авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |

Моделирование и прогноз динамики льдистых берегов восточных арктических морей россии

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Разумов Сергей Олегович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗ ДИНАМИКИ ЛЬДИСТЫХ БЕРЕГОВ ВОСТОЧНЫХ АРКТИЧЕСКИХ МОРЕЙ РОССИИ

Специальность 25.00.08 – инженерная геология, мерзлотоведение

и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора географических наук

Якутск 2007

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН

Официальные оппоненты доктор географических наук

Александр Владимирович Павлов

доктор географических наук, профессор

Светлана Кирилловна Аржакова

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Георгий Захарович Перльштейн

Ведущая организация Институт криосферы Земли СО РАН

Защита состоится 16 мая 2007 г. в 9.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 003.025.01 при Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН по адресу: 677010, Якутск, ул. Мерзлотная, 36, Институт мерзлотоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН.

Оригиналы отзывов на автореферат, заверенные печатью учреждения, просьба направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета Марку Михайловичу Шацу.

Копии отзывов для скорой доставки можно направлять по Факсу: 8-4112-334-476 или электронной почтой: mpi@ysn.ru.

Автореферат разослан 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

к.г.н. М.М. Шац

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Предлагаемая тема относится к приоритетному направлению фундаментальных научных исследований и отражает некоторые аспекты международной проблемы роли Арктики в формировании планетарных процессов. Многие международные научные организации, объединенные межправительственной программой по окружающей среде (UNEP), отмечают необходимость изучения влияния климатических изменений на природные процессы в Арктике.

В восточном секторе российской Арктики широко распространены деструктивные береговые криогенные процессы. Термоабразия берегов здесь - масштабное явление, поскольку около одной трети общей протяженности береговой линии изучаемого региона побережья (4080 км) представлено береговыми уступами, сложенными весьма неустойчивыми к воздействию моря породами ледового и озерно-термокарстового комплексов (Григорьев и др., 2006). На побережье Северного Ледовитого океана упомянутые отложения встречаются главным образом в пределах восточных арктических морей. Такие берега отличаются высокими скоростями разрушения и продуцируют большое количество поступающих в моря наносов: по разным оценкам - до 130-153 млн. тонн обломочного материала ежегодно, в том числе более 4 млн. тонн органического углерода (Григорьев и др., 2006). В рассматриваемом регионе береговая составляющая привносимых в море терригенных осадков в несколько раз превышает твердый речной сток, что, по существу, меняет подходы к изучению формирования баланса наносов на арктическом шельфе.

Вместе с тем реакция льдистых берегов арктического побережья на изменения мерзлотно-климатических условий количественно не изучена. Различными методами исследовано менее 5% общей протяженности береговой линии морей Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского. В условиях интенсивного освоения и изменчивости климата Арктики изучение динамики льдистых берегов и прогнозирование скорости их разрушения приобретают особое значение. Пока мы не научимся количественно предсказывать реакцию криогенных систем этого региона на изменения климатических условий, последствия данных процессов для природного комплекса и хозяйственных объектов будут всегда неожиданны.

Разработка многофакторных моделей открывает перспективы для достаточно обоснованного прогнозирования темпов деградации морских берегов криолитозоны. В условиях относительной недоступности и высокой стоимости экспедиционных работ в Арктике, это, по-видимому, наиболее эффективный и малозатратный способ оценки и контроля активности береговых криогенных процессов и их последствий.

Теоретические проблемы, рассматриваемые в работе, касаются многофакторного математического моделирования и прогнозирования деструктивных береговых криогенных процессов в восточных арктических морях. В мировой теории и практике моделирования и прогнозирования рассматриваемых процессов пока не существует отработанных методик, способных формализовать нетривиальные связи между климатическими, мерзлотно-геологическими, морфологическими и динамическими характеристиками системы «атмосфера - море - береговая криолитозона». В представленной работе делается попытка решить эту ключевую проблему аналитической динамики льдистых берегов. Для этого необходимо было разработать методологию исследований, которая позволяла бы аналитически сформулировать связи между основными природными факторами и активностью деструктивных береговых криогенных процессов, выявить закономерности их пространственно-временной изменчивости в связи с вариациями мерзлотно-климатических условий. Решение этих задач составляет теоретическую основу для разработки прогноза развития термоабразии морских берегов в XXI в.

Объект исследований – побережье морей Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского с береговыми уступами, сложенными льдистыми дисперсными отложениями и активно разрушающимися в современных природных условиях.

Предмет исследований – развитие современных деструктивных береговых криогенных процессов на побережье восточных арктических морей России в изменяющихся мерзлотно-геологических, геоморфологических и климатических условиях. Рассматриваются в основном термоабразия и термоденудация. В качестве мерзлотно-геологических факторов развития указанных процессов в представленной работе приняты льдистость, температура и механический состав мерзлых пород, форма и размеры массивных подземных льдов и полигонов. Геоморфологические факторы - высота и экспозиция береговых уступов, рельеф подводного берегового склона и глубина моря в его пределах; климатические - повторяемость штормов морских румбов с ветровыми нагонами и средняя температура воздуха безледного периода, включающего июль, август и сентябрь. Методы исследований: натурные и дистанционные исследования развития деструктивных береговых криогенных процессов, а также климатических, мерзлотно-геологических, геоморфологических, гидродинамических характеристик природных условий; комплексный анализ сопряженных в пространстве и времени собственных и опубликованных данных по перечисленным характеристикам; формализация закономерных связей между темпом разрушения льдистых берегов и природными факторами с помощью математических средств. Методологический подход: принципы математического моделирования и прогнозирования динамики льдистых морских берегов основываются на предлагаемой концепции разделения климатической (множество активных факторов) и субстратной (множество пассивных факторов) составляющих процесса термоабразии. Первая составляющая отвечает за потенциальную способность моря разрушать берега, вторая – за потенциальную способность клифов сопротивляться воздействию моря. Активные и пассивные факторы объединяются функциональными зависимостями внутри своих факторных множеств. В результате получены два интегральных параметра, которые функционально связаны с темпом разрушения берегов.

Цель и задачи исследований. Цель работы – выявление закономерностей развития деструктивных криогенных процессов на арктическом побережье и количественная оценка реакции береговых криогенных систем на комплексное воздействие климатических, геокриологических, геоморфологических и гидродинамических факторов, разработка прогностической модели динамики льдистых морских берегов в связи с предполагаемыми изменениями климата в XXI в.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) оценить возможности применения существующих методов прогнозирования динамики берегов морей и больших водохранилищ к льдистым берегам арктических морей;

2) проанализировать мерзлотно-геологические, геоморфологические, гидродинамические и климатические факторы динамики берегов и их роль в развитии деструктивных криогенных процессов на изучаемых участках арктического побережья;

3) формализовать активное воздействие моря на льдистые береговые уступы и их способность сопротивляться этому воздействию в различных климатических, мерзлотно-геологических и морфологических условиях;

4) изучить взаимодействие деструктивных береговых криогенных и субаквальных абразионно-аккумулятивных процессов в условиях климатических колебаний. Оценить роль криогенных факторов в динамике морских берегов;

5) обосновать функциональную структуру прогностической модели динамики криогенных берегов в нестационарных климатических условиях таким образом, чтобы она описывала реакцию льдистых берегов на сопряженные во времени вариации термической и циркуляционной составляющих климата, а также учитывала пространственные изменения геокриологических и морфологических характеристик;

6) выполнить прогноз темпов разрушения наиболее активных участков льдистых берегов восточных арктических морей на первую половину XXI в. по двум сценариям предполагаемых изменений климата.

Научная новизна работы.

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.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.