирование предельного профиля подводного берегового склона увязывается со скоростью углубления дна и скоростью относительных изменений уровня моря (Есин, 1981; Есин и др., 1981).

Для восточных арктических морей, в связи с наличием мерзлых пылеватых пород, слабой изученностью динамики берегов и проблемами определения внешней границы подводного берегового склона (Are et al., 1999) прогнозирование такими методами выполнить нереально. Как отмечает Ф.Э. Арэ (1985), пылеватость и избыточная льдистость слагающих берега пород препятствует формированию предельного профиля. Кроме того, в исходной постановке задач климатические условия остаются неизменными в течение прогнозируемого интервала времени, что далеко от действительности.

Некоторые ученые большое внимание уделяют измерениям профиля дна в береговой зоне в естественных и лабораторных условиях для вывода математических уравнений, описывающих его форму (Komar, 1998). Базовым понятием этого подхода является профиль равновесия подводного берегового склона, который формируется при постоянном уровне моря и, по определению П. Брюна (Bruun, 1954), представляет собой среднестатистический профиль, сохраняющий свою форму на фоне колебаний, обусловленных изменениями волнового режима. Профиль равновесия подводного берегового склона отступающих берегов, сложенных рыхлыми породами, при решении прикладных задач обычно описывается уравнением, которое связывает его форму с крупностью донных наносов (Bruun, 1954; Are et al., 2001). Чем крупнее наносы, тем больше уклон дна. Таким образом, форма профиля подводного берегового склона определяется гранулометрическим составом пород и гидромеханическим воздействием на них. Формирование равновесного профиля в качественном отношении следует классической схеме Зенковича - Брюна: интенсивный размыв берегового уступа с отложением продуктов размыва на подводном береговом склоне. Математическое описание формы профиля равновесия служит основой современных расчетных методов прогноза отступания берегов (Thieler et al., 2000).

Основным предметом исследований в диссертации являются берега, сложенные рыхлыми многолетнемерзлыми породами, включающими массивные льды. Для льдистых морских берегов зависимость крупности наносов от глубины на подводном склоне выражена чрезвычайно слабо (Груздева и др., 2004). Поэтому формулы, описывающие равновесный профиль подводного склона с учетом изменений крупности донных отложений по глубине, нельзя применять для районов распространения ледового комплекса. Зависимость подвижности донных наносов от интенсивности волнения проявляется только для достаточно крупных частиц, поведение которых в водном потоке определяется силой тяжести. В связи с этим теория развития морских берегов оперирует понятием «наносов волнового поля», к которым относятся пески и более крупнозернистые разности, т.е. частицы крупнее 0.05 мм. Следовательно, в формировании равновесного профиля подводного берегового склона, сложенного рыхлыми наносами, участвуют только пески и более крупнозернистые отложения.

В рассматриваемых районах арктических морей береговые уступы и подводный склон сложены в основном тонкодисперсными пылеватыми породами с подавляющим преобладанием частиц размером менее 0.05 мм (Томирдиаро и др., 1978; Томирдиаро, Черненький, 1987; Куницкий, 1998; Разумов, 2000б). Доля наносов волнового поля здесь весьма мала. В процессе отступания таких берегов в рыхлых мерзлых породах вырабатывается слабонаклонная поверхность - глинисто-алевритовый бенч. Он обычно покрыт активным слоем тонкодисперсных осадков, содержащих до 79-93% алевритовых и глинистых частиц. Следовательно, классическое понятие “профиль равновесия” неприменимо к изучаемым берегам.

загрузка...