|
Рассмотрены климатические изменения за последние 200 лет на территории
Крайнего Европейского Северо-Востока и их влияние на окружающую и геологическую
среду. Выявлено прохождение двух 175-летних климатических циклов, каждый из
которых состоит из шестидесятилетнего и четвертьвекового полупериодов и
нескольких короткопериодных циклов, продолжительностью 6-11 лет.
Установлена синхронность между температурой воздуха и количеством атмосферных
осадков в четвертьвековые периоды и некоторое их отклонение в переходные
периоды. Какое-либо техногенное влияние на изменение температуры воздуха и
атмосферных осадков не отмечается.
По длительным рядам наблюдений за температурным режимом геологической среды
отмечается синхронность между температурой воздуха и температурой пород, которая
прослеживается в период прохождения всех короткопериодных климатических циклов.
Считается, что а самом конце ХХ столетия закончился четвертьвековой период
потепления, за которым прогнозируется прохождение шестидесятилетнего
климатического полупериода похолодания, который вызовет резкое сокращение (или
полное прекращение) зимнего стока северных рек и питания подземных вод в связи с
сокращением площади таликов; значительно изменятся инженерно-геологические
условия.
Материалы могут быть использованы работниками геологических предприятий,
изыскателями, проектировщиками и природоохранительными службами.
Температурный режим грунтов формируется под влиянием многих климатических
факторов и зависит от гипсометрического положения местности, степени её
расчленённости, экспозиции склонов, цвета земной поверхности, геологических и
гидрогеологических условий. Из климатических факторов определяющими являются
температура воздуха, количество осадков и их распределение по площади в зимний
период.
Начало изучения климатических элементов на рассматриваемой территории
относится к 1937 году. Температурный режим грунтов начал изучаться в 1957-1961
гг., 1964 году и был продолжен в период 1969-2001 годов. За 54 года
инструментальных наблюдений за количеством атмосферных осадков по метеостанции
г. Воркута установлено, что годовое количество осадков в течение календарного
года изменялось от 349 мм (1977) до 742 мм (1966 г.) при среднем значении 535
мм. От общегодовых осадков в жидкой фазе выпадает около 43%. За 54 года
наблюдений (1947-1948 – 2000-2001 гг.) распределение суммы осадков по
гидрологическим годам наблюдалось шесть полных короткопериодных циклов
продолжительностью от четырёх до девяти лет (Рис.1). Наиболее чётко они
просматриваются кривой скользящих 3-летних осадков (Рис.2). Наименьшее
количество осадков приходится на годы с экстремально низкими температурами
воздуха. В итоге, среднемноголетний тренд сумм осадков за период наблюдений
отрицательный.
За 64-летний период наблюдений за температурой воздуха (метеостанции УГКС,
Воркута) самым холодным являлся 1968-69 гидрологический год (минус 10,1 ºС).
Экстремально тёплыми были 1943-44 (минус 2,4 ºС) и 1944-45 (минус 2,7 ºС)
гидрологические годы. Среднемноголетняя температура воздуха за данный период
наблюдений равна минус 5,8 ºС.
Изменению температуры воздуха характерна определённая цикличность. Это
иллюстрирует динамика среднегодовой температуры воздуха (Рис.3).
Продолжительность циклов изменяется от 5 до 9 лет, но в большинстве случаев
продолжительность циклов равна 6-7 годам (Рис.3). Фиксируемые климатические
циклы по времени являются минимальными, т.е. первичными короткопериодными.
При сглаживании годичных температур путём построения скользящих 3-летних
кривых выделяются циклы второго порядка с продолжительностью 7-11 лет и
преобладании 10-11-летних циклов (Рис.4). При этом первые четыре цикла периода
1942-43 – 1968-69 гг. имеют отрицательный тренд и характеризуют период
похолодания, а последующие 4 цикла периода 1969-70 – 1994-95 гг. имеют
положительный тренд и характеризуют период потепления климата. Из двух последних
рисунков видно, что период инструментальных наблюдений пришелся на
четвертьвековые ветви снижения и повышения температуры воздуха. Практически
сходные суммы температур воздуха в четвертьвековых ветвях, позволяют
констатировать, что происходившие изменения в динамике температур воздуха за
полувековой период (1942-43 – 1994-95 гг.) уравновесились. Другими словами
температуры воздуха начального похолодания соответствуