№ 21-55-10003 (совместный конкурс РФФИ и Лондонского королевского общества) «Моделирование эволюции оледенения Кавказа в будущем и ее последствий для водных ресурсов и возникновения опасных явлений»

Отступление ледников Большого Кавказа во второй половине ХХ - начале ХХI веков было зафиксировано различными методами, включая как прямые инструментальные наблюдения, так и дистанционное зондирование. Ожидается, что в условиях постепенного потепления климата общая тенденция отступления ледников сохранится и в будущем. В предгорьях Северного Кавказа, важного сельскохозяйственного региона, проблема ожидаемых изменений горного оледенения стоит особенно остро, поскольку колебания режима стока местных рек зависят от эволюции ледников: вклад ледникового стока в общий сток весьма значителен. Отступающие ледники также могут вызывать появление озер в локальных депрессиях подстилающего рельефа. Их возможный прорыв может нанести значительный ущерб экономике и угрожать жизни людей. И прогноз стока и места потенциального образования озер связаны с прогнозами будущего состояния горного оледенения.     

Исторически сложилось так, что усилия исследователей были сосредоточены на моделировании отдельных ледников, что во многом объяснялось, главным образом, недостатком исходных данных наблюдений. Одновременно происходило постепенное усложнение самих математических моделей. Последнее, естественно, приводило к росту вычислительных затрат. Ограниченность доступных данных наблюдений и сложность моделей препятствовали масштабным (в пространственном смысле) прогностическим исследованиям. Практическая потребность в одновременном широком пространственном охвате при максимально возможном при этом сохранении качества гляциологических прогнозов привело, фактически, к смене парадигмы модельных исследований. Одновременно с дальнейшей эволюцией условно традиционных моделей появился новый класс так называемых глобальных гляциологических моделей (ГГМ). Этот в каком-то смысле революционный шаг стал возможным вследствие накопления достаточного количества доступных данных, получаемых, прежде всего, дистанционными методами, и появлению эффективных и, в то же время, относительно простых расчетных методов. Речь идет об автоматизации оконтуривания ледников, идентификации осевых линий ледников, инверсии топографии ложа и появлению наборов глобальных топографических данных. Благодаря этим разработкам и существенным упрощениям в описании динамики ледников, применение ГГМ позволяет описывать эволюцию ледников на региональном и глобальном уровне. Их появление открыло, по сути дела, новую страницу в прогнозировании состояния оледенения и, что немаловажно с практической точки зрения, ледникового стока.

Первый год выполнения проекта бы посвящен, главным образом, решению ряда задач, связанных с настройкой гляциологических моделей и модели речного стока, их стыковкой и тестированием в условиях модельного климата 21-го века. Валидация моделей осуществлялась на доступных исторических рядах баланса массы и данных дистанционного зондирования. Выполненный анализ архивной спутниковой информации подтвердил, что с середины прошлого столетия существует тенденция сокращения масштабов оледенения Кавказа. Если в 1960-х годах площадь всех ледников составляла 1674,9 кв. км, то к 2000 году она уменьшилась до 1284,7 кв. км, а к 2018 году сократилась до 1067,1 кв. км. При этом в период 1960–2000 гг. средняя годовая скорость составляла 0,58% в год, а в период 2000-2018 гг. ее величина возросла до 0,94% в год. Регион исследования представлен на рис. 1.

Гляциологическое моделирование выполнялось по двум направлениям. Для расчетов современных и будущих характеристик горных ледников в бассейнах Терека и Кубани использовалась модель GloGEMflow. Модель была дополнена блоком для расчета динамики моренного чехла, был обновлен блок солнечной радиации. Калибровка модели осуществлялась на данных по геометрии ледников из архива RGI6.0.

