КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 14-17-00037

НазваниеОценка критических уровней воздействия изменения климата на ключевые региональные природные процессы на территории России для разработки стратегий адаптации

РуководительАнисимов Олег Александрович, Доктор географических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное учреждение "Государственный гидрологический институт", г Санкт-Петербург

Года выполнения при поддержке РНФ 2014 - 2016  , продлен на 2017 - 2018. Карточка проекта продления (ссылка)

КонкурсКонкурс 2014 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-711 - Геоэкология и природопользование

Ключевые словаизменение климата, критический уровень, климатозависимые процессы, моделирование, гидрологический режим, вечная мерзлота, растительность, опасности и риски, адаптация

Код ГРНТИ37.21.51


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Будут определены критические уровни воздействия изменения климата на ключевые региональные природные процессы на территории России (исключая морскую часть) с целью выявления экологических рисков и потенциальных возможностей и разработки научно обоснованных стратегий адаптации природопользования и объектов инфраструктуры. Для этого будут использованы ранее созданные участниками проекта на основе обобщения международного опыта понятийный аппарат, методы и критерии, адаптированные к природно-климатическим условиям России. Основу проекта составит математическое моделирование ключевых компонент природной среды, а именно растительности, гидрологического режима и многолетнемерзлых пород (ММП) с предварительной калибровкой моделей по данным наблюдений, использованием полного объема метеоданных наблюдательной сети Росгидромета и климатических проекций по гидродинамическим моделям последнего поколения CMIP5. Актуальность задач вытекает из того, что изменение климата во многих регионах России уже привело к экономическим потерям, поскольку некоторые виды природопользования, инфраструктура и эксплуатационные нормативы не были на них рассчитаны. Примеры многочисленны и включают катастрофические наводнения; аварии трубопроводов, разрушения домов, автомобильных и железных дорог в районах ММП; лесные пожары, болезни и гибель леса от вредителей. Одновременно в ряде регионов спутниковые данные (NDVI) и наземные наблюдения отмечают увеличение продуктивности растительности и смещение зональных и подзональных границ к северу. Связанные с этим новые возможности для регионов России практически не изучены. На международном уровне для решения задач, аналогичных рассматриваемым в проекте, были мобилизованы серьезные интеллектуальные и финансовые ресурсы. Евросоюзом уже в 2008 году была разработана карта климатических угроз для стран Западной Европы, на основании которой была принята стратегическая цель ограничения глобального потепления уровнем не более 2 градусов по отношению к доиндустриальному периоду. Несмотря на очевидную актуальность, в России подобные исследования не проводились. Неясен даже вопрос о том, каков баланс между негативными и положительными последствиями потепления для страны в целом и ее регионов, и как он меняется с увеличением уровня потепления. Научная новизна проекта определяется использованием в нем современных методов объективного анализа и прогноза, соответствующих мировому стандарту Межправительственной Группы Экспертов по Изменению Климата (МГЭИК); полных баз гидрометеорологических данных сети станций Росгидромета и данных спутниковых наблюдений; оригинальных разработанных участниками моделей климатозовисимых природных систем и процессов; гидродинамической модели INMCM4 последнего поколения CMIP5, а также самой постановкой задач, которые ранее применительно к территории России не рассматривались.

