КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 23-27-00047
НазваниеСтруктура потоков тепла и влаги в зональных равнинных ландшафтах России в условиях глобального потепления
РуководительТиткова Татьяна Борисовна, Кандидат географических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт географии Российской Академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2024 г. |
Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-704 - География климата
Ключевые словатепло-и влагообмен, турбулентные потоки явного тепла, потоки скрытого тепла, потоки интегрированной по вертикали дивергенции влаги, зональные ландшафты, климатические изменения, градиенты климатических параметров, температура почвы, осадки, эвапотранспирация, влажность почвы, NDVI
Код ГРНТИ37.23.19
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Исследование процессов взаимодействия деятельного слоя суши и атмосферы в зональных ландшафтах является важным блоком в общей картине понимания климатических изменений. Проект направлен на оценку динамики тепло- и влагообмена равнинных зональных ландшафтов с атмосферой в различные климатические периоды 1961–1990 и 1991–2020 гг.
В последние десятилетия произошло изменение структуры климатических процессов, обусловленное колебанием вертикальных потоков тепла и влаги под влиянием как естественных изменений климата, так и его антропогенной трансформации. Научная значимость этой проблемы состоит в изучении закономерностей формирования вертикальных турбулентных потоков тепла и влаги зональными ландшафтами равнин России в условиях продолжающегося потепления. Актуальность проблемы определяется важностью понимания роли зональных ландшафтов в передаче явного и скрытого тепла атмосфере, которая особо подчеркивается в шестом оценочном докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC, 2022).
Целью исследования является изучение закономерностей формирования структуры потоков тепла и влаги, обусловленных природной зональностью и изменением климата.
Решение проблемы оценки изменений передачи зональными равнинными ландшафтами явного и скрытого тепла атмосфере в период интенсивного глобального потепления включает следующие задачи:
• исследование причины изменений летних вертикальных потоков явного и скрытого тепла в зональных ландшафтах Восточно-Европейской равнины и Западно-Сибирской низменности – от арктических до полупустынных;
• анализ особенностей трендов, динамики интенсивности и контрастности тепло- и влагообмена, отношения Боуэна для среднемноголетнего периода 1961–1990 гг. и периода интенсивного глобального потепления 1991–2021 гг.;
• исследование зональных ландшафтов с повышенными горизонтальными градиентами потоков тепла и влаги в качестве природных переходных зон;
• оценка связи тепло-и влагообмена и климатических характеристик деятельного слоя ландшафтов (температуры поверхности и температуры почвы на разных глубинах, эвапотранспирации, вегетационного индекса).
Проведенные исследования позволят выявить зональные ландшафты со значимым изменением вертикального тепло- и влагообмена, рассмотреть контрастность и тренды тепло- и влагообмена в ландшафтных зонах в период современного потепления, определить особенности взаимосвязи между потоками тепла и влаги и климатическими характеристиками ландшафтов.
Поставленные выше задачи стимулирует переход от рассмотрения «среднемноголетнего климатического» режима тепло- и влагобмена, формирующегося в квазистационарных условиях, к изучению характера изменений потоков во времени и пространстве под воздействием различных факторов при разной скорости глобального потепления.
Объектом исследования являются турбулентные потоки тепла и влаги, формирующиеся в различных ландшафтах, а предметом исследования – особенности формирования и структуры этих потоков в зональных равнинных ландшафтах в различные климатические эпизоды.
Ожидаемые результаты
По итогам работы будут получены следующие результаты:
• Проведены исследования связи изменений летних вертикальных потоков тепло-и влагообмена с динамикой индексов центров действия циркуляции Атлантико-Европейского сектора и температурой поверхности океана (ТПО);
• Получены оценки изменений летних вертикальных потоков тепло-и влагообмена, отношения Боуэна в зональных ландшафтах Восточно-Европейской равнины и Западно-Сибирской низменности для среднемноголетнего периода 1961–1990 гг. и периода интенсивного глобального потепления 1991–2021 гг.;
• Проведены расчеты анализа трендов турбулентных потоков тепло-и влагообмена и отношения Боуэна за летний период в зональных ландшафтах по данным реанализа ERA5-Land с 1950 по 2021(22) год;
• Выделены зональные ландшафты с повышенными горизонтальными градиентами тепло-и влагообмена и отношения Боуэна, которые можно считать природными переходными зонами;
• Проведено исследование интенсивности и контрастности тепло-и влагообмена и отношения Боуэна зональных равнинных ландшафтов;
• Установлены связи тепло-и влагообмена и климатических характеристик деятельного слоя ландшафтов (температуры поверхности и температуры почвы на разных глубинах, эвапотранспирации, вегетационного индекса);
• Проведен анализ антропогенного влияния на состояние подстилающей поверхности и структуру тепло- и влагообмена деятельного слоя ландшафта. Разработаны рекомендации по адаптации к негативному антропогенному воздействию и минимизации ущерба.
Проведенные исследования позволят выявить связь турбулентного тепло-и влагообмена с общей циркуляцией атмосферы в зональных ландшафтах; провести сравнительную оценку вклада зональных равнинных ландшафтов России в тепло- и влагообмен с атмосферой в разные климатические эпизоды 1961–1990 и 1991–2020 гг.; рассмотреть динамику, контрастность и тренды турбулентного тепло- и влагообмена в ландшафтных зонах в период современного потепления и оценить реакцию на него подстилающей поверхности.
Научная значимость предполагаемых результатов состоит в получении новых знаний о закономерностях формирования вертикальных турбулентных потоков тепла и влаги зональными равнинными ландшафтами России в условиях продолжающегося потепления. Исследование внесет вклад в решение фундаментальной проблемы изучения теплового баланса в системе «суша–атмосфера» на мезомасштабном уровне с учетом ландшафтных особенностей от тундры до полупустынь. Анализ антропогенного влияния на состояние ландшафтов и структуру тепло- и влагообмена их деятельного слоя позволит частично восполнить недостаток информации о потоках тепла и влаги в антропогенно изменённых экосистемах на территории России, а рекомендации по адаптации к негативному антропогенному воздействию позволят минимизировать ущерб.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Целью данной части работы было установление региональных особенностей изменения тепло- и влагообмена в условиях продолжающегося потепления. Получение результатов основано на оценке вклада вариаций мод атмосферной циркуляции ОЦА, ТПО и Тв в изменение летних турбулентных потоков тепло- и влагообмена, отношения Боуэна в зональных ландшафтах равнин России. Еще одной задачей исследования был анализ изменений в летних турбулентных потоках тепло- влагообмена и отношения Боуэна, а также выявление пространственной неоднородности летнего турбулентного теплообмена с определением зон с максимальными градиентами тепло- влагообмена.
Проанализированы данные реанализа ERA-5 и ERA5-Land для вертикальных потоков тепло- и влагообмена, температуры воздуха за летний период 1950-2022 гг. Рассмотрены моды барического поля на высоте 500гПа Северного полушария: NAO (Северо-Атлантическое колебание), АО (Арктическое колебание), PNA (Тихоокеанско-Североамериканское колебание), SCAND (Скандинавская мода), ЕА (Восточно-Атлантическая мода) и EAWR (колебание «Восточная Атлантика/Западная Россия»). Обработаны данные среднемесячных температур поверхности океана (ТПО) северной части Атлантики в квадрате 59,5°–0,5° з.д. 40,5–59,5° с.ш. из архива Центра Гадлея Метеослужбы Великобритании, HadISST1.1. Проанализирован совместный вклад изменения циркуляционных мод ОЦА, ТПО и температуры воздуха (Тв) в изменение потоков тепло- и влагообмена на равнинных территориях России по коэффициенту детерминации (R2), коэффициенту корреляции и регрессионному анализу (β-коэффициенты). Оценен вклад каждой циркуляционной моды в изменчивость турбулентного тепло- влагообмена.
Полученные результаты показали:
1. Вклад циркуляционных мод ОЦА, ТПО и Тв в изменение потоков тепло- влагообмена на равнинных территориях России может варьироваться от 40% до 90% в зависимости от ландшафтной зоны. Чувствительность потоков тепла и влаги наибольшим образом проявляется в субарктических и суббореальных ландшафтах. Температурный фактор превосходит циркуляционное влияние во всех ландшафтах. Влияние региональных мод SCAND и EAWR проявляется во всех ландшафтных зонах. Вклад АО в изменчивость тепло- влагообмена проявляется в субарктических и суббореальных ландшафтах. В суббореальных ландшафтах возрастает влияние циркуляционных мод NAO, AO, PNA, SCAND и EAWR. Влияние колебания ТПО на вертикальные потоки тепла и влаги значимо проявляется в субарктических и суббореальных ландшафтах. Изменения преобладающих фаз SCAND и EAWR наибольшим образом сказались на росте площади их влияния на потоки тепла в субарктических и бореальных ландшафтах и падении в суббореальных. Область влияния этих циркуляционных мод на дивергенцию влаги уменьшилась в бореальных и суббореальных ландшафтах.
