назад

РЕКОНСТРУКЦИЯ И ПРОГНОЗ (1000-2300 ЛЕТ) ГЛОБАЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР И ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ГРУНТОВ СЕВЕРА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ.

Б. Л. Берри.
Permafrost International. Inc. Оттава, Канада; borisberri@hotmail.com

Колебания температур на интервале в 1000 лет выделяются из рядов прироста деревьев. Восстановленный ряд температур воздуха позволяет создать климатическую модель. Годовые температуры северного полушария являются основным климатическим показателем, поэтому их модель позволяет построить сезонные карты регионального распределения температур северного полушария для прошедших и будущих лет. Годовые региональные температуры используются для реконструкции и прогноза параметров температурного режима грунтов в Тазовской лесотундре.

RECONSTRUCTION AND FORECAST (1000-2300 YEARS) OF GLOBAL TEMPERATURES AND THE TEMPERATURE REGIME OF SOILS OF THE NORTH OF WESTERN SIBERIA.

B. L. Berry
Permafrost International. Inc. Оттава, Canada; borisberri@hotmail.com

Temperature oscillations on the interval of 1000 years are provided from the tree-ring series. The reconstructed row of the air temperatures permits to create a climate model. The annual temperature of the northern hemisphere is the main climatic parameter, so this model of the northern hemisphere temperatures allows us to make northern hemispheric seasonal maps of regional temperature distributions for the past and future years. Annual regional temperatures are used for reconstructions and predictions of the parameters of the temperature regime of the soils in the tundra of theTaz river.

Краткая история вопроса.

Первая реконструкция и прогноз среднегодовых температур воздуха и режима грунтов севера Западной Сибири [7] были сделаны с помощью гармонической модели прироста лиственниц Тазовской лесотундры [5]. Большинство исследователей в то время полагали, что в зонах избыточного увлажнения и недостатка тепла, в тундре и лесотундре, временные вариации прироста деревьев определяются только термическими условиями периода вегетации [10]. Только в конце ХХ века без объяснения причин западными учёными был признан факт, что существуют связи между специально подобранными дендрохронологическими рядами и среднегодовыми глобальными (региональными) температурами, которые могут использоваться для палеоклиматических реконструкций [14].
В начале 1980-х впервые было показано, что можно найти локальный дендрохронологический ряд, отражающий изменения среднегодовых аномалий температур северного полушария (ТСП). Репрезентативный ряд (1660-1965 гг.) для модельной реконструкции и прогноза ТСП был получен из радиального прироста лиственниц сухих местообитаний низовья р. Оби [6]. Метеорологическое обоснование возможности существования подобных связей появилось позднее [8]. Затем гармоническая модель ТСП была дополнена периодами в 515 и 1029 лет [12], выделенными из ряда прироста деревьев за 1000-1992 годы [13].

Взаимосвязи глобальных и региональных температур.

Среднегодовые температуры воздуха у земной поверхности северного полушария (СП) являются основной характеристикой климатической системы. Используя весь материал инструментальных метеорологических наблюдений за период 1883-1983 гг можно построить сезонные карты регионального распределения осадков и температур при потеплении и похолодании СП. Коэффициенты линейных связей ? между ТСП и сезонными значениями региональных температур и осадков наносятся на карту в виде изолиний. Оценки ? безразмерны [8]:
? = ?Т(?, ?)/?Т                                                (1)
где ?Т(?, ?) – изменения сезонных температур в координатах (?, ?), ?Т – изменения ТСП. Сезонные карты изолиний показывают изменения величины ?Т(?, ?) при изменении ?Т на на 1°С. Для примера дана карта изменений региональных зимних ТСП (рис. 1).

Рис. 1. Относительные изменения ? (1) зимних региональных температур воздуха северного полушария [8].

Наибольшие относительные изменения сезонных температур при потеплении и, следовательно, при похолодании ТСП наблюдаются зимой (рис.1) и осенью в Атлантическом секторе Арктики, в частности, на севере Западной Сибири в низовьях Оби и в Тазовской лесотундре. Именно из этих районов ранее были выбраны ряды годового прироста деревьев, которые позволили создать долгосрочные гармонические модели ТСП и температурного режима грунтов севера Западной Сибири [5, 6].

Долгосрочные климатические прогнозы и их значение.

Изучение естественной динамики климатических показателей и климатогенных изменений природной среды имеет важное теоретическое и практическое значение. Теоретическая сторона подобных исследований связана с познанием закономерностей климатических колебаний, изменений экологических характеристик и возможностей их прогнозирования [11]. Практическая сторона дела определяется многочисленными задачами освоения северных территорий России и, главное, необходимостью решения сложнейших проблем выживания современного общества и сохранения на Земле межледникового климата, так как наступление новой ледниковой эпохи приведёт к разрушению существующей цивилизации [3].
Начало ледниковой эпохи проще всего заметитить в Арктическом регионе, так как он наиболее чувствителен к глобальным изменениям климата (рис. 1). Здесь же начинает формироваться цепная реакция похолодания при периодических изменениях в характеристиках орбитального движения Земли. Увеличение разности температур между покрытой льдом Арктикой и экватором в последние 700 тыс лет неоднократно приводило к грандиозным переносам воды и уменьшению уровней океанов на десятки метров, возникновению покровных ледников на северных континентах и погружению их литосферных плит [4]. Детальное пространственно-временное изучение арктического климата и поиски путей его стабилизации является основной задачей человечества на ближайшие сотни лет. Это вопрос выживания цивилизации, на который необходимо найти ответ независимо от наличия или отсутствия ископаемых и биологических ресурсов Арктики. Запасы углеводородов на арктических шельфах, возможно, снизят затратную часть решения этой проблемы, но не её сложность.

Модели глобальных температур.

Периоды движения небесных тел Солнечной системы (СС) регистрируются в гелио-геофизических процессах только тогда, когда они оказывают на них значительное влияние. При этом могут формироваться вынужденные или резонансные колебания с разными периодами, амплитудами и сдвигами фаз. Теоретическим путём получить упомянутые характеристики нельзя, поэтому их вычисляют эмпирически из временных рядов инструментальных данных или реконструкций гелио-геофизических процессов [12].
На прирост деревьев влияют сезонные и годовые температуры воздуха и почво-грунтов, осадки, уровни грунтовых вод, их минерализация, экспозиции склонов, другие факторы. В общем случае связь между годовым приростом и климатическими характеристиками очень сложна. Но на северной границе леса в определённых районах (рис. 1) можно подобрать группы деревьев, ряды радиального прироста которых будут коррелироваться с годовыми температурами воздуха и характеристиками почво-грунтов. Из таких рядов климатических индикаторов выделяют основные колебания ТСП [6, 12, 13]:

ТМ = а + ?AJ*COS(2?*Г/ТJ – ?j)±2?
ТМ = -0.4895215+0.2*COS(2*?*(Г-949)/1029)+0.2*COS(2*?*(Г-987)/515)
+0.101*COS(2*?*(Г-1660)/230-2.787)+0.09768*COS(2*?*(Г-1660)/73+1.346)
+0.1015*COS(2*?*(Г-1660)/22-4.344)+0.06129*COS(2*?*(Г-1660)/105-4.623)
+0.0712*COS(2*?*(Г-1660)/44-1.57)+0.04959*COS(2*?*(Г-1660)/27-0.143)
+0.04236*COS(2*?*(Г-1660)/55-4.206)+0.0529*COS(2*?*(Г-1660)/18-3.278)
+0.04172*COS(2*?*(Г-1660)/15+0.18)+0.03811*COS(2*?*(Г-1660)/11-0.216)
+0.02545*COS(2*?*(Г-1660)/9-2.345)+0.02226*COS(2*?*(Г-1660)/7-2.619) ± 2*0,28433   (2)
где AJ, ТJ, ?j – амплитуды, периоды и фазы стабильных колебаний климатической модели, Г – грегорианский год точки модельной кривой, ? – средняя квадратическая ошибка.

Модельные температуры СП (2) и региональные среднегодовые температуры Тазовской лесотундры показаны на рис. 2. Интервалы выделения модельного климатического сигнала: 1660-1965 гг. [6] и 1000-1992 гг. [13]. Температуры приземного слоя воздуха на севере Западной Сибири в Тазовской лесотундре взяты из работ [8, 7, 2].

Рис. 2. Модельные среднегодовые температуры СП (жирная линия) и коридор неопределённости (±2?) модели (2), включающий с вероятностью 96% все колебания температур с периодами меньше 7 лет [12], а также региональные годовые температуры Тазовской лесотундры (правая шкала) [2]. Аномалии температур показаны в отклонениях от средних температур за период 1951-1975 гг.

Взаимосвязи глобальных и региональных температур.

Относительные изменения среднегодовых температур Тазовской лесотундры можно получить из карт сезонных аномалий ТСП [8]. При изменении глобальных температур на 1°С значительные изменения зимних температур наблюдаются почти над всей территорией России севернее 60° северной широты и на Камчатке (рис. 1). В районе Тазовской губы проходит изолиния 4,5. Колебания годовых ТСП в циклах 4-6 лет составляет 1,1°С (коридор неопределённости, рис. 2), то есть разброс реальных колебаний зимних температур относительно модельных значений ТСП в этом районе приближается к 1,1*4,5 = 5°С.
Для осенних температур изолиния Тазовской лесотундры соответствует величине 2,3, а для весенних и летних сезонов она равна 1,0 [8]. Средний региональный коэффизиент для годового периода составляет величину (4,5+2,3+1,0+1,0)/4 = 2,2. Учитывая точность получения этой величины и удобство представления результатов, округляем её до двух. Поэтому на рис. 2 относительные изменения региональных годовых температур в Тазовской лесотундре (правая шкала) вдвое превышают изменения модельных годовых ТСП (левая шкала), причём основные увеличения амплитуд происходят в осеннее и зимнее время. Каждый градус левой шкалы соответствует двум градусам правой шкалы.

Температурный режим грунтов севера Западной Сибири.

В исследуемом регионе ранее были получены тесные корреляционные зависимости (рис. 3) между изменениями среднегодовой температуры приземного слоя воздуха, характеристиками температурного режима грунтов на метеостанция Уренгой [9, 7] и индексами прироста лиственниц Тазовской лесотундры [5]. В период инструментальных наблюдений (1890-1987 гг.) существует тесная корреляционная связь между скользящими 11-летними среднегодовыми температурами грунта на глубине 20 см в редколесье и моделью индексов прироста лиственниц в Тазовской лесотундре (1103-1968 гг.) [5]. Эта связь сохранялась и на прогнозируемом (1968-1987 гг.) интервале прироста [2].
Температуры торфянников (Тф) и редколесий (Рл) на сопряженных участках хорошо коррелируются (рис. 3). Среднезимние высоты снега (Сн) рассчитываются по номограммам, исходя из данных по осадкам за октябрь – май месяцы. Среднемноголетняя среднезимняя плотность снежного покрова по метеостанции Уренгой равна 0.23 г/см3. Отклонения плотности за отдельные годы не не превышают +/- 0,02 г/ см3 [9, 7].

Рис. 3. Региональные среднегодовых температурах воздуха (ТВ, °С) и параметры температурного режима грунтов Тазовской лесотундры на севере Западной Сибири в 11-летнем осреднении: Т20, Рл и Т20, Tф – температуры (Т) грунта в °С на глубине 20 см (Т20) в редколесье (Рл) и в торфянниках (Tф); TП, А, - среднегодовые температуры (Т) и физические амплитуды (А) колебаний среднемесячных температур грунтов в °С на подошвах (П) сезонно-талых (СТС) и сезонно-мерзлых слоев (СМС); Qгод – среднегодовые теплообмены (Q) грунтов с атмосферой в ккал/см2; Огод - среднегодовые осадки (О) в мм за год; hСн, Рл, hСн, Tф – среднезимние высоты (h см) снега (Сн) в редколесье (Рл) и на торфянниках (Tф) [2].

В настоящей работе на том же примере показано, как можно уже по величине модельных среднегодовых ТСП (2), а не по значениям индексов прироста Тазовской лесотундры, реконструировать и прогнозировать изменения региональных характеристик климата и температурного режима мёрзлых грунтов. Единственное условие – в регионе должны проводиться режимные климатические и мерзлотные исследования. Приведенные данные позволяют всем исследователям самостоятельно составлять региональные климатических прогнозы и увязывать их с данными местных метеорологических и мерзлотных режимных наблюдений.
Для упрощения графического представления реконструкций и прогнозов температурного режима грунтов корреляционные связи с годовыми температурами воздуха (ТВ) показаны, как и ранее, в виде неравномерных вертикальных шкал. Все изменения во времени температур воздуха и режима грунтов при этом показываются с помощью одного графика (рис. 2), но каждая характеристика имеет свою вертикальную шкалу (рис. 3).
Анализ естественных вариаций ТСП, в частности, показал, что потепление СП и на севере Западной Сибири завершится к 2035 г., после чего возникнет длительный тренд похолодания, связанный с холодными периодами в 515 и 1029 лет (2). Сезонно-мерзлые слои (СМС) будут замещаться сезонно-талыми слоями (СТС). На тренде похолодания будут наблюдаться аномалии потепления длительностью до 115 лет, связанные с ритмами в 230 и менее лет (рис. 2).
Корреляция индексов прироста, температур воздуха и грунтов более полно отражает условия произрастания деревьев на их северной границе. Предел произрастания, соответствующий нулевому радиальному приросту, в восточной части Западно-Сибирской лесотундры соответствует среднегодовой температуре -3°С на глубине 20 см в редколесье [1], или среднегодовой региональной температуре воздуха -11°С (рис. 3), или среднегодовой аномальной ТСП, равной -1,5°С (рис. 2). Коридор неопределённости ТСП касался этой температуры в середине ХII века, когда наблюдался глубокий минимум индексов прироста лиственниц Тазовской лесотундры [2]. В XXIII веке колебания температур внутри десятилетних циклов будут часто опускаться ниже этого предела (рис. 2), что может привести к гибели лиственниц и смещению на юг границ леса.

Прогноз и преобразование климатического режима Арктики.

С 2035 г по 2150 г будет проходить похолодание от 230-летней волны (рис. 2), к которой постепенно будут добавляться похолодания от 500 и 1000-летних периодов (2). Прогнозируемое к 2300 г похолодание само по себе представляет серьзную угрозу для северных стран [3]. Мы уже прожили в межледниковом периоде среднее время его существования и высока вероятность того, что это обычное для голоцена похолодание перейдёт в следующую ледниковую эпоху с подключением холодных фаз периодов в десятки и сотни тысяч лет [4, 11, 12]. Годы 2024±1 и 2067±1 будут последними наиболее тёплыми годами (рис. 2).
Учитывая приближение ледниковой эпохи необходимо подготовить комплексную программу мерзлотных, гляциологических, ледовых наблюдений и активных воздействий, препятствующих похолоданию Арктики [3]. Эти воздействия должны уменьшить наибольшие амплитуды (А?1) климатических периодов Т: 22, 73, 230, 515 и 1029 лет (2). За оставшееся время эффективность используемых воздействий можно проверить только на периодах в 22, 73 и 230 лет. Амплитуды А?1 имеются также у ледниковых периодов в 79 и 93 тыс.лет [4], которые также необходимо уменьшить.
До наступления ледниковой эпохи температуру земной поверхности в СП необходимо повысить до 16°С за счёт уничтожения плавучих льдов Арктики. Это восстановит климат, существующий 2,9 млн.л тому назад [4]. Тогда возникновение астрономической ситуации, которая в последние 700 тыс.лет неизбежно приводила к ледниковым эпохам, только снова уменьшит ТСП до современного уровня и температуры будут колебаться в пределах 0,5°С (рис.4 из работы [4]), то есть ТСП снова будут соответствовать температуре межледниковья (рис. 2, жирная линия).
Чтобы каждый год уничтожать формирующиеся льды Арктики человечеству нужно производить энергии в 1000 раз больше современного уровня [3]. Решение этой задачи в ближайшие 50-100 лет вряд ли возможно. У нас также нет рычагов управления солнечной активностью и движением планет. Но мы можем при помощи отражающих экранов частично изменить направления потоков солнечной энергии, тёплых и солёных течений океанов и подвести их к поверхности морей Арктики. Надо только, чтобы эти или другие действия привели к таянию плавучих льдов [3, 4].
Теоретические и экспериментальные разработки, долговременные наблюдения и испытания методов стабилизации климата межледниковья необходимо развернуть немедленно и решения нашей конференции должны способствовать осознанию этого факта научными и государственными чиновниками всех северных стран и ООН.

