Изменения окружающей среды в Арктике и их влияние на население и хозяйство (РНФ)НИР

Environmental changes in the Arctic and their impacts on the human wellbeing and infrastructure

Соисполнители НИР

МГУ имени М.В. Ломоносова Координатор

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 15 мая 2017 г.-31 декабря 2017 г. Изменения окружающей среды в Арктике и их влияние на население и хозяйство
Результаты этапа: Проведены экспедиционные изыскания в устьевой области р. Онеги с целью изучения опасных гидрологических процессов и сбора соответствующих данных. Изучена трансформация приливной волны от морского края устьевого взморья (о. Кий) до вершины устьевой области Онеги (г/с Порог), оценены коэффициенты затухания и асимметрии приливной волны на данном участке в ключевых пунктах в зимний и летний период. Установлена приливная изменчивость расходов воды от устьевого створа до вершины устьевой области и на отдельных створах до Кокоринских порогов. Оценена изменчивость уклонов водной поверхности за приливный цикл и сизигийно- квадратурные приливы в зимний и летний периоды. Исследованы поля солёности на устьевом взморье Онеги в полную и малую воду приливного цикла в летний период. Определена мутность воды в разные фазы прилива и на продольных разрезах в полную и малую воду. Установлено, что повышенная мутность воды и формирование в зоне смешения пресных и солёных вод максимума мутности, вызванная сильно динамичными приливными и ветровыми нагрузками, приводит к подавлению развития фитопланктона в летний период и низкой биопродуктивности эстуария Онеги, а также ухудшению экологических условий на устьевом взморье при среднем химическом загрязнении речных онежских вод. По результатам эхолотных промеров на устьевом участке реки Онеги установлены скорости деформации дна от устьевого створа до порта Онега; по результатам многолетнего мониторинга глубин на Карельском морском фарватере — объёмы заносимости стоково-отливной ложбины и обмеления на приливных осушках. Совместно с руководством порта Онеги подготовлены картографические материалы и результаты эхолотных промеров на судоходном Карельском фарватере для оценки его заносимости при преобладающих ветрах в тёплый период года и объёма выемки грунта для поддержания глубин. Оценена толщина льда и его состояние на характерных створах устьевого участка и условия формирования полыньи в районе Кокоринских порогов. Актуализированы сведения об одном из главных участников водохозяйственного комплекса Арктики — речном и морском транспорте, обслуживающей его инфраструктуре, гидрологических ограничениях навигации, разработка серии актуализированных разномасштабных карт «Водный транспорт Российской Арктики. Гидрологические ограничения навигации». Проведено сравнение результатов оценки влагозапасов, полученных на основе модели формирования стока ECOMAG, показавшей высокую эффективность при исследованиях стока северных рек, с данными о влагозапасах спутников GRACE для бассейнов рек Северной Двины и Печоры. Получено хорошее совпадение результатов моделирования и оценок на основе спутниковых данных во все фазы гидрологического цикла. Разработана методика синтеза моделей гидрометеорологического цикла, начиная от получения определяющих водный режим территории исходных метеорологических данных на основе глобальных и мезомасштабных моделей циркуляции атмосферы, через анализ процессов формирования стока на водосборе, до поступления воды в речную сеть и условий движения воды на конкретных участках речной сети. Разработка основана на совместном моделировании процессов формирования стока на основе модели ECOMAG, в качестве входных данных для которой используются как данные метеорологических станций, так и данные реанализов (WATCH и WFDEI) и моделей циркуляции атмосферы проекта CMIP5 (GFDL-ESM2M, HadGEM2-ES, IPSL-CM5A-LR, MIROC-ESM-CHEM, NorESM1-M), в том числе на период климатического прогноза с учётом различных сценариев эмиссии парниковых газов (RCP 2.6, 4.5, 6.0, 8.5). Полученные ряды расходов воды обеспечивают входными данными двумерные гидродинамические модели затопления ключевых участков (р. Северная Двина у г. Великий Устюг и г. Архангельск), реализованные на основе программного комплекса STREAM_2D. Модель формирования стока ECOMAG адаптирована для расчётов на основе баз данных реанализов для бассейна р. Северная Двина, разработана модель формирования стока р. Онеги. На основе совместных расчётов моделей ECOMAG и STREAM_2D для ряда выдающихся половодий получены графики временного хода характеристик затопления на ключевом участке у г. Великий Устюг. Создана цифровая модель рельефа дна Карского моря, использованная для расчётов параметров волнения и на глубокой воде, и в прибрежной зоне, в том числе с учётом сплочённости льда, на базе модели WaveWatch-III. Исследован генезис атмосферных экстремальных событий в системах индивидуальных ветровых систем. Для этой цели применён нетрадиционный (не лагранжевый) метод исследований долгоживущих вихрей. На основе данных климатических моделей CMIP5 показано, что пространственное распределение аномалий климатических ресурсов Арктики характеризуется существенной неоднородностью. Аномалии гидротермических ресурсов имеют не только региональные, но и выраженные сезонные различия. На большей территории Арктики аномалии многих показателей сильнее выражены в холодный период. Выявлены районы, где реакция показателей на общее потепление атмосферы в Арктике особенно заметна. Отдельно исследованы собственно метеорологические условия в температурном диапазоне около нуля градусов Цельсия. Этот диапазон является в высшей степени некомфортным и, в некоторых условиях, опасным. Для исследования их особенностей в комплексе, были использованы совместные функции распределения вероятности для двух метеорологических величин (в разных вариантах). Оценены изменения основных характеристик ледового режима рек и показателей климатических ресурсов холодного периода года. В работе использованы данные наблюдений за период с 1960 по 2014 гг. на 220 гидрологических постах, а также результаты численных экспериментов, выполненных климатическими моделями в рамках международного проекта CMIP5 для сценария RCP 8.5. Проанализированы климатические изменения и их последствия — деградация мерзлоты, термокарст и усиления штормовой активности в бассейнах и на побережьях Белого и Карского морей. Обнаружены острова вечной мерзлоты в талых грунтах на участках, где мощность теплоизолирующего торфа превышает 2,5 м там, где ранее её наличие не отмечалось, тогда как там, где она была зарегистрирована в 30-х годах — мерзлота не найдена. Сделано заключение, что мерзлота сохранились не только благодаря геологическим условиям — мощным горизонтам торфа, которые формировались в отдельных озёрных котловинах, лежащих в понижениях кровли скального фундамента, но и благодаря тому, что современное потепление наблюдается в зимний период, когда температуры воздуха остаются низкими, и «запас холода» позволяет мерзлоте сохраниться в летние сезоны. Для оценки развития арктических берегов в XXI веке на фоне глобального потепления была проведена разработка сценария гидрометеорологического форсинга их разрушения на основе прогнозов климатических моделей CMIP5 с использованием климатического сценария RCP 8.5. Располагая рядами наблюдений по отступанию берегов и рядами гидрометеорологического форсинга (термического и механического), восстановленными по CMIP5, была определена чувствительность берегов отдельно к повышению температуры и к увеличению волнового воздействия. С использованием таких данных по реакции берега на повышение температуры или увеличение приходящей энергии волн была составлен сценарий скорости разрушения берегов на восточном побережье Карского моря и в море Лаптевых. Уточнены методики оценки уязвимости потенциала территориальных социально-экономических систем муниципального уровня к опасным природным явлениям, обусловленным глобальными изменениями климата. Исследован потенциал развития Арктических регионов в долгосрочной перспективе, включая изучение возможностей по созданию и распространению новых технологий, новых рынков и отраслей, сохранения традиционных специализаций и формирования новых в условиях лимитирующих факторов природной и социально-экономической среды. Особое внимание уделено условиям локализации устойчивых, неустойчивых и мерцающих специализаций.
2 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Изменения окружающей среды в Арктике и их влияние на население и хозяйство
