Развитие параметризации горного оледенения для моделей земной системы

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 проекта 23-17-00247

НазваниеРазвитие параметризации горного оледенения для моделей земной системы

Руководитель Торопов Павел Алексеевич, Кандидат географических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт географии Российской Академии наук , г Москва

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-602 - Диагноз и моделирование климата

Ключевые слова моделирование деятельного слоя суши, модели земной системы, горная метеорология, гляциология, гляцио-климатология

Код ГРНТИ37.23.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Круг задач, связанных с изменениями климата в прошлом, настоящем и будущем, остается одним из самых приоритетных направлений мировой науки, сформулированном в виде нескольких направлений деятельности ООН. Поэтому в последние десятилетия климатическим модели развиваются особенно интенсивно. Помимо детального физико-математического описания основных блоков климатической системы (океана, атмосферы, крупных ледниковых щитов) современные модели климата уже достаточно детально воспроизводят основные процессы, происходящие в гидросфере, биосфере, и деятельном слое суши. Поэтому их принято называть моделями земной системы. Учитывая тенденции развития климатического моделирования, представляется целесообразным внедрение в современные модели земной системы параметризации горного оледенения. Проект нацелен на развитие простой, но физически обоснованной одномерной модели горного ледника, учитывающей наиболее важные процессы взаимодействия деятельной поверхности льда и атмосферы, и апробированной на горных ледниках, обеспеченных данными метеорологических и гляциологических измерений. На основе имеющейся спутниковой информации по морфометрическим параметрам большей части горных ледников предполагается обобщить результаты моделирования по основным горно-ледниковым районам России (Кавказ, Алтай, Камчатка), а в перспективе всей Земли. Созданная схема ляжет в основу параметризации горного оледенения в рамках Модели земной системы ИВМ РАН. Данная параметризация поможет учесть снежно-ледовую составляющую речного стока, формирующуюся в горно-ледниковых районах; оценить реакцию горного оледенения на будущие изменения климата (что особенно актуально в аридных районах Земли); оценить динамику горного оледенения в климатическом прошлом, а также выявить возможное влияние крупных горно-ледниковых массивов на региональный климат.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Дроздов Е.Д., Торопов П.А., Авилов В.К., Артамонов А.Ю., Полюхов А.А., Железнова И.В., Ярынич Ю.И. Метеорологический режим высокогорной зоны Эльбруса в период аккумуляции Лёд и снег (год публикации - 2024)

2. Лаврентьев И.И., Смирнов А.М., Торопов П.А., Елагина Н.Э., Киселёва Т.Д., Дроздов Е.Д., Дегтярёв А.И. Гляциологические исследования Института географии РАН на Эльбрусе в 2023 г. Лёд и снег, том 63, №4, с.553-557 (год публикации - 2023)
10.31857/S2076673423040099

3. Сушинцев И.М., Дроздов Е.Д., Торопов П.А., Михаленко В.Н., Воробьев М.А., Хайрединова А.Г. Оценка качества воспроизведения снежного покрова на ледниках на примере высокогорных районов Камчатки и Кавказа Наука (год публикации - 2025)

4. Муравьев А.Я., Хромова Т.Е. Сокращение оледенения хребта Орулган (Верхоянский хребет) в 1951–2023 гг.» Наука (год публикации - 2025)

5. Дроздов Е.Д., Торопов П.А., Авилов В.К. , Артамонов А.Ю. , Полюхов А.А., Железнова И.В., Ярынич Ю.И. Метеорологический режим выскогорной зоны Эльбруса в период аккумуляции Наука, №1, т.64, с. 25-40 (год публикации - 2024)
10.31857/S2076673424010022

6. Tурков Д.В., Дроздов Е.Д., Ломакин А.А. Альбедо снежного покрова и его параметризация для целей моделирования природных систем и климата Наука, №3, Т.64, с. 403-419 (год публикации - 2024)
10.31857/S2076673424030079