Литература

1. Атлас Тюменской области. Вып. 2, Москва - Тюмень, 1976.
2. Берри Б.Л. Вариации климата и температурного режима грунтов в прошлом тысячелетии и прогноз вариаций для ближайших столетий. http://www.netpilot.ca/geocryology/num3/articles.html  Journal of Geocryology, v. 3, 2001,
3. Берри Б.Л. Прогноз природных процессов и проблемы стабилизации климата.// В сб.: Математические методы анализа цикличности в геологии. Т.13. Под ред. Афанасьева С.А. М.:Воентехиниздат, 2006. С.158-168.
4. Берри Б.Л.. Реконструкция (3 млн.лет) и прогноз (0,3 млн.лет) глобальных экологических показателей и пути сохранения климата последнего межледниковья. Настоящий сборник. 2011.
5. Берри Б.Л., Либерман А.А., Шиятов С.Г. Периодические колебания индексов прироста лиственницы сибирской в Тазовской лесотундре и их прогноз. Экология, 1979, N6. С. 22-26.
6. Берри Б.Л., Либерман А.А., Шиятов С.Г. Реконструкция и прогноз температур Северного Полушария по вариациям индексов прироста деревьев на полярной границе леса. - Вестн. Моск. Ун-та, Сер. 5, География, N4, 1983, с.11-17.
7. Берри Б. Л., Лукичев В.Ф. Реконструкция и прогноз климатических характеристик и температурного режима грунтов севера Западной Сибири. В сб. Методические основы изучения опасных природных явлений и оценка ущерба от них. Деп. ВИНИТИ, 9.09, 88, N6945, Москва, 1988, с.215-228.
8. Ковынева Н.П. Закономерности современных изменений полей приземной температуры воздуха и атмосферных осадков. - Изв. АН СССР, Сер. География, N6, 1984, с.29-39.
9. Лукичев В.Ф. Расчет глубин сезонного промерзания и протаивания грунтов в различных природных условиях. Проблемы нефти и газа Тюмени. Вып. 58, Тюмень, 1983, с.83-86.
10. Полозова Л.Р., Шиятов С.Г. Влияние термического режима на радиальный прирост деревьев в различных условиях их местообитания. Экология, 1975, N6.
11. Berry B.L. Regularities of natural cycles, predictions of climate and surface conditions. Hydrological Processes. Vol.12, 1998, p.2267-2278.
12. Berry B.L. Solar system oscillations and models of natural processes // Journal of Geodynamics. 2006. № 41, Issues 1-3. С. 133-139.
13. Esper J., Cook E.R., Schweingruber F.H., 2002. Low-frequency signals in long tree-ring chronologies for reconstructing past temperature variability. Science 295, 2250-2253 (2002).
14. Overpeck J., Hughen, D., Hardy D., Bradley R., Case R., Douglas M., Finney B., Gajewski K., Jacoby G., Jennings A., Lamoureux S., Lasca A., MacDonald G., Moore J. Arctic environmental change of the last four centuries. Science vol.278, 1997, p.1251-1256.

 

 
При цитировании документа ссылка на сайт с указанием автора обязательна. Полное заимствование документа является нарушением
российского и международного законодательства и возможно только с согласия автора.