Эволюция оледенения Внутреннего Тянь-Шаня в условиях климатических изменений и техногенного воздействия

Статус: Завершенный



  

Номер гранта:

20-05-00681 А

Область научного знания:

Науки о Земле

Годы:

2020 - 2022

Руководитель:

Рыбак О.О

Статус заявки:

поддержана   


Аннотация

 
Климатические изменения в Средней Азии обуславливают сокращение масштабов горного оледенения Тянь-Шаня. Между тем, именно горное оледенение является ключевым фактором стабильного поступления воды в гидрологическую систему этого засушливого региона, который характеризуется политической нестабильностью. Ускоренное таяние ледников создает до¬полнительные риски для устойчивого развития и региональной водной, энергетической и продовольственной безопасности. В Кыргызстане талые воды составляют до 50% общего стока в годовом исчислении и до 70% в летние месяцы. Они обеспечивают, помимо сельского хозяйства, гидроэнергетику, которая покрывает до 90% потребностей страны в электроэнергии. Наиболее крупные гидроэнергетические ресурсы сосредоточены в бассейне реки Нарын, истоком которого является река Кумтор, берущая начало в массиве Ак-Шийрак. Таким образом, состояние оледенения массива Ак-Шийрак и южного склона хребта Терскей Ала-Тоо напрямую связано с главными вызовами социально-экономическому развитию Кыргызской Республики в меняющемся мире. 

Кыргызстан традиционно считается ключевым партнером и как культурно и ментально наиболее близкой и дружественной Российской Федерации страной в Среднеазиатском регионе. Соответственно проблемы водоснабжения для целей ирригации и гидроэнергетики, стоящие перед Кыргызстаном в настоящем и прогнозы водоснабжения и водопотребления в будущем, которые будут определяться климатическими изменениями, актуальны и для Российской Федерации. В настоящее время власти Кыргызстана, осознавая масштабы неизбежных грядущих проблем с водоснабжением вследствие сокращения горного оледенения предпринимают ряд мер, направленных на восстановление системы мониторинга за ледниками, которая рухнула после распада СССР. Недостаток материальных ресурсов и, главное, отсутствие специалистов в области прогнозирования и, в частности, математического моделирования динамики ледников, объективно препятствуют решению стоящих перед страной проблем и требуют серьезной международной помощи. Участие российских специалистов в их решении полностью соответствует геополитическим целям России в регионе. Таким образом, актуальность предлагаемого исследования обусловлена стратегическими интересами Российской Федерации в Среднеазиатском регионе.

Цель настоящего проекта заключается в долгосрочном (до 2100 г. и далее) прогнозировании методом математического моделирования состояния оледенения Внутреннего Тянь-Шаня (массив Ак-Шийрак и южный склон хребта Терскей Ала-Тоо) и в объективной оценке изменений ледникового стока, обусловленных эволюцией климата и антропогенной деятельностью. Для достижения поставленной цели потребуется решить ряд основных задач: 
1. Систематизировать имеющиеся метеоданные автоматических метеостанций, данные по толщине льда и данные съемок с БПЛА, относящиеся к исследуемому региону, данные по балансу массы и привести их к формату, пригодному для численного моделирования.
2. Провести серию прогностических численные эксперименты на 3-мерной комплексной математической модели по воспроизводству эволюции отдельных ледников (л. Бордуу – массив Ак-Шийрак; л. Григорьева, л. Ашуу-Тор – хр. Терскей Ала-Тоо) при условии реализации различных климатических сценариев.
3. Провести серию прогностических численных экспериментов на модифицированной версии модели GloGEMflow по реконструкции и прогнозу эволюции оледенения массива Ак-Шийрак и южного склона хребта Ала-Тоо.
4. Исследовать вероятные сценарии эволюции л. Давыдова после прекращения добычи золота на руднике Кумтор.

Научная новизна в подходах к решению задач проекта заключается в том, что в исследовании предполагается использовать ансамблевый подход к оценке будущих состояний оледенения Внутреннего Тянь-Шаня и в том, что в качестве климатического форсинга предполагается использовать в первую очередь схематические сценарии, в основу которых будут положены генераторы погоды. Такой подход позволит рассматривать оледенение как стохастическую систему, подвергающуюся случайному погодному воздействию и рассматривать ее эволюцию с вероятностной точки зрения.

В результате выполнения проекта будет построена эволюционная картина горного оледенения массива Ак-Шийрак и южного склона хребта Терскей Ала-Тоо до конца 21-го века и за горизонтом 2100 г. (до 2300 г): изменение объема и площади оледенения, отступание фронта ледников и снеговой линии, изменение объемов ледникового стока. Планируется провести серию численных экспериментов, в которых будут получены оценки скорости восстановления ледника Давыдова, чья динамика была существенно нарушена в ходе горнорудных работ золотодобывающей компании «Кумтор Голд Компани» (КГК). Оценки будут построены в зависимости от будущих климатических условий и от выбранной КГК стратегии рекультивации карьера, который в настоящее время находится на месте языка ледника. 

risproekt.jpg
Слева: регион исследования – Внутренний Тянь-Шань. Ледник Карабаткак расположен на северном макросклоне хребта Терскей Ала-Тоо. На врезке регион исследований выделен красной рамкой. Стрелка указывает на расположение станции Иссык-Куль сети AERONET. Справа: космический снимок ледника Карабаткак. Изогипсы проведены через 20 м. Красные треугольники указывают на расположение автоматических метеостанций (АМС1, 3420 м над у.м. и АМС2, 3460 м над у.м.)

Планируемые результаты будут иметь как академическое (фундаментальное), так и прикладное значение. Фундаментальная ценность результатов проекта заключается в том, что они позволят лучше понять механизмы влияния климатических изменений на процессы в криосфере планеты. Прикладная значимость определяется важностью региона Внутреннего Тянь-Шаня для Кыргызстана, поскольку именно здесь находятся истоки р. Нарын, играющей ключевую роль в гидроэнергетике страны. Полученные оценки изменения ледникового стока во времени позволят адаптировать местную экономику к изменившимся условиям окружающей среды и разработать стратегии развития страны в зависимости от реализации того или иного сценария климатических изменений.

В рамках проекта были получены следующие результаты.

Экспедиционные исследования проводились в июле-августе 2021 и 2022 г. Первоначально запланированная экспедиция в 2020 г. не состоялась из-за сложной эпидемиологической обстановки и из-за прерывания авиасообщения с Кыргызстаном. Нами совместно с коллегами из Кыргызстана и Бельгии были проведено радиозондирование ледников Григорьева и Петрова, по результатам которого были построены карты толщины льда. Была выполнена детальная съемка с БПЛА ледников Григорьева (рис. 1), Петрова (рис. 2), Давыдова, Борду, Сары-Тор и Карабаткак, на основе которой были построены актуальные цифровые модели рельефа.

Рисунок5.jpg

Рисунок6.png

Рис. 1. Ледник Григорьева, общий вид, съемка с квадрокоптера, июль 2021 г. (слева). Точки измерения толщины льда (справа).

 

Для достижения целей проекта решались несколько взаимосвязанных задач.

            Разработка региональных климатических проекций. Для физически-обоснованного прогнозирования эволюции горного оледенения на долгосрочную перспективу и вызванных им изменений в речном стоке нами были использованы материалы проекта CORDEX, которые включают варианты прогностических расчетов на трех различных связках моделей общей циркуляции атмосферы и океана (разрешение последних несколько градусов по широте и долготе) и региональных климатических моделей (МОЦАО-РКМ) для обширного Центральноазиатского региона, к которому относятся Центральный и Внутренний Тянь-Шань. Исходные поля имеют пространственное разрешение около 25 км и разрешение по времени 1 сутки. Исторический период охватывает 1977-2005 гг., прогностический (для климатических сценариев – «умеренного» RCP2.6 и «экстремального» RCP8.5) – 2006-2100 гг. (Рис. 3). Систематические ошибки в модельных климатических полях исключаются различными процедурами коррекции. Скорректированные поля подвергаются дальнейшей регионализации до пространственного масштаба 1 км. Для проведения этой процедуры используются данные наблюдений на сетевых метеостанциях и автоматических метеостанциях, установленных на ледниках региона.

