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:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 |

Моделирование и прогноз динамики льдистых берегов восточных арктических морей россии

-- [ Страница 5 ] --

Изменения устойчивости льдистых берегов к воздействию моря связаны с вариациями средней температуры воздуха безледного периода, мерзлотных характеристик и термодинамического состояния. Параметр неустойчивости льдистых берегов () зависит от средней летней температуры пород в слое годовых амплитуд (T), плотности льдистых дисперсных отложений () и степени расчлененности клифов по жильным льдам (n) в процессе термоденудации. Температура пород является функцией энтропии (), плотность - суммарной льдистости (), а степень расчлененности - средней температуры воздуха безледного периода. Зависимость предложено назвать уравнением состояния льдистых берегов. Получена его дифференциальная форма в виде однородного линейного уравнения:

, (9)

где ; Т (C)-1 и (кг/м3)-1 - постоянные коэффициенты; C - теплоемкость мерзлых пород.

Уравнение (9) решено относительно средней температуры воздуха безледного периода и макрольдистости пород с краевыми условиями: , ; , . Получена система нелинейных уравнений:

, (10)

, (11)

позволяющая определять параметр неустойчивости берегов по средней температуре воздуха безледного периода и при любой макрольдистости отложений (рис. 9). Для сравнения проинтегрировано линейное уравнение неустойчивости льдистых берегов (Разумов, 2003):

(12)

при макрольдистости пород и начальном условии . Уравнение (12) описывает изменения параметра неустойчивости в связи с многолетними колебаниями средней температуры воздуха безледного периода, не учитывая термодинамические процессы. Результаты его интегрирования показаны точками и пунктирной линией. Они хорошо ложатся на кривую 2 в интервале температур от отрицательных значений до 4 °C. Предположительно в этом интервале термодинамические процессы не оказывают заметного влияния на устойчивость береговой криогенной системы.

Рис. 9. Зависимость параметра неустойчивости () от средней температуры безледного периода (ТЛ) и макрольдистости пород (L). Начальные условия: °C; 1 - , ; 2 - , ; 3 - , .

Дальнейший рост температур сопровождается резким усилением влияния возрастающей энтропии льдистых пород на параметр неустойчивости, изменения которого в этом случае невозможно описать с помощью линейного уравнения. С увеличением льдистости пород кривизна линий, отраженных на графике, заметно возрастает, особенно при температурах выше 4 °C. В этих условиях разрушение сильно льдистых береговых систем может развиваться по катастрофическому сценарию. По наблюдениям автора в районе мыса Крестовского в 1990-1993 гг., скорость термоабразии при средней температуре воздуха безледного периода равной 4.2 °C на отдельных участках берега высотой 1-4 м достигали 20-23 м/год. Средняя скорость разрушения низких берегов этого района в указанные годы составила около 14, а среднемноголетняя - 4 м/год (Разумов, 2000а).

В главе 6 “Нелинейная теория динамики льдистых морских берегов” обосновывается четвертое защищаемое положение: “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”. Это положение следует из количественного анализа воздействия средней температуры воздуха безледного периода и повторяемости штормов на абразионную активность моря. Для его обоснования выводится уравнение развития термоабразии в нестационарных климатических условиях с учетом пространственных изменений мерзлотно-геологических и геоморфологических характеристик побережья. Пространственно-временные вариации штормовой активности моря и ее связь с температурой воздуха безледного периода описываются с помощью гамильтоновского формализма. В итоге формируется многофакторная нелинейная модель динамики льдистых берегов в условиях сопряженных во времени вариаций средней температуры воздуха безледного периода и повторяемости разрушительных штормов. Модель учитывает изменения мерзлотных и морфометрических характеристик берегов в процессе их отступания. Она имеет прогностический выход, а также используется для динамической классификации морских берегов криолитозоны.