Ожидаемые результаты
Результаты, полученные по отдельным направлениям проекта, будут обладать самостоятельной научной и общественной значимостью. 1. Будет впервые проведено районирование России в отношении уязвимости природных систем, учитывающее природную зональность, наличие климатозависимых процессов и объектов и пространственные закономерности современных изменений климата. Как показывает зарубежный опыт, такое районирование дает исходную информационную основу для разработки региональных стратегий адаптации и выявления экологических рисков. Оно позволяет использовать количественные метрики для сравнения уязвимости природных систем, находящихся в различных условиях, и выделить те регионы и виды природопользования, которые требуют первоочередного внимания в плане адаптации к изменениям климата. 2. Будет установлена относительная роль климатических (с дифференциацией по отдельным переменным, т.е. температурные характеристики, осадки, снежный покров и т.п.) и иных факторов, формирующих современное состояние и изменения ключевых элементов природной среды на региональном уровне. Основное внимание будет уделено анализу динамики растительности, гидрологического режима рек и многолетнемерзлых пород. По этому вопросу высказываются различные суждения. Одни авторы отрицают влияние изменения климата на окружающую среду, полагая его пренебрежимо малым в сравнении с естественной изменчивостью, техногенной и антропогенной нагрузками. Другие, напротив, полагают, что вся современная динамика природных процессов определяется лишь климатическими изменениями. Нами будут использованы объективные методы, такие как парный и множественный корреляционный анализ, которые будут применены к полному набору данных метеорологических станций и гидрологических постов Росгидромета, сети наблюдений ММП, и данным (в том числе спутниковым LANDSAT и AVHRR по NDVI) о динамике растительности. Будут определены доли дисперсии в рядах исследуемых характеристик, определяемые изменением каждого из факторов. Важность этого результата состоит в том, что он покажет, в каких регионах климатическое влияние (с дифференциацией по отдельным климатическим переменным и индексам) в настоящее время является определяющим для ключевых природных процессов, а где их динамика обусловлена преимущественно иными причинами. Он важен также и для общей оценки современных математических моделей растительности, гидрологического режима и ММП, которые с необходимостью должны адекватно учитывать главные влияющие факторы и воспроизводить их воздействие на моделируемые процессы. 3. Ансамблевая климатическая проекция, оптимизированная для моделирования природных последствий изменений климата на территории России. Значимость этого результата состоит в том, что на основе набора регионально- и процессо-ориентированных количественных критериев из всего многообразия существующих гидродинамических моделей CMIP5 будут отобраны и объединены в ансамбль лишь те, которые успешно воспроизводят современные изменения климатических характеристик и индексов, определяющих ключевые природные процессы в регионах России. До недавнего времени принято было считать, что чем больше используется моделей в ансамблевой проекции, тем она надежнее. Сейчас же полагают, что следует исключать модели заведомо низкого качества. Обзор идей по этой теме дан в публикации (Knutti, 2010), однако четкие универсальные критерии отбора моделей отсутствуют. Нами была разработана методология многоступенчатого тестирования моделей (Анисимов, Кокорев, 2013; Кокорев, Анисимов, 2013; Anisimov et al., 2013), которая впервые будет реализована в соответствии с оценочными критериями, учитывающими ключевые климатозависимые природные процессы на территории России. 4. Прогноз изменения контуров биомов по разработанной нами ранее эмпирико-статистической модели (см. (Жильцова, Анисимов, 2013)) для различных уровней изменения климата; цифровые карты, показывающие изменения ареалов биомов с выделением областей, где ожидаются изменения растительных формаций. Важность этого результата состоит в том, что на основе таких карт можно эффективно планировать развитие лесного хозяйства и землепользования, максимально адаптируя его к будущим условиям. 5. Количественная оценка изменений гидрологического режима в бассейнах рек для различных уровней изменения климата; карты изменения региональных водных ресурсов и частоты и амплитуды опасных гидрологических явлений для различных уровней климатического воздействия; результаты гидрологического моделирования в бассейнах рек, испытывающих воздействие изменение климата. Такая информация необходима для управления гидротехническими сооружениями, водообеспечения, уменьшения и предотвращения последствий опасных гидрологических явлений, что неоднократно подчеркивалось многими авторами, пытавшимися получить такие оценки на основе глобальных моделей климата (см., например, (Mokhov et al., 2003)). Однако приемлемую точность может обеспечить лишь использование специализированной динамической модели гидрологического режима, которых до недавнего времени в России не было. Использование в проекте модели «Гидрограф» обеспечит решение этой задачи. 6. Анализ и прогноз состояния ММП, карты индекса геокриологической опасности для сооружений с детализацией для городов Крайнего Севера. Эти результаты будут иметь большую практическую значимость. На основе карт можно планировать упреждающие адаптационные меры для инфраструктуры (особенно городской, плотность которой велика), уделяя первоочередное внимание наиболее уязвимым регионам и объектам. Все страны, на территории которых встречаются ММП, подчеркивают высокую актуальность этой задачи. Показательно, что ей традиционно уделяется большое внимание в оценочных отчетах Арктического Совета, где, как правило, отдельная глава посвящена оценке рисков разрушения инфраструктуры при таянии вечной мерзлоты (см. (Instanes et al., 2005; Snow, Water, Ice and Permafrost in the Arctic (SWIPA): climate change and the cryosphere, 2011)). Россия, 62% территории которой занято ММП, имеет наиболее длительную и богатую историю изучения вечной мерзлоты и занимает лидирующую позицию в мире как по теоретическим, так и по экспериментальным исследованиям в инженерной геокриологии, обзор которых дан в коллективных монографиях (Анисимов, 2010; Анисимов и др., 2012). Эти полученные ранее результаты будут переосмыслены в контексте глобального изменения климата и дополнены результатами прогностического моделирования с использованием оптимизированной климатической проекции. В итоге будут построены карты геокриологических рисков для криолитозоны России на основе самых современных данных и моделей. Соответствию мировому уровню будет способствовать тот факт, что руководитель проекта является со-председателем рабочей группы Международной ассоциации по мерзлотоведению, которая регулярно систематизирует новый мировой опыт и формирует приоритеты исследований. В состав участников проекта также войдут двое ведущих специалистов из университета Вашингтона, США, которые длительное время занимаются проблемой влияния изменения ММП на инфраструктуру как на Аляске, так и в промышленном Норильском регионе. 7. Оценка экологического риска, обусловленного влиянием эмиссии парниковых газов при таянии ММП на глобальный и региональный климат. По этому вопросу не только в научной литературе, но и в СМИ (см. например, недавнюю обзорную статью в журнале The Guardian (Ahmed, 2013)) развивается дискуссия вокруг гипотезы «метановой катастрофы». Ее сторонники утверждают, что «огромные» количества метана, измеряемые миллионами тонн в год, выделяющиеся при таянии ММП на суше (прежде всего, в мерзлых болотах) и на арктическом шельфе, могут вызвать быстрое и значительное усиление потепления (Сергиенко и др., 2012; Shakhova et al., 2013; Shakhova et al., 2010). Их многочисленные оппоненты, к числу которых относятся и участники проекта, полагают, что необходимы количественные оценки, прежде всего на основе гидродинамического моделирования, чтобы установить, способна ли эмиссия метана из ММП увеличить глобальную температуру на величину, сопоставимую с воздействием других климатообразующих факторов, и с какой скоростью может развиваться этот процесс (Анисимов и др., 2012; Анисимов, Ренева, 2011; Dmitrenko et al., 2011; Eliseev et al., 2008, 2013; Petrenko et al., 2010). Впервые для получения таких оценок в проекте будет использована гидродинамическая модель INMCM4 института Вычислительной математики РАН, входящая в семейство CMIP5. 