Результаты этапа: Проведены длительные суперкомпьютерные эксперименты с моделью СОSMO-CLM для отдельных регионов, направленные на детализацию (до шага сетки в 2 км) крупномасштабных данных реанализа ERA-INTERIM. Расчеты, основанные для современного климата на данных станционных наблюдений, а для прогнозируемого – на сценарии RCP8.5 (CMIP5), показали, что в последние 35-40 лет направленные изменения экстремумов, в отличие от средних значений, наблюдаются далеко не везде, но при продолжении потепления к концу XXI в. они могут возрасти. По данным моделирования волнения в Карском море за период с 1979 по 2017 год получены значения максимальной высоты 13% и 1%, максимального периода и длины волн. Для каждого месяца на акватории Карского моря было рассчитано количество случаев штормового волнения с различной высотой значительных волн от 3 до 5 м. Подготовлена первая часть каталога водопотребителей Арктической зоны России; серия новых карт размещения и состава участников водохозяйственной деятельности, отраслевой, гидрографической структуры и масштабов водопотребления, существующих гидрологических ограничений. Построены диаграммы пространственно-временных изменений характеристик водопотребления, оценено суммарное водопотребление, его региональные составляющие, изучена его роль в многолетних колебаниях притока речных вод в моря, суммированы сведения по прогнозируемым объемам водопотребления и водоотведения. Выполнены поиск, анализ, систематизация и описание гидрологических ограничений для арктического и локального водопотребления; его отраслевых и территориальных особенностей. Подготовлена серия крупномасштабных карт, хронологических графиков, эмпирических зависимостей между гидрологическими характеристиками и показателями, определяющими условия водохозяйственной деятельности; другие дополнительные иллюстрационные материалы. Сформулированы общие выводы по причинам и характеру возможных изменений условий арктического водопотребления, составу и силе гидрологических ограничений с учетом прогнозов по речному стоку, уровням и другим факторам. Анализ ледовой опасности на локальном уровне показал, что основные ледовые проблемы на больших реках в пределах крупных населенных пунктов связаны с затоплением территории в период весеннего ледохода, а также с вопросами транспортной доступности в зимний период (с организацией зимней навигации и(или) ледовых переправ). Выполнены проекции гидрометеорологических факторов динамики берегов в Карском и Чукотском морях на XXI век по «жёсткому» и «мягкому» сценариям климата по данным CMIP5 и показано, что по «жёсткому» сценарию термические условия Чукотки к концу XXI века приблизятся к современным условиям Курильских островов, по «мягкому» - Камчатки, а термические условия Ямала будут сравнимы с таковыми на Кольском п-ве. С помощью индекса суровости климата Нечаева исследованы условия сохранения и деградации островов мерзлоты на Терском берегу (юго-восточная часть Кольского полуострова, побережье Белого моря). Выявлено, что на протяжении ХХ века благоприятные для существования островной мерзлоты, сменялись периодами, благоприятными для её деградации. В случае сохранения темпов потепления, в следующие 20 лет (2020-2040) условия для существования островной мерзлоты сохранятся только в центральной части Кольского полуострова в районе Каневки. Сформулирован прогноз предельных материальных ущербов при реализации крупных инвестиционных проектов в ареалах деградации многолетнемёрзлых пород российской Арктики, согласно котрому максимально уязвимыми к геокриологическим опасностям элементами территориальных социально-экономических систем являются основные фонды (в частности – здания и сооружения). Реализация крупных инвестиционных проектов в Российской Арктике связано с увеличением стоимости и плотности основных фондов, в том числе в ареалах максимальной деградации многолетнемерзлых пород в долгосрочной перспективе. Как показало исследование муниципальных образований Российской Арктики, по окончании реализации запланированных до 2055 г. инвестиционных проектов показатель плотности основных фондов (тыс. руб. на га площади земель муниципального образования) возрастет в некоторых случаях в 5 и более раз (развитие наименее освоенных в настоящий момент районов: Новая Земля, Булунский, Анадырский, Туруханский и др. Наиболее крупные инвестиционные проекты, связанные с развитием фондоемких производств, приурочены к ареалам максимальных ожидаемых изменений в способности фундаментов поддерживать структуры в районах многолетней мерзлоты (юго-восточные районы Ямало-Ненецкого автономного округа, прибрежные территории Чукотского автономного округа, город Норильск с прилегающей территорией и др.). Совокупная стоимость запланированных к строительству зданий и сооружений (косвенная величина потенциальных ущербов в предельном выражении) в зонах максимального риска в целом по Арктической зоне России оценивается в более чем 3 трлн. руб. Это в значительной мере перекрывает экономию ресурсов выявленную на предыдущих этапах исследования от глобального потепления климата (снижение затрат ЖКХ, расширение возможностей аграрной специализации).

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".