Методы, критерии и модели для оценки критических уровней воздействия изменения климата на природные системы в районах распространения вечной мерзлоты

Проект нацелен на разработку критериев и методов оценки уровня изменения климата, превышение которого приводит к значительным и часто необратимым изменениям природной среды в районах распространения многолетнемерзлых грунтов. Природные системы криолитозоны находятся в динамическом равновесии, которое в значительной степени регулируется состоянием многолетнемерзлых пород (далее называемых вечной мерзлотой), а именно их степенью сомкнутости и температурой, а также глубиной сезонно-талого слоя (СТС), при этом все системы взаимосвязаны, каждая по-своему реагирует на изменение климата, и часто оказывается, что одна из систем служит «буферной зоной» для других, ослабляя воздействие климатического сигнала. Адекватные модели динамики природных систем криолитозоны, учитывающие их взаимосвязи, в настоящее время отсутствуют. Попытки их построения в рамках глобальных физически полных гидродинамических моделях климата и динамических моделях растительности привели к крайне нереалистичным результатам из-за сложности детального описания многих специфических для криолитозоны процессов энерго и массобмена. В ходе выполнения проекта будут созданы новые методы и физически полные модели для многофакторного анализа воздействия изменений климата на природные системы и процессы в криолитозоне с учетом обратных связей и взаимодействий между ними. Прежде всего, будут выделены те из них, которые имеют сопоставимые времена релаксации к внешним возмущениям. К таковым можно отнести термический режим приповерхностного слоя вечной мерзлоты, мощность СТС, растительность, реагирующую на внешние воздействия изменением биомассы/сомкнутости и видового состава биомов (эти параметры влияют на теплоизолирующую способность растительного покрова и, следовательно, на теплообмен вечной мерзлоты с атмосферой), а также влажность почвы, увеличение которой значительно улучшает теплопроводность, способствуя деградации вечной мерзлоты, а также создает предпосылки для биотических изменений и замещения низших форм мохово-лишайниковых более продуктивными транспирирующими сосудистыми растениями. Будет разработана совместная модель гидротермического режима криолитозоны и растительности, расчеты по которой будут проводиться по ансамблевому методу. Метод ансамблевого осреднения, широко используемый в расчетах по гидродинамическим моделям климата, при моделировании вечной мерзлоты ранее в мировой практике не применялся. Его использование даст возможность перейти от детерминистических к вероятностно-статистическим оценкам динамики природных систем криолитозоны. По результатам модельных расчетов будет определено, в какой степени современные изменения вечной мерзлоты в различных ландшафтных, биоклиматических и почвенных условиях обусловлены климатическими факторами. В результате такого анализа вся криолитозона будет разделена на районы, в которых современная динамика природных систем в различной степени обусловлена климатом. По этим данным будет построена карта чувствительности природных систем криолитозоны к современным изменениям климата. На заключительном этапе будут проведены ансамблевые расчеты по совместной модели гидротермического режима криолитозоны и растительности с использованием различных климатических сценариев для середины и конца 21 века. Целью расчетов будет получение прогноза, определение критических уровней изменений климата для различных районов криолитозоны, а также того, насколько современные условия близки к этим уровням. Критерии, на основании которых можно определить критические уровни изменений климата, в настоящее время отсутствуют и будут выработаны при анализе результатов расчетов с помощью предлагаемой авторами концептуальной модели взаимодействия различных природных систем криолитозоны с климатом.

Была обновлена и расширена база данных растительности районов распространения вечной мерзлоты. Принятый в проекте подход предполагает детальный анализ изменений, вызванных климатическими факторами, которые, согласно существующим представлениям, будут иметь место как на уровне биомов, так и на уровне отдельных функциональных типов растений (ФТР) в различных биомах. По этой причине основу базы данных составляет информация о численности ФТР в северных биомах, в то время как большинство аналогичных исследований ограничиваются анализом информации на более общем уровне биомов в целом и смещения границ их распространения под воздействием климатических изменений. Были проанализированы публикации, в которых представлены данные о динамике соотношения растительных форм при экспериментальных воздействиях, имитирующих условия климатического потепления. Была найдена эмпирическая зависимость, связывающая повторяемостью транспирирующих форм растительности и низших мохообразных растений и лишайников в арктических биомах при изменении температуры и азотного питания. В контексте данного проекта существенно, что низшая мохово-лишайниковая растительность обладает большой теплоизолирующей способностью, в то время как сосудистые растения формируют покровы, которые не препятствуют нагреванию поверхности почвы в летний период. Это позволит учесть изменения растительности в модельных расчетах мощности сезонно-талого слоя. Были проанализированы данные о динамике северной растительности в естественных условиях в связи с изменением теплообеспеченности вегетационного периода. Выводы соответствуют тому, что было получено в экспериментальных исследованиях с применением искусственных воздействий. Они подтверждают принятую в проекте концепцию о том, что изменения растительности с увеличением теплообеспеченности имеют двойственный характер. Небольшое повышение теплообеспеченности ведет к увеличению биомассы биома в своей целостности. При этом изменения вечной мерзлоты могут быть относительно невелики, поскольку растительность, выступая в качестве буферного слоя, во многом компенсирует прямое климатическое воздействие. При более сильных изменениях биом теряет свою целостность, а отдельные составляющие его ФТР вступают в конкуренцию с привнесенными типами, ранее не встречавшимися на данной территории. В результате возникают новые биомы с существенно отличными свойствами, что приводит к быстрым и часто необратимым изменениям вечной мерзлоты в таких районах. Была начата разработка совместной модели гидротермического режима и растительности криолитозоны. Ранее созданная динамическая модель вечной мерзлоты была дополнена блоком, описывающим динамику верхнего метрового слоя почвы посредством решения уравнения водного баланса, которое связывает на каждом временном шаге атмосферные осадки, испарение, сток и почвенный влагозапас. Отличием модели от аналогов является учет реальной величины оттаявшего слоя при расчете влагооборота почвы, что является необходимым условием при проведении расчетов в районах распространения многолетнемерзлых пород, поскольку там она может не превышать нескольких десятков сантиметров на протяжении всего теплого периода. Была собрана база данных по температуре и осадкам месячной дискретности, основу которой составили наблюдения более чем 1800 метеостанций на территории бывшего СССР. Эти данные в дальнейшем будут использованы для проведения модельных расчетов по криолитозоне России.