8. Серия цифровых карт в формате ГИС, показывающих динамику соотношения между негативными и положительными последствиями изменения климата в регионах России по мере усиления уровня климатического воздействия и риски, обусловленные гидрологическими явлениями и таянием ММП. Данные о том, как меняется этот баланс при разных уровнях потепления, представляют собой самый актуальный и значимый для практики государственного адаптационного регулирования научный результат. Построенные карты уязвимости и потенциальных выгод в ГИС-формате можно использовать в соответствующих министерствах и ведомствах в качестве рабочего инструмента для научного обоснования региональных стратегий адаптации, а также на Федеральном уровне для сопоставления регионов по климатической уязвимости и планирования регионального распределения расходов на адаптацию с учетом потенциально возможных выгод. В совокупности результаты многократно увеличивают свою значимость, поскольку создают информационную основу для разработки научно обоснованных региональных стратегий адаптации к предстоящим изменениям климата ряда отраслей экономики, использующих климатозависимые природные ресурсы, а также землепользования, жилой, транспортной и промышленной инфраструктуры, расположенной в зонах повышенных гидрологических и геокриологических рисков. Они позволяют провести ранжирование регионов России по климатообусловленным природным рискам и выделить требующие первоочередного внимания и инвестиций на адаптацию природопользования и инфраструктуры к будущим климатическим условиям. Задача пространственно дифференцированной адаптации к изменениям климата полностью соответствует мировым приоритетным направлениям научных исследований. Показательно, что ей уделено наибольшее внимание в Пятом оценочном отчете Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК, 2014). В ее решении западные страны в настоящее время намного опережают Россию. Выполнение проекта позволит значительно сократить это отставание, а в части прогноза опасностей, связанных с таянием многолетнемерзлых пород и разработки соответствующих мер по адаптации выйти на лидирующую в мире позицию благодаря накопленным отечественной геокриологией данным длительных режимных наблюдений на уникальных мерзлотных стационарах и современным моделям. Руководитель проекта является координирующим автором готовящегося Пятого отчета МГЭИК (будет опубликован в 2014 г.) и двух предшествующих 2001 и 2007 гг. (Anisimov, Vaughan, 2007; Anisimov, Fitzharris, 2001), в силу чего хорошо знаком с методами решения задач адаптации к изменению климата, используемыми в мировой науке. Все результаты по мере их получения будут представлены в виде серии статей в высокорейтинговых российских и международных научных журналах, а также в форме презентаций на крупных конференциях, в том числе международных. Будет предпринята попытка представить результаты пункта 7, касающиеся проверки гипотезы «метановой катастрофы» в виде статьи в одном из самых высокорейтинговых журналов Nature или Science. В случае, если этот уровень окажется недостижим, участники планируют опубликовать их в журнале Journal of Geophysical Research. По окончании проекта все результаты будут обобщены в виде коллективной монографии. Участники проекта будут строго следовать практике, принятой во многих странах в отношении исследований, выполняемых за счет государственного финансирования. В соответствии с ней все базы данных, алгоритмы моделей, картографические и прочие информационные материалы, полученные в ходе проекта, размещаются в сети Интернет в режиме свободного доступа для обеспечения возможности независимого воспроизведения и проверки полученных результатов, а также для их широкого распространения среди заинтересованных пользователей. Для этого уже создан Интернет-портал www.permafrost.su, который будет использован в качестве основного ресурса информационного сопровождения проекта и депозитария его результатов.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2014 году
В первый год выполнения проекта было разработано районирование территории России в отношении уязвимости природных систем к изменению климата. Были рассмотрены растительная зональность, речной сток и температурный режим грунтов, в том числе и многолетнемерзлых (ММГ). Были построены цифровые карты, которые в дальнейшем можно использовать в геоинформационных системах для фрагментации любой цифровой информации по критериям, учитывающим уязвимость исследованных систем, и последующего дифференцированного анализа по каждой из категорий. Для осуществления этой работы была создана единая база гидрометеорологических данных (температура воздуха, осадки, скорость ветра, влажность воздуха, солнечная радиация, речной сток), в которой ряды наблюдений по каждой из характеристике имеют максимальную продолжительность, как правило до 2013 года, и временную дискретность от срочных до суточных и среднемесячных величин. Созданная база данных дополняет и значительно расширяет имеющиеся в свободном доступе на сайте ВНИИГМИ-МЦД данные за счет привлечения большего числа станций (до 1500 метеостанций сети Росгидромета), восстановления пропусков наблюдений и дополнительного независимого контроля качества данных с применением статистических методов. Были получены количественные оценки доли дисперсии рядов биопродуктивности (на основе анализа спутниковых данных по NDVI), температуры грунтов, включая ММГ, и речного стока по бассейнам малых и средних рек, описываемой вариацией температуры воздуха и осадков. Они показали, что для многих систем климатическое влияние является лишь одним из факторов, определяющих их изменчивость, и требуются более детальные, чем корреляционный анализ, методы и модели для прогнозирования их состояния. Примером является физически полная модель "Гидрограф", по котороый были проведены расчеты речного стока для ряда репрезентативных водосборов в регионах России с различными современными климатическими условиями. Расчеты носили тестовый характер. На всех исследованных водосборах было получено очень хорошее соответствие рассчитанных и наблюденных гидрографов. Полученный результат подтверждает возможность дальнейшего использования модели для оценки уровней климатического воздействия, при котором возможны критические изменения гидрологического режима. Была построена оптимальная ансамблевая климатическая проекция на период до конца 12 века. Значимость этого результата состоит в том, что на основе набора регионально- и процессо-ориентированных количественных критериев из всего многообразия существующих гидродинамических моделей CMIP5 были отобраны и объединены в ансамбль лишь те, которые успешно воспроизводят современные изменения климатических характеристик и индексов, определяющих ключевые природные процессы в регионах России. Особые внимание в связи с продолжающейся дискуссией в научной печати было уделено вопросу о возможном климатическом воздействии эмиссии метана из ММГ. Была разработана новая версия климатической модели INMCM4, в которую был добавлен блок эволюции атмосферного метана. По модели проведены тестовые расчеты для современных условий, результаты которых хорошо соответствуют данным наблюдений. В первый год проекта удалось достичь важных практических результатов, способствующих принятию научно-обоснованных мер адаптации к изменению климата в районах распространения ММГ. Были изучены ландшафтные, мерзлотные и климатические условия, а также геотехнические характеристики грунтов в районах с развитой инфраструктурой (Игарка, Норильск) с целью последующего моделирования и прогнозирования изменений этих характеристик в условиях меняющегося климата. В Норильске проведены встречи с главой администрации города и компаниями, непосредственно занимающимися мониторингом оснований и сооружений. По результатам консультаций создан Мерзлотный совет при администрации г.Норильска (http://norilsk-zv.ru/articles/merzlotnyy_sovet.html). Данный совет крайне заинтересован в оценках мезлотных условий в условиях меняющегося климата и техногенеза, разрабатываемых в рамках данного проекта. Проект имел также значительную образовательную составляющую связанную, прежде всего, с освоением навыков полевых работ студентами нескольких ВУЗов, в том числе и МГУ. Участники проекта из университета Дж. Вашингтона (США) совместно с группой студентов в июне-июле провели комплекс полевых работ по изучению состояния многолетнемерзлых грунтов и их динамики.

 

Публикации

1. Dmitry Streletskiy, Oleg Anisimov, Alexander Vasiliev Chapter 10 – Permafrost Degradation Snow and Ice-Related Hazards, Risks, and Disasters (Academic Press, Boston), Страницы 303-344, ISBN 9780123948496 (год публикации - 2014).

2. А.Б. Шерстюков, Б.Г. Шерстюков Пространственные особенности и новые тенденции в изменениях термического состояния почвогрунтов и глубины их сезонного протаивания в зоне многолетней мерзлоты Метеорология и гидрология, №2 (год публикации - 2015).

3. Е.М. Володин Влияние источников метана в высоких широтах Северного Полушария на межполушарную асимметрию его концентрации в атмосфере и климат Известия РАН, Физика Атмосферы и Океана, №4 (год публикации - 2015).

4. О.А. Анисимов, В.А.Кокорев Сравнительный анализ наземных, морских и спутниковых измерений метана в нижней атмосфере российской части Арктики в условиях изменения климата Исследование земли из космоса, - (год публикации - 2015).

5. О.А. Анисимов, Е.Л. Жильцова, В.Ю. Разживин Прогностическое моделирование биопродуктивности в арктической зоне России с использованием спутниковых наблюдений Исследование земли из космоса, - (год публикации - 2015).


Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Во второй год руководителем проекта в период февраль-май были проведены экспедиционные исследования в Якутске на базе института мерзлотоведения СО РАН и на научной станции Спасская Падь. Были получены новые данные о влиянии напочвенных покровов (снега и растительности) на термический режим многолетнемерзлых грунтов (ММГ) и о зависимости продуктивности растительности от климатических параметров, необходимые для актуализации моделей. Значительное содействие этой работе в части проведения измерений и обеспечения данными оказали сотрудники института мерзлотоведения и научно-образовательного центра BEST северо-восточного федерального университета (СВФУ). Руководитель проекта провел в Якутске серию семинаров и практических занятий для инициативной группы молодых сотрудников, которые освоили расчеты по разработанным в ходе выполнения проекта динамической и стационарной моделям ММГ и по эмпирико-статистической модели растительности. В результате этих совместных усилий была проведена актуализация параметризаций, связывающих характеристики термического режима атмосферы и грунта, построена усовершенствованная модель, адекватно описывающая все известные из наблюдений аспекты современных климатообусловленных изменений ММГ. Было продолжено исследование критических уровней воздействия изменений климата на растительность. Целью второго года было проведение прогностических расчетов по эмпирико-статистической модели, описывающей климатообусловленные компоненты продуктивности биомов и изменения границ растительных зон. Модель была заново откалибрована с учетом дополнительных данных, полученных на четырех научных станциях Якутии (Спасская Падь, Эльгейи, Чокурдах и Кодак), представляющих различные биоклиматические условия. Прогностические расчеты были проведены с использованием оптимизированной для территории России ансамблевой климатической проекции для первой четверти, середины и конца 21 века. Согласно полученным результатам, наблюдаемое во всех арктических зонах увеличение продуктивности продолжится и в последующие десятилетия. К середине XXI века продуктивность в отдельных арктических биомах может увеличиться до 30% от ее современной величины. Был проведен анализ обусловленности климатическими факторами опасных гидрологических явлений, прежде всего наводнений, вызванных заторами льда, паводками и ливневыми осадками. Притом, что его результаты показали наличие связи ряда из них с изменениями сезонных величин температуры воздуха, основным стал вывод о сильном влиянии экстремальных осадков на эти явления. В таких условиях для определения критических уровней изменения климата необходимо не столько детальное моделирование характеристик стока, сколько анализ пространственной и временной структуры осадков, т.е. соотношения между ливневыми и обычными осадками, периодами с аномально высокими и низкими осадками в конкретных речных бассейнах. Для прогноза важно, как эти закономерности воспроизводятся климатическими моделями, и какие изменения структуры осадков они предсказывают в 21 веке. Были получены перспективные оценки рисков возникновения заторных ледовых наводнений на крупных реках Сибири. Все полученные результаты указывают на то, что только лишь на небольшом участке русла реки Лены изменения климата могут привести к увеличению вероятности заторных наводнений. На остальных реках она будет уменьшаться в соответствии с градиентом ледовых условий вдоль русла. Была продолжена работа по анализу влияния изменений климата на температурный режим грунтов. Для этого использовались данные о температуре воздуха и грунта по метеостанциям РФ за 1966-2013 гг., данные мониторинга сезонно-талого слоя (СТС) на наблюдательных площадках проекта CALM, а также результатов расчетов по усовершенствованной модели ММГ. В результате проведенной ассимиляции данных и расчетов были построены карты термического режима ММГ для современного периода и на перспективу до конца 21 века в соответствии с оптимизированной для криолитозоны России ансамблевой климатической проекцией. Были проведены прогностические расчеты по модели ММГ с использованием оптимальной ансамблевой климатической проекции и построены карты геокриологической опасности, характеризующие уменьшение несущей способности грунтов для различных уровней климатического воздействия. Были проведены численные эксперименты по климатической модели INMCM4 для оценки влияния значительных источников метана на изменения климата и исследован вопрос о том, какую роль играет пространственная локализация этих источников. Результаты показали, что для значительного увеличения глобальной температуры на величину порядка 1.5 °С требуется дополнительная эмиссия метана около 4000 Тг в год, что приблизительно в 100 раз больше того потока, который может быть обусловлен таянием ММГ в 21 веке. Было также показано, что эмиссии, локализованные в Арктике (в широтной зоне к северу от 60°), приводят глобально к несколько меньшей величине потепления, чем в случае равномерного распределения по всем широтам источников той же суммарной интенсивности. Были проведены численные эксперименты по климатической модели INMCM4 для оценки чувствительности модельного климата к вероятным изменениям типов растительности в результате изменений климата в ближайшее столетие, в том числе к связанному с этим изменению альбедо бесснежной и заснеженной поверхности, параметра шероховатости. Они показали, что к середине 21 века вариации альбедо, обусловленные этими изменениями, могут привести к локальным изменениям температуры воздуха до 0.2 °С, что свидетельствует о необходимости их корректного учета в расчетах по гидродинамическим моделям климата. Во второй год удалось провести большую работу по ознакомлению с результатами проекта общественности и лиц, принимающих решения в области адаптации к изменению климата. Значительная ее часть была проведена руководителем проекта во время его пребывания в Якутске. Было проведено несколько пресс конференций, даны целевые интервью, в том числе для всероссийской радиовещательной программы «Эхо Москвы», российских и зарубежных печатных изданий (газеты «Вечерний Якутск», «Siberian Times»). Состоялись встречи с высшими руководящими лицами республики Саха-Якутия, в том числе с первым Президентом М.Е. Николаевым, ректором северо-восточного федерального университета (СВФУ) Е.И. Михайловой; проведены лекции для студентов и преподавателей СВФУ, института мерзлотоведения, института биофизики, учащихся старших классов двух школ Якутска. Руководитель проекта и молодой участник В.А. Кокорев представили 3 приглашенных устных доклада с результатами проекта на международной конференции «Открытая Арктика». Целью конференции было проинформировать руководителей ведомств, научных учреждений и лиц, принимающих решения федерального уровня, о современном состоянии, ожидаемых в будущем изменениях природной среды, и о возможных рисках, связанных с ними. Выводы всех трех докладов были включены в резюме решения конференции.