2. Между климатическими летними периодами 1991–2020 и 1961–1990 гг. наблюдается увеличение восходящих потоков явного тепла во всех ландшафтных зонах от Арктики до полупустыни. Восходящие потоки скрытого тепла выросли в субарктических и бореальных ландшафтах и уменьшились в суббореальных ЕТР. Восходящие потоки влаги максимально выросли в бореальных ландшафтах ЕТР и заметно уменьшились в суббореальных ландшафтах ЗС.
3. Положительные тренды температуры и изменение атмосферной циркуляции поменяли соотношение турбулентного тепло- влагообмена. В летний период 1950–2021 гг. заметные тренды восходящих потоков явного тепла проявляются в суббореальных ландшафтах востока ЕТР. Разноплановые тренды потоков скрытого тепла и влаги прослеживаются в различных ландшафтных зонах. В субарктических и бореальных ландшафтах ЗС увеличиваются восходящие потоки скрытого тепла, а в суббореальных ландшафтах востока ЕТР и запада ЗС тренды потоков скрытого тепла уже нисходящие. Тренды соотношения явного и скрытого тепла (отношения Боуэна) показали, что в субарктических ландшафтах роль потока скрытого тепла в тепловом равновесии увеличивается, а в суббореальных ландшафтах растет вклад потока явного тепла. В субарктических и северных бореальных ландшафтах наблюдаются тренды восходящих потоков влаги, а в суббореальных ландшафтах, наоборот — нисходящих потоков влаги.
4. Выявлена обширная полоса максимальных горизонтальных градиентов турбулентных потоков явного и скрытого тепла в зоне средней тайги и примыкающие к ней части северной и южной тайги. Вторая полоса повышенных горизонтальных градиентов явного тепла проходит в суббореальных ландшафтах сухой степи на ЕТР и в степях ЗС. Эти зоны максимальных горизонтальных градиентов турбулентных потоков обусловлены физическими и термодинамическими процессами в ландшафтах с разной густотой растительного полога, а также потоком результирующей радиации.
Публикации
1. Титкова Т.Б., Золотокрылин А.Н. Влияние изменений крупномасштабной атмосферной циркуляции на летние вертикальные потоки тепло- и влагообмена в ландшафтных зонах равнин России Метеорология и гидрология, - (год публикации - 2024)
2. Титкова Т.Б., Золотокрылин А.Н. Пространственная неоднородность летнего турбулентного теплообмена на равнинах России Фундаментальная и прикладная климатология, - (год публикации - 2023)
3. Титкова Т.Б., Золотокрылин А.Н. Тенденции летней контрастности турбулентного теплообмена в ландшафтных зонах равнин России Москва, Физмат-книга, «Изменения климата: причины, риски, последствия, проблемы адаптации и регулирования. Климат-2023». Сборник тезисов докладов. — М.: Физматкнига, 2023. — с.85 (год публикации - 2023)
4. Титкова Т.Б., Золотокрылин А.Н. ЦИРКУЛЯЦИОННЫЕ ПРИЧИНЫ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕПЛО-ВЛАГООБМЕНА В СУБАРКТИКЕ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ В ПЕРИОД МАКСИМАЛЬНОГО ЛЕТНЕГО ПОТЕПЛЕНИЯ (на примере ЯНАО) МАТЕРИАЛЫ ВСЕРОССИЙСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ С МЕЖДУНАРОДНЫМ УЧАСТИЕМ II ЛАВЁРОВСКИЕ ЧТЕНИЯ АРКТИКА: АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ И ВЫЗОВЫ. Научное электронное издание 1 электрон.опт. диск (CD-R): зв., цв.; 12 см. Объём: 43,6 МБ, II Лавёровские чтения. Арктика: актуальные проблемы и вызовы: сб. науч. материалов, г. Архангельск, 13-17 ноября 2023 г. – Архангельск, 2023. – С. 135-139. (год публикации - 2023)
5. Титкова Т.Б., Золотокрылин А.Н., Тарасова М.А., Тарасов Д.Л. Контрастность турбулентного тепло-влагообмена в летний период на юге Европейской России Сборник материалов 21-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», Материалы 21-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Москва: ИКИ РАН, 2023. C. 405. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.21046/21DZZconf-2023a