Аннотация результатов, полученных в 2023 году
На данном этапе проекта осуществлялось развитие параметризации горного оледенения, предназначенной для расчета ледниковой составляющей стока в Мировой океан в рамках Модели Земной Системы ИВМ РАН. Ядром параметризации является так называемая «минимальная модель» Урлеманса [Oerlemans, 2008; Торопов и др., 2023], а «периферией» - программный блок, позволяющий вычислять компоненты баланса массы горного ледника по метеорологическим данным (наблюдений, реанализов, или глобальных климатических моделей). Данный блок включает в себя алгоритм расчета орографической компоненты осадков, процедуру пересчета приходящей коротковолновой радиации на поверхность ледника, схему расчета турбулентных потоков тепла и влаги на основе теории Монина-Обухова, модель снежного покрова, разрабатываемую для высокогорных условий. В течение отчетного года на основе первой версии развиваемой параметризации выполнены расчеты компонентов баланса массы и динамики тестовых ледников Центрального Кавказа (Джанкуат и Гарабаши). В рамках решения данной задачи с помощью созданной ранее модели орографического добавка осадков (Toropov et. al., 2023) была рассчитана итоговая сумма осадков на поверхностях ледников Джанкуат и Гарабаши за период 1981 – 2020 гг. Показано, что модель орографических осадков улавливает основные особенности пространственно-временного распределения осадков в горах Кавказа на примере Эльбруса, а также района ледника Джанкуат. Эти данные стали основой для достаточно удачной оценки слоя аккумуляции на тестируемых ледниках. Коэффициент корреляции между модельным и реально измеренным годовым слоем аккумуляции составляет 0.68. Величина отрицательного тренда аккумуляции, по данным наблюдений составила 10 мм.в.э./год. Она связана с общей тенденцией уменьшения годовой суммы осадков на Центральном Кавказе и подтверждается как данными метеорологических наблюдений на окрестных метеостанциях, так и результатами анализа ледового керна Эльбруса [Торопов и др., 2022]. В среднем за рассматриваемый период ошибка моделирования составляет всего 10 мм., что можно считать хорошим результатом. Также проводились работы по усовершенствованию блока расчета абляции ледника. Данный блок был дополнен алгоритмом распределения приходящей солнечной радиации в зависимости от экспозиции склона, его крутизны и закрытости горизонта на основе известной зависимости Кондратьева, с некоторыми модификациями, используемыми в работе [Muller M. D., Scherer D., 2005]. Для расчета турбулентных потоков на ледниковой поверхности, использовано стандартное приближение приземного слоя и теория подобия Монина—Обухова [Monin A, Yaglom A., 1971], при этом в качестве функций устойчивости использовались стандартные функции Бусингера–Дайера [Businger et. al., 1971; Dyer, 1974]. Модель воспроизвела статистически значимый положительный тренд абляции на обоих ледниках: коэффициент корреляции между рядами модельных и натурных данных составляет 0.65. Однако, согласно данным наблюдений, величина тренда составляет 20 мм/год, в то время как по результатам моделирования он вдвое меньше (~10 мм/год). В среднем, ошибка моделирования абляции составляет 350±150 мм в. э., т. е. близка к величине межгодовой изменчивости (Торопов и др., 2018). Рост абляции определяется увеличением радиационного баланса над поверхностями ледников Гарабаши и Джанкуат, который, в свою очередь, связан с тенденцией к снижению облачного балла, связанной с увеличением повторяемости антициклонов в теплое полугодие (Toropov et. al., 2019). Ошибки абляции, которые выявлены на данном этапе развития предложенной параметризации, по всей видимости связаны с недоучетом бронирующего эффекта ледниковых морен [Рыбак и др., 2022]. На основе расчетов баланса массы, согласно описанным выше расчетным методикам, выполнено моделирование динамики длины ледников Джанкуат и Гарабаши за период 1985–2020 гг. на основе «минимальной модели» Урлеманса. За этот же период выполнены расчеты с использованием