            Модернизация модели поверхностного баланса массы ледников. Во всех математических моделях поверхностного баланса массы ледников, в основе которых лежит энергобалансовый метод, в общем случае требуется рассчитывать радиационный баланс поверхности ледника. Нами реализована радиационная модель, построенная на базе алгоритмов моделей REST и MRM, адаптированная для горного ледника, и использующая данных наблюдений станции Иссык-Куль сети AERONET. Были получены результаты моделирования прямой и рассеянной радиации, которые удовлетворительно воспроизводили данные радиационных наблюдений на двух автоматических метеостанциях, установленных на леднике Карабаткак. В результате проведения более семидесяти численных экспериментов были определены оптимальные для региона алгоритмы расчеты нисходящей длинноволновой радиации.

 

Рисунок7.jpg

Рис. 2. Озеро Петрова и фронтальная область ледника Петрова. Съемка с квадрокоптера, июль 2022 г.

   

 Рисунок8.png  Рисунок9.png  Рисунок10.png
 а)  б)  в)

Рис. 3. Средние по площади прогностические аномалии приземной температуры воздуха за теплый сезон, °С, (май-сентябрь) (а), количества осадков за холодный сезон (октябрь-апрель, б), и теплый сезон (май-сентябрь, в), относительные единицы, на период 2091-2100 г. для всего региона Центрального и Внутреннего Тянь-Шаня (1), для точек с абсолютной высотой более 3000 м (2), для района Внутреннего Тянь-Шаня (41,67°-42,33° с.ш., 77,33°-78,83° в.д.)

 

            Реконструкция поверхностных балансов массы некоторых ледников региона. На нескольких ледниках установлены автоматические метеостанции и проводится мониторинг скорости таяния и снегонакопления. Полученные за несколько лет наблюдений данные вместе с дендрохронологическими данными наших коллег позволили реконструировать балансы массы ледников Сары-Тор, Карабаткак и Борду за период 1750-2020 гг.

            Подготовка упрощенной глобальной гляциологической модели для проведения прогностических расчетов эволюции оледенения региона в целом. К глобальной гляциологической модели GloGEMflow был подключен блок собственной разработки, отвечающий за описание эволюции моренного чехла, что позволило строить более реалистичные гляциологические проекции. В результате проведения серии численных экспериментов, нами было установлено, что площадь ледников по состоянию на 2021 год без учета влияния морены изменилась на 14%, а с учетом морены – примерно на 4%. Это показывает, что за 20 лет симуляции (2001-2021 гг.) эффект моренного покрова, оказываемый на эволюцию ледников, значителен. Разработанная методика модельных расчетов позволит точнее прогнозировать поступление талой ледниковой воды в речную сеть.

Адаптация комплексной трехмерной модели для прогностических расчетов геометрии отдельных ледников в среде Elmer/ICE. Было завершено построение как стационарной так и эволюционной моделей динамики ледника Сары-Тор, на котором отрабатывалась методика прогностических расчетов эволюции других ледников региона, прежде всего, ледника Давыдова, в максимальной степени подверженного техногенному влиянию. В модель вбыло ведено два основных дополнения: граничное условие соответствующее базальному скольжению и расчет температурного поля ледника, взаимосвязанного с реологическими характеристиками среды и полем скоростей. Для моделирования скоростей течений в леднике была применена трехмерная стационарная термомеханическая полная модель Стокса с реологическим законом для неоднородной нелинейно вязкой жидкости (фирн/лед). Все расчёты производились в среде численного гляциологического моделирования Elmer/Ice, основанной на методе конечных элементов.

 

Рисунок11.jpg

 

Рис. 4. Прифронтовая часть ледника Давыдова. На месте уничтоженной части ледника находится главный карьер рудника Кумтор (съемка с квадрокоптера, август 2021 г.).

 

Качественная оценка вероятных путей восстановления ледника Давыдова после окончания добычи золота в главном карьере. Ледник Давыдова представляет собой ярчайший пример интенсивного техногенного воздействия на горное оледенение. Значительная его часть (фактически большая часть зоны абляции) была уничтожена в результате золоторудных разработок в конце 20-го – начале 21-го века. Главный карьер месторождения находится на месте уничтоженной части ледника (рис. 4). Пустая порода складируется на территории концессии в том числе и у фронта соседнего ледника Лысый. Нами рассмотрено несколько возможных сценариев эволюции ледника Давыдова после завершения разработок, которое планируется в ближайшие годы.

 

Проект завершен в декабре 2022 года.

 


Дата публикации: 02.12.2020



Все проекты