Эволюция ледникового комплекса Эльбруса, состоящего из двух десятков ледников, в последние два десятилетия ХХ века и в начале XXI века в целом соответствовала тенденции уменьшения площади оледенения всего Кавказа. За период 1960-2014 гг. площадь оледенения Эльбруса уменьшилась примерно на 15%, а за два десятилетия 1997-2017 гг. - почти на 11%. По состоянию на 2017 год площадь оледенения Эльбруса оценивалась в ок. 112 кв. км, его объем превысил 5 куб. км. Оледенение Эльбруса вносит значительный вклад в формирование гидрологического режима в регионе и, следовательно, может рассматриваться как серьезный вызов социально-экономическому развитию региона. Последнее обстоятельство требует точной оценки ледникового стока и, как следствие, расчета баланса поверхностной массы ледникового комплекса.  В рамках настоящего проекта наряду с ГГМ мы предполагаем использовать в расчетах трехмерные модели для моделирования динамики ледникового комплекса Эльбруса. На первом этапе нами был модернизирован радиационный блок модели, в схему расчетов поверхностного баланса массы были включены процессы метелевого переноса и вертикального перераспределения снега (лавинное питание), проведены тестовые расчеты для двух мультимодельных климатических сценариев, RCP2.6 и RCP8.5. Показано, что одновременный рост температуры приземного воздуха и инсоляции, сопровождаемый изменением режима осадков на Центральном Кавказа, вызовет существенное повышение высоты снеговой линии и сокращение площади аккумуляции. В результате в ближайшие десятилетия следует ожидать ускоренной деградации оледенения Эльбруса.

Рис. 1. Район исследования. (a) Ледники бассейнов Терека и Кубани (северный склон Кавказа) – отмечены синим цветом. (б) Изменение высоты поверхности ледников Приэльбрусья между 2000 и 2019 годами. (в) Скорость течения поверхности льда в районе ледника Безенги (г) Моренный покров ледника Джанкуат на дату инвентаризации RGI (очертания ледника из RGI Consortium (2017)). (д) Моренный покров ледника Джанкуат в 2018 году.

Настройка математических моделей предполагает наличие информации о состоянии горного оледенения в прошлом и настоящем. В этой связи в разделе нами были подведены итоги по инвентаризации спутниковых данных по изменению площади оледенения Большого Кавказа и рассчитанных на их основе изменениях объема оледенения.

Большой раздел проекта посвящен моделированию изменения речного стока в бассейнах рек Терек и Кубань вследствие климатических изменений и сокращения площади и объема горного оледенения. Была выполнена настройка модели ECOMAG для бассейнов Терека и Кубани, произведена стыковка с гляциологическим блоком (результаты моделирования на GloGEMflow), отработано усвоение прогностических климатических данных (скорректированные мультимодельные результаты программы CORDEX) и проведена серия тестовых экспериментов.

В качестве базового программного комплекса для моделирования процессов формирования стока использовался российский информационно-моделирующий комплекс (ИМК) ЕСОМАG (ECOlogical Model for Applied Geophysics). Модель описывает основные процессы гидрологического цикла суши: инфильтрацию, испарение, термический и водный режим почв, формирование снежного покрова и снеготаяние, формирование поверхностного, внутрипочвенного, грунтового и речного стока. Калибровка и верификация модели формирования стока проводилась на основе сопоставления фактических и смоделированных гидрографов стока в различных створах в бассейнах Терека и Кубани. Для валидации ледового блока рассматривался участок бассейна р. Терек с наибольшим оледенением - в верховьях р. Баксан. Главный эффект, который был получен в результате подключения ледникового блока, – это увеличение объема стока в летний период в высокогорных частях бассейна.

Для перехода к расчетам с учетом климатических прогнозов использовались скорректированные мультимодельные данные программы CORDEX c пространственным разрешением 1 км за исторический период с 1977 по 2005 г. и на период климатического прогноза 2005-2100 гг. В серии тестовых расчетов были промоделированы гидрографы р. Баксан с входной покрытостью ледниками за 1990 и 2015 г. Прогностические аномалии стока для высокогорной части бассейна р. Терек имеют положительный знак. Возможный рост среднегодового стока при реализации минимального сценария RCP2.6 может достигнуть 30% к середине 21 в. и связан в основном с соответствующим ростом осадков. Во второй половине 21 в. при данном сценарии дальнейший рост стока не ожидается. При сценарии RCP8.5 рост объемов стока может продолжаться до конца века и составить более 50%, что, по-видимому, связано с прогнозируемым увеличением скорости таяния ледников, обусловленного существенным ростом приземной температуры воздуха.

            Работа над грантом завершена в сентябре 2022 г. Первоначально он представлял собой совместное исследование российских и британских ученых из университета Рединга, соответственно финансирование осуществлялось как со стороны РФФИ (российская команда), так и со стороны Королевского Общества (Royal Society). К сожалению, по объективным причинам часть запланированных работ не состоялась по объективным причинам. Из-за коронавирусных ограничений в 2021 г. не были проведены совместные полевые работы в Приэльбрусье и визит российских исполнителей проекта в Рединг. В 2022 г. объем совместных работ был сведен к обмену информацией и работе над общей публикацией из-за фактического запрета Великобритании на сотрудничество с российскими научными организациями.