 

Публикации

1. O.A. Anisimov, V.A. Kokorev Comparative analysis of land, marine and satellite observations of methane in the lower atmosphere in the Russian Arctic under conditions of climate change Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, Vol. 51, No 9, pp. 979-991 (год публикации - 2015).

2. O.A. Anisimov, Ye.L. Zhiltcova, V.Yu. Razzhivin Predictive modeling of plant productivity in the Russian Arctric using satellite data Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, Vol. 51, N0 9, pp. 1051-1059 (год публикации - 2015).

3. Streletskiy D.A., Tananaev N.I., Opel T., Shiklomanov N., Nyland K., Streletskaya I., Tokarev I., Shiklomanov A. Permafrost Hydrology in Changing climatic conditions. Seasonal variability of stable isotope composition in rivers in discontinuous permafrost Environmental research letters, No 10, p.1-17 (год публикации - 2015).

4. Streletskiy, D.A., Sherstukov, A.B., Nelson, F.E., Frauenfeld, O.W. Changes in the ground thermal regime in Russian permafrost regions, 1963-2013. Environmental research letters, No12, p.1-15 (год публикации - 2015).

5. Touyz J., Streletskiy D.A., Nelson F.E., Apanasovich T.V. A Spatio-Temporal Framework for Modeling Active Layer Thickness Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. II-4/W2, pp.199-206 (год публикации - 2015).

6. Yu, Q., Howard, E., Engstrom, R., Shiklomanov, N., Streletskiy, D. Land Cover and Land Use Changes in the Oil/Gas Regions of Northwestern Siberia under Changing Climatic Conditions Environmental Research Letters, ERL-101662.R2 (год публикации - 2015).

7. О.А. Анисимов Арктика 21 век. Якутск, издательство СВФУ, ISSN 2410-1087, № 2(3) 2015 (год публикации - 2015).

8. О.А. Анисимов, А.Б. Шерстюков Оценка роли природно-климатических факторов в изменениях криолитозоны России Криосфера Земли, т. XX, №2, с.90-99 (год публикации - 2016).