измеренных значений баланса массы. Показано, что среднее годовое отступание языка ледника за данный период составило 13 м/год, что хорошо согласуется с натурными данными, полученным, в частности, с использованием спутниковой информации. В период максимального таяния (2000–2020 гг.) темпы отступания ледников Джанкуат и Гарабаши увеличились до 20 м/год. Эти результаты показывают, что использование в качестве основы параметризации горного оледенения минимальной модели Урлеманса хорошо подходит в рамках задачи моделирования горного оледенения в рамках Моделей Земной Системы. Также в течение отчетного года развивалась модель снежного покрова промежуточной сложности, основанная на численном решении одномерного уравнения теплопроводности. Отличительной особенностью создаваемой модели снежного покрова для горных территорий является алгоритм учета скорости сублимации кристаллов льда при метелях на основе подхода (Bintanja, 2001), согласно которому этот процесс определяется дефицитом влажности, а также степенью турбулизованности атмосферы в приземном слое. Были выполнены численные эксперименты, сравнение которых с данными наблюдений на Эльбрусе показали, что в случае сочетания низкой влажности с высокой скоростью ветра вклад метелевой сублимации как в тепловой баланс, так и в баланс массы снежного покрова бывает определяющим, достигая 230 Вт/м2, и превышает остальные компоненты теплового баланса. В таких случаях недоучет затрат тепла на сублимацию кристаллов снега может приводить к занижению температуры снежной поверхности на 4-5 °С. Выполнена оценка качества моделирования температуры поверхности снежного покрова на основе сравнения с радиационной температурой по измеренным значениям уходящей длинноволновой радиации (при коэффициенте серости 0.98), а также с результатами модели SPONSOR более высокого уровня сложности. Средняя ошибка температуры составила ±1°С, а коэффициенты корреляции между тестируемым модельным рядом и наблюдениями составили 0,87 и 0,92 для модели SPONSOR и развиваемой модели, соответственно. Выполнен анализ уникальных метеорологических наблюдений, которые были проведены в высокогорной части эльбрусского ледника Гарабаши и охватили весь сезон аккумуляции 2021–2022 гг. Получены подробные данные о температурно-влажностном, ветровом, метелевом и радиационном режиме на высоте более 4700 м над уровнем моря Получены типичные значения и основные статистики радиационных потоков и базовых метеорологических величин. Эти данные будут использованы для валидации метеорологического блока разрабатываемой параметризации горного оледенения. Также показано, что реанализ ERA5 успешно воспроизводит основные характеристики метеорологического режима в условиях высокогорья, что в целом позволяет использовать его информацию в качестве входной для разрабатываемой параметризации горного оледенения. В ходе экспедиции, проведенной 8 - 17 июня 2023 года на леднике Микельчеран (северный склон Эльбруса) в высотном диапазоне 3800-4300 метров, впервые была установлена автоматическая метеостанция (АМС), которая функционировала в период с 17 июня по 24 августа 2023 г. в режиме беспроводной передачи данных. Важно отметить, что на леднике Гарабаши метеорологические измерения проводились примерно на той же высоте (3950 м над уровнем моря) и синхронно (с 21 июня по 31 августа 2023 гг.). Обе АМС работали с дискретностью 1 минута и включали в себя измерения компонент радиационного баланса на высоте 1 – 1.5 метров над поверхностью ледника, основных метеорологических параметров с помощью АМС Hobo на леднике Микельчеран и Campbell на леднике Гарабаши, слоя стаивания с помощью акустического датчика Sonic Ranger на леднике Гарабаши, а также температурного профиля в двухметровой снежной толще с дискретностью 0.1 м с помощью термокосы GeoPrecission. Вся полученная информация будет использована для тестирования разрабатываемой модели снежного покрова в качестве натурных данных. В настоящий момент аналогов подобных высокогорных наблюдений в России не существует.