Согласно линейной теории динамики льдистых берегов, повторяемость штормов непосредственно не связана с температурой воздуха безледного периода. Существует сложная опосредованная связь между этими факторами, которая сформулирована с использованием гамильтоновского формализма. Анализ судовых и стационарных гидрометеорологических наблюдений в восточных арктических морях показал, что коэффициент безледного времени линейно связан со средней температурой воздуха безледного периода:

. (13)

Зависимость среднего положения границы дрейфующих льдов относительно берега () от средней температуры воздуха безледного периода в районах развития паковых льдов Таймырского и Айонского океанических массивов носит нелинейный характер. Она может быть аппроксимирована с высокой достоверностью (0.98) экспоненциальной функцией:

. (14)

В районах, удаленных от массивов арктического пака, эта зависимость линейная и имеет в каждой точке первую производную, которая равна обратной величине меридионального температурного градиента:

. (15)

Используя эти уравнения и ранее полученные зависимости, нами сформулированы в обобщенном виде уравнения развития термоабразии в условиях многолетних изменений средней температуры безледного периода. Для районов, на гидродинамику которых оказывают влияние океанические массивы многолетних льдов:

(16)

а за пределами указанных районов:

(17)

где и - функционалы, учитывающие перекрестные связи между гидродинамическими факторами.

В частном случае относительного потепления дрейфующие льды не контролируют термоабразионный процесс (Разумов, 2002б):

. (18)

Это уравнение описывает интенсивность развития эрозии в меняющихся температурных условиях относительного потепления климата с учетом пространственной неоднородности мерзлотно-геологических и морфометрических характеристик береговой криолитозоны. По расчетам, понижение средней температуры воздуха безледного периода на 1 °C в начале относительного похолодания вызовет снижение скорости термоабразии рассматриваемых берегов на 1.8-2.3 м/год. При летнем потеплении на 1 °C скорость термоабразии льдистых берегов высотой 4-30 м, сложенных ледовым и термокарстовым комплексами, возрастает в среднем по отдельным ключевым участкам на 1.9-3.1 м/год. Расчеты проводились при условии стационарной повторяемости разрушительных штормов, которая различалась в периоды потепления и похолодания.

Для моделирования развития термоабразии в нестационарных климатических условиях, с учетом многолетней изменчивости повторяемости штормов, применен гамильтоновский формализм. С соблюдением условий каноничности преобразований сформулирован гамильтониан, описывающий воздействие переменных гидродинамических факторов на льдистые берега, характеризуемые переменной устойчивостью к этим воздействиям:

. (19)

Роль канонической координаты играет параметр неустойчивости (), так как зависит от выбора конкретной точки на береговой линии и изменяется вдоль нее. Сопряженная переменная П (показатель абразионной активности моря) – обобщенный импульс динамической системы «атмосфера – море – береговая криолитозона». Замена переменных П, на p, ТЛ и интегрирование по частям дает систему канонических уравнений:

, (20)

, (21)

где и .

Решение этой системы уравнений формализует связь термической составляющей климата и региональной циркуляции и показывает, в частности, что средняя температура воздуха безледного периода в восточной Арктике связана с повторяемостью разрушительных штормов: . Уравнение (21) является линейным. Общее его решение:

, (22)

где . С учетом краевых условий по F и p и значений для побережья восточных арктических морей:

. (23)

По И.В. Максимову (1967), реальные возмущения в атмосфере возникают именно под воздействием горизонтальной части возмущающих космо-геофизических сил F (сумма горизонтальных составляющих приливообразующих сил Луны и Солнца и нутационных сил, возникающих при реальных смещениях полюса вращения Земли). Эти силы, способные создать малую статическую деформацию атмосферы, связаны, по мнению И.В. Максимова, с большими и реальными возмущениями барического поля Земли и, следовательно, атмосферной циркуляции. Именно от них зависит повторяемость штормов. Коэффициент парной корреляции между p и F, по расчетам автора, составляет 0.84. В итоге сформулирована многофакторная нелинейная прогностическая модель скорости термоабразии любых локальных участков берегов с макрольдистостью пород от 0 до 100 % по предполагаемым изменениям во времени климатических характеристик безледного периода:

. (24)

Термоабразионный процесс реализуется только в случае возмущенного состояния береговой зоны, когда скорость ветра по нагонным румбам превышает 10 м/с, а вблизи береговой линии нет сплоченных дрейфующих льдов, т.е. ТЛ > 1 °C. Следовательно, показатель абразионной активности моря соответствует работе по переводу состояния береговой зоны из обычного (штормовые ветры морских румбов и нагоны отсутствуют, ) к возмущенному. Тогда очевидно, что рассматриваемый нами гамильтониан является энергией системы «атмосфера - море - береговая криолитозона».

На основе многофакторной модели предложен численный критерий, с помощью которого берега подразделяются на динамические типы в соответствии с существующей генетической классификацией. Каждому генетическому типу свойственны определенные количественные динамические характеристики. Вариации природных факторов вдоль побережья и во времени вызывают соответствующие изменения величин параметров, составляющих критерий. Следовательно, с его помощью можно определять динамические и генетические типы берегов в данных пространственно-временных координатах.

Глава 7 “Прогноз динамики льдистых морских берегов восточных арктических морей на первую половину XXI века” посвящена обоснованию пятого защищаемого положения: “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 века не превысят величин, наблюдаемых в XX веке”. Для этого выполнено прогнозирование скорости термоабразии на основе линейной и нелинейной теорий динамики льдистых морских берегов по двум сценариям предполагаемых изменений средней температуры воздуха безледного периода с учетом и без учета изменений повторяемости штормов. Проведено тестирование результатов прогнозов по независимым данным на начало XXI в.

Моделирование и прогнозирование динамики льдистых берегов в меняющихся климатических условиях проводились на примере ключевых участков морей Лаптевых и Восточно-Сибирского: Анабаро-Оленекское побережье с мысами Мамонтов Клык и Терпяй-Тумус, Быковский п-ов, о. Муостах, западные берега полуостровов Буор-Хая и Широкостан, Оягосский берег пролива Д. Лаптева, Колымо-Индигирский сектор побережья с мысами Крестовским и Малым Чукочьим. Среднемноголетние скорости термоабразии изученных берегов моря Лаптевых и берегов Восточно-Сибирского моря, в общем, мало различаются. Во второй половине XX века они составили 3.9 и 3.5 м/год соответственно.

Для прогнозирования динамики льдистых берегов необходимо иметь количественную оценку предполагаемых изменений средней температуры воздуха безледного периода и повторяемости разрушительных штормов в прибрежных районах. Анализ имеющихся климатических данных показывает, что многолетние колебания температуры воздуха по всему побережью морей Лаптевых и Восточно-Сибирского происходят синхронно и не очень заметно различаются в экстремумах. Предлагается прогностическая модель с двумя сценариями изменений летних температур воздуха в восточной Арктике в первой половине XXI века (рис. 10). Оба сценария показывают, что предполагаемые колебания средней летней температуры воздуха на восточном арктическом побережье являются нестационарными по математическому ожиданию. Их линейный тренд в первой половине XXI в. сохранит положительное значение. По “экстремальному сценарию” А летнего потепления в восточном секторе Арктики, его величина не изменится. Временные колебания ТЛ на восточном арктическом побережье удовлетворительно описываются полиномом 4 степени (Разумов, 2001). По “умеренному сценарию” Б, общий линейный тренд двадцатого и первой половины двадцать первого столетий будет в 2 раза меньше по сравнению с трендом XX в., т.е. не превысит 0.12 °C/10 лет.

Первый из рассматриваемых сценариев изменений средней температуры воздуха безледного периода в XXI в. приблизительно соответствует предполагаемому летнему потеплению в арктических районах Якутии по сценарию глобального потепления климата на °C к середине XXI в. (Гаврилова и др., 1996). Однако, по мнению автора, вероятнее реализация “умеренного сценария” Б изменений летней температуры воздуха, так как они более достоверно описываются полиномом пятой степени.

Рис. 10. Изменения средней температуры воздуха безледного периода на побережье восточных арктических морей России: 1 – по данным наблюдений на береговых метеостанциях; 2 и 3 – прогнозируемые на первую половину XXI века (2 - сценарий А, 3 - сценарий Б). Пунктирными прямыми показан линейный тренд.

Для обоснованной оценки предполагаемых изменений темпов термоабразии необходимо прогнозировать вариации не только термической, но и циркуляционной составляющей климата. На рис. 11 показаны синхронные изменения космо-геофизических сил приливного типа и суммарной повторяемости штормовых ветров северных, северо-восточных и восточных направлений. Предполагаемые изменения F по кривой 2 описываются с помощью полинома. Прогноз средней повторяемости штормовых нагонных ветров морских румбов в течение первой половины XXI в. выполнялся по формуле (23).

Рис. 11. Многолетние колебания сглаженной по десятилетиям суммы горизонтальных составляющих сил приливного типа (F) для северных широт 70-74° (1), их полиномиальной функции (2), а также фактической (3) и прогнозируемой (4) повторяемости штормов (p) в исследуемых районах.

Почему в рассматриваемых случаях применена полиномиальная экстраполяция климатических характеристик? Дело в том, что полиномы могут более или менее достоверно описывать только такую кривую, отдельные точки которой взаимосвязаны. Проведенный автором автокорреляционный анализ кривых временного хода температуры, приливообразующих сил F и повторяемости штормов позволил установить предельный временной интервал корреляции между отдельными точками каждой из этих кривых, который составил около 50 лет. Поэтому в пределах указанных лет можно более или менее достоверно проводить экстраполяцию с помощью полиномов.

Специальные долгосрочные прогнозы климатических характеристик, необходимые для решения подобных задач, Росгидромет и другие гидрометеорологические подразделения не производят. Поэтому полиномиальная экстраполяция ритмичных колебаний природных факторов, пожалуй, единственная возможность более или менее достоверно получить представление об их временном ходе в первой половине XXI в.

Прогнозирование скорости термоабразии льдистых берегов морей Лаптевых и Восточно-Сибирского по сценариям предполагаемых изменений средней летней температуры воздуха выполнялось с помощью линейной (6) и нелинейной (24) моделей (рис.12). Линейная модель не учитывает временные вариации повторяемости штормов, поэтому для расчета показателя абразионной активности в уравнении (6) используется ее среднемноголетняя величина.

Рис. 12. Прогнозируемые средние скорости термоабразии льдистых берегов высотой 1-30 м в исследуемых районах морей Лаптевых и Восточно-Сибирского. По сценарию изменений климатических условий А: 1 - при неизменной; 2 - при переменной повторяемости штормов. По сценарию Б: 3 - при неизменной; 4 - при переменной повторяемости штормов. Фактические скорости термоабразии: 5 - усредненные по ключевым участкам; 6-9 - на отдельных участках восточно-арктического побережья России и моря Бофорта (по опубликованным материалам и собственным данным).

Максимальная активность береговых криогенных процессов предполагается в 2040-2045 гг., когда скорости эрозии могут достигать по разным сценариям в среднем от 5-7 до 15 м/год, а на отдельных участках низких берегов от 9-12 до 30 м/год. Минимальные темпы разрушения изученных берегов, ожидаемые в 2010-2015 гг., составят в среднем 0.3-1.1 м/год. Резкий скачок интенсивности и почти полное затухание береговых криогенных процессов будут обусловлены совпадениями в указанные годы экстремумов вариаций средней температуры воздуха безледного периода и повторяемости разрушительных штормов.

Тестирование результатов прогноза для начала XXI в. на независимом фактическом материале показало наилучшую сходимость расчетных и фактических данных при прогнозировании на основе нелинейной теории развития льдистых берегов по “умеренному”сценарию Б. Таким образом, наиболее вероятна тенденция развития берегов в соответствии с указанным сценарием, по крайней мере до 2010-2015 гг.

Заключение



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 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.