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В 2016 году осуществлялись три вида деятельности, связанные с проведением полевых работ, с расчетами по моделям климатической системы и ее компонентов, и с представление результатов в научных изданиях, на конференциях и в СМИ. Были продолжены комплексные наблюдения на экспериментальной геокриологической площадке стационара «Туймаада» института мерзлотоведения СО РАН в Якутске. Благодаря налаженному сотрудничеству с коллегами из Якутска ко времени написания отчета был получен двухлетний ряд непрерывных наблюдений. Это позволило полностью решить вопрос об актуализации параметризаций стационарной модели многолетнемерзлых грунтов (ММГ) для современных климатических условий и провести ее надежную калибровку. Расчеты по этой модели были использованы для построения цифровых карт геокриологических рисков, описываемых далее в отчете. Был создан новый блок атмосферного метана в гидродинамической модели INMCM4. Он рассчитывает перенос метана в атмосфере, распределенные в пространстве источники на поверхности Земли, связанные с антропогенной деятельностью, болотами и оттаиванием вечной мерзлоты, и стоки, связанные с окислением метана. Были получены оценки чувствительности климата к эмиссии метана в результате оттаивания ММГ. Для этого были проведены два численных эксперимента для исторического периода 1850-2005гг. и для периода 2006-2100гг. В историческом расчете концентрация парниковых газов, аэрозолей, озона были заданы согласно оценкам по данным наблюдений. В прогностическом расчете концентрации парниковых газов задавались согласно сценарию RCP8.5. Результаты сравнивались с контрольным экспериментом, где эти эмиссии не учитываются. Сравнение показало, что увеличение эмиссий метана из почвы к концу 21 века может привести к изменению глобальной температуры на величину не более 0.1 °С. Главный вывод состоит в том, что расчеты не подтверждают периодически обсуждаемую в научной литературе возможность метановой катастрофы, т.е. значительного усиления глобального потепления, в связи с таянием ММГ. По актуализированной на данных наблюдений модели ММГ были рассчитаны изменения состояния криолитозоны России для различных уровней климатического воздействия и оценены неопределенности расчета, обусловленные различными влияющими параметрами. Для этого была определена чувствительность расчетной мощности сезонно-талого слоя (СТС) к влияющим модельным параметрам, в качестве которых были использованы высота снега, высота низшей растительности, входящей в мохово-торфяной слой почвы, толщина органического слоя почвы, теплопроводность почвы и амплитуда годовых изменений температуры воздуха. Оценки показали, что наибольшее влияние на мощность СТС оказывает теплопроводность почвы. Зависимость мощности СТС от типа, влажности и состояния (мерзлого или талого) почвы достаточно хорошо изучена и учитывается в моделях через соответствующие параметризации. Из оставшихся параметров наибольшая чувствительность СТС выявлена к температуре воздуха, притом, что ошибки в определении параметров растительности и органического слоя почвы в сплошной криолитозоне оказывают в два-три раза меньшее влияние, а в прерывистой и островной примерно такое же. Влияние снежного покрова повсеместно меньше, чем любого другого из рассмотренных факторов. Были проведены расчеты по модели ММГ для двух исторических временных срезов - фонового (период 1961-1990 гг.) и современного (2004-2013 гг.), а также прогностический расчет на середину 21 века (2036-2065 гг.). В исторических расчетах на входе модели использовались данные архива CRU TS 3.10, в прогностических к ним были добавлены приращения, определяемые оптимальной климатической проекцией, разработанной ранее в проекте. Для оценки неопределенности результатов применялась вероятностно-стохастическая схема. В каждой ячейке проводились несколько расчетов с различными комбинациями варьируемых вокруг средних значений влияющих параметров. Мы приняли во внимание, что входные климатические данные оказывают наибольшее влияние на неопределенность расчетов. Поэтому в серии численных экспериментов варьировались лишь климатические проекции, в качестве которых поочередно использовались данные расчетов по каждой из 15 гидродинамических моделей CMIP5, вошедших в оптимизированный для территории России ансамбль. Для уменьшения влияния ошибок задания неклиматических параметров анализировались не сами рассчитанные значения СТС и температуры грунта, а их расчетные изменения по сравнению с фоновой среднемноголетней величиной для каждой ячейки сетки. Характеризуя рассчитанные изменения мощности СТС между двумя историческими периодами, можно отметить выраженную секторальную картину современных изменений ММГ. Выделяются две области на Гыданском полуострове и на востоке Колымской низменности, где среднемноголетняя мощность СТС к началу 21 века уже увеличилась на 15 – 20 см по сравнению фоновой, в то время как на большей части криолитозоны изменения не превышали 10 см. На большей части криолитозоны Восточной Сибири к середине 21 века прогнозируются небольшие изменения среднемноголетней мощности СТС на 20±10 см (указан 95% доверительный интервал). Наибольшее увеличение СТС, на 30±14 см, по данным расчетов может произойти на севере Западной Сибири в Ямало-Ненецком округе. Это район интенсивного освоения запасов углеводородов, в котором планируется дальнейшее развитие существующей и создание новой инфраструктуры. Уже сейчас решение этой задачи осложнено множеством инженерно-строительных проблем, которые к середине 21 века лишь увеличатся. Дополнительные сложности связаны с наличием в районе переохлажденных минерализованных и засоленных грунтов (криопэгов), влияние которых не было учтено в расчетах. Главный вывод этой части работы состоит в том, что в настоящее время основным фактором, лимитирующим точность модельных прогнозов состояния ММГ, являются климатические проекции. Связанный с ними диапазон неопределенности составляет около 50% и будет уменьшаться по мере совершенствования климатических моделей и увеличения их точности. Результаты расчетов температуры грунта были использованы для оценки климатообусловленного изменения несущей способности ММГ в 21 века. Использовалась инженерная схема расчета несущей способности свайных фундаментов, применяемых при строительстве подавляющего большинства сооружений на мерзлоте. В ее основе лежит полученная эмпирическим путем зависимость максимальной нагрузки на единицу длины подземной части стандартной строительной сваи от температуры грунта. С ее помощью по данным об изменениях температуры грунтов были рассчитаны изменения несущей способности ММГ по отношению к свайным фундаментам и построены карты для различных временных интервалов. Как и ранее, использовались два исторических интервала времени, первый из которых (1961-1990) совпал с периодом интенсивного промышленного и жилищного строительства в районах Крайнего Севера, а второй (2004-2013) дает возможность оценить остаток запаса надежности в настоящее время. Были также проведены прогностические расчеты для первой четверти, середины и конца 21 века. Главный вывод состоит в том, что уменьшение несущей способности ММГ уже сейчас повсеместно в криолитозоне составляет от 20% до 40% от норматива. Это близко к запасу прочности сооружений, заложенному при их проектировании. Согласно СНИП, этот запас составляет не менее 40% для большинства сооружений на свайных фундаментах. Уже в ближайшее десятилетие на большей части криолитозоны он будет превышен, а к середине 21 века этот показатель будет превышен повсеместно. Это указывает на необходимость применения инженерных мер по стабилизации свайных фундаментов для продолжения эксплуатации стоящих на них объектов. Важно отметить, что рассчитанные карты изменения несущей способности отличаются от карт геокриологических рисков, которые также были нами построены в рамках проекта. В расчетах несущей способности учитывается лишь изменение температуры грунта. Она определяет прочность окружающего сваю льда-цемента, «прилипающего» к ее боковой поверхности. Эти карты ориентированы на оценку устойчивости лишь тех сооружений, которые имеют свайные фундаменты и основания. К ним относятся точечные объекты. Линейные, т.е. протяженные в пространстве, объекты, такие как автомобильные и железные дороги, трубопроводы, мосты, взлетно-посадочные полосы и т.п., стоят не на сваях, а на насыпях. Для них наибольшую опасность представляют просадки и пучение грунтов, а также связанное с этим развитие термокарста. Для оценки этих процессов используется другой метод, основанный на индексе геокриологических рисков. Рассчитанные значения этого индекса имеют сложное пространственное распределение. В области наибольших рисков попадают Чукотка, бассейны верхнего течения Индигирки и Колымы, юго-восточная часть Якутии, значительная часть Западно-Сибирской равнины, побережье Карского моря, Новая Земля, а также часть криолитозоны с островным распространением ММГ на севере ЕТР. В этих районах имеется развитая инфраструктура, в частности газо- и нефтедобывающие комплексы, система трубопроводов Надым-Пур-Таз на северо-западе Сибири, Билибинская атомная станция и связанные с ней линии электропередач от Черского на Колыме до Певека на побережье Восточно-Сибирского моря. Деградация ММГ на побережье Карского моря может привести к значительному усилению береговой эрозии, за счет которой в настоящее время берег отступает ежегодно на 2-4 метра. Особую опасность представляет ослабление ММГ на Новой Земле в зонах расположения хранилищ радиоактивных отходов. Были построены серии цифровых карт для различных уровней климатического воздействия, иллюстрирующие все полученные в проекте результаты, в том числе карты отклика климатической системы (приземной температуры воздуха) на различные уровни эмиссии метана, обусловленной таянием ММГ; карты, иллюстрирующие прогнозируемые изменение мощности СТС в вероятностно-статистической интерпретации и карты рисков для инфраструктуры криолитозоны, обусловленных изменением климата в 21 веке. Были актуализированы данные, размещенные на портале permafrost.su. На нем был создан новый раздел, содержащий базу данных оптимальной климатической проекции для территории России и средства визуализации этих данных. Помимо этого, в разделе публикаций были добавлены файлы с описанием задач и результатов всего проекта, файлы с полученными в нем цифровыми картами в различных форматах. Были оформлены права интеллектуальной собственности на пять результатов проекта, в том числе на две базы данных о современных и прогнозируемых на будущее изменениях климата, и на три модели, описывающие изменения ММГ и растительности. В 2016 г. были подготовлены 5 публикаций, все в международных изданиях. На момент написания отчета все они уже опубликованы. О значительной публикационной активности свидетельствует возросший за время выполнения проекта h-индекс многих его участников. Так, у руководителя проекта по данным системы РИНЦ/Scopus он увеличился с 14/11 в 2014 г. до 19/14 на время написания отчета в 2016 г. При этом число цитирований опубликованных по проекту работ, отражаемое системой Scopus, уже составило 13. Результаты проекта в 2016 г. докладывались на 1 всероссийской конференции (устный доклад) и 5 международных конференциях, на которых были сделаны 5 устных докладов (в том числе 2 приглашенных) и 5 стендовых. Результаты проекта, защищенные правами интеллектуальной собственности, были использованы в работе ООО «Транспортная интеграция» для анализа рисков для транспортной инфраструктуры, обусловленных таянием ММГ, получена справка о внедрении. Эта работа выполняется в интересах министерства транспорта РФ, которое в настоящее время исследует возможности адаптации транспортной инфраструктуры к изменениям климата.