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Во время экспедиционной компании летом 2024 года, реализованной в рамках данного проекта, на северном и южном склонах Эльбруса были установлены современные автоматические метеостанции (АМС), работающие автономно с целью непрерывного метеорологического мониторинга над поверхностью ледников. Первая АМС была установлена 17 августа 2024 на южном склоне Эльбруса на леднике Гарабаши (3960 м над у.м.), вторая – 29 августа 2024 на северном склоне на леднике Микельчиран (3900 м над у.м.). На высоте около 3 м над ледовой поверхностью в бесперебойном режиме проводятся измерения температуры и влажности воздуха, скорости ветра; на высоте 2 метра измеряются все компоненты радиационного баланса, слой аккумуляции и абляции, интенсивность метелевого переноса. Также вблизи АМС в снежно-фирновую толщу до глубины 2 м были забурены термокосы с шагом измерений 10 и 20 см. Временная дискретность метеорологических измерений – 1 минута, слоя стаивания и температуры в снежно-ледовой толще – 1 час. Для бесперебойного функционирования в условиях сурового высокогорного климата АМС были оснащены аккумуляторами с высокой емкостью (85 Ah) и солнечными панелями для их подзарядки. Все данные наблюдений записываются на логгеры Campbell CR1000 и CR1000Х, также организована автономная беспроводная передача данных в формате GSM. Метеорологические данные, полученные с АМС будут использованы для расчета компонентов баланса массы ледников и их моделирования, а также могут использоваться широкой общественностью, в частности для принятия решений. Каждые 10 минут данные с логгеров отправляются по этим каналам на сайт Народный Мониторинг (https://narodmon.ru) и доступны онлайн участникам проекта, а также широкой общественности, включая руководство альплагерей, турбаз, и т.д. На основе данных измерений получены первые оценки компонент теплового баланса на северном склоне Эльбруса. Расчет значений турбулентного потока явного тепла по аэродинамическому методу и методу Кузьмина для ледника Гарабаши в период с 28 января по 7 февраля 2024 г. показал высокую степень согласованности (коэффициент детерминации R2=0.75), что позволяет применять метод Кузьмина для оценок турбулентного теплообмена поверхности ледника с атмосферой зимой. Также на основе данных наблюдений были рассчитаны значения турбулентного потока явного тепла по схеме Монина-Обухова и методу турбулентных пульсаций (eddy covariance). Сравнение двух методов показало, что использование теории Монина-Обухова с функциями устойчивости Бузингера-Дайера в данных условиях приводит к систематическому занижению значений турбулентного потока явного тепла. Продолжено развитие модуля снежного покрова, который является блоком параметризации горного оледенения. В частности, предложена новая схема параметризации альбедо снежной поверхности, учитывающая основные метеорологические факторов, влияющих на метаморфизм снега, его стратификацию и микроструктуру. Старая схема альбедо учитывала только изменение отражательной способности снега в зависимости от его возраста. Новая схема была внедрена в отечественную модель снежного покрова LSM SPONSOR с целью оценки ее качества на основе сравнения с данными многолетних наблюдений на четырех полигонах проекта ESM-SnowMIP, расположенных в горах Европы и Северной Америки. Показано значительное улучшение качества расчетов: коэффициенты корреляции между наблюдаемыми расчетными рядами альбедо составляют 0.78 – 0.83, детерминации 0.61 – 0.69. Новая схема позволяет получать несмещенные оценки альбедо со статистическими характеристиками распределения, практически совпадающими с теми, что получены для данных наблюдений. Также выполнены оценки влияния сильных метелей (с плотностью снега 6–9 г/м³ в нижнем слое) на тепловой баланс поверхности снежного покрова на примере высокогорных районов Эльбруса (л. Гарабаши). Первый эксперимент заключался в сравнении данных измерений радиационных потоков на разных уровнях, и расчетов с помощью модели радиационного переноса EC RAD. Показано, что во время сильных метелей ослабление нисходящего потока солнечной радиации достигает 20–25 Вт/м2, что является заметным вкладом в тепловой баланс ледника – особенно с учетом высокой повторяемости метелей в горах. Кроме того, был выполнен анализ результатов расчета турбулентного потока явного тепла над ледником Гарабаши с помощью классической теории Монина-Обухова (Монин, Яглом, 1963) и с учетом ее коррекции при наличии в воздухе взвешенных частиц (Wamser, Lykosov, 1995). Показано, что эффект учета двухфазности среды нелинейный и ярко выражен при больших градиентах температуры. При интенсивных метелях различия в потоках могут превышать 100 Вт/м2. При учете двухфазности среды за период наблюдений (11 дней) поверхностью ледника было накоплено на 10 МДж/м2 больше энергии, чем в случае применения классической схемы Монина-Обухова. Создан архив орографических и гляциологических данных по основным горно-ледниковым районам России (Кавказ, Камчатка, Алтай), представляющий собой набор следующих данных, агрегированных по ячейкам 0.5х0.5: количество ледников, и их суммарной площадью, средней длинной, средним углом наклона ледниковой поверхности. Также по каждой ячейке получена информация по площади ледников, их длине, и закрытости горизонта по 8 румбам и 100-метровым интервалам высот. Эта информация будет использоваться для расчета компонентов баланса массы и морфометрических характеристик ледников в ходе реализации разрабатываемой параметризации горного оледенения. Реализован тестовый эксперимент по одной из ячеек Центрального Кавказа (в районе Приэльбрусья). Выполнены расчеты изменения компонент баланса массы, осредненного по ячейке, и средней длины ледника. Модель в целом удачно воспроизводит основные компоненты баланса массы горного оледенения, агрегированного по ячейке.

Публикации