 

Публикации

1. - Нужно вовремя выявлять и использовать бонусы от потепления климата газета "Известия", 2 августа 2016 г. (год публикации - ).

2. Anisimov O.A., Kokorev V.A. Cities of the Russian North in the Context of Climate Change Orttung R. (Ed.). Sustaining Russia’s Arctic Cities: Resource Politics, Migration, and Climate Change. Berghahn Press, pp. 141-174 (год публикации - 2016).

3. Anisimov OA Challenges of the Changing Climate: A Case Study of Russia Russian Analytical Digest, No 185, 20 June 2016, p.2-5 (год публикации - 2016).

4. Bokhorst S., Pedersen S.H., Brucker L., Anisimov O. et al. Changing Arctic snow cover: A review of recent developments and assessment of future needs for observations, modelling, and impacts Ambio, v.45, №5, p.516-537 (год публикации - 2016).

5. Shiklomanov, N. I., Streletskiy, D. A., Swales, T. B., Kokorev, V. A. Climate Change and Stability of Urban Infrastructure in Russian Permafrost Regions: Prognostic Assessment based on GCM Climate Projections Geographical Review, - (год публикации - 2016).

6. Streletskiy D.A., Shiklomanov N.I. Arctic Cities through the Prism of Permafrost Berghahn Press, Orttung R. (Ed.). Sustaining Russia’s Arctic Cities: Resource Politics, Migration, and Climate Change. pp. 201-220 (год публикации - 2016).

7. Анисимов Олег Александрович Динамическая модель гидротермического режима многолетнемерзлых грунтов -, 2016615867 (год публикации - ).

8. Анисимов Олег Александрович Малопараметрическая стационарная модель для расчета температуры и глубины сезонного оттаивания многолетнемерзлых грунтов с явным учетом верхнего органического слоя -, 2016615532 (год публикации - ).

9. Анисимов Олег Александрович, Жильцова Елена Львовна, Кокорев Василий Алексеевич База картографических данных регионов Российской Федерации с однородными изменениями климата в современный период (1976-2005 гг.) -, 2016620683 (год публикации - ).

10. Анисимов Олег Александрович, Кокорев Василий Алексеевич База данных ожидаемых изменений климата в регионах России -, 2016620678 (год публикации - ).

11. Жильцова Елена Львовна Эмпирико-статистическая модель климатообусловленной динамики растительности на территории России -, 2016660377 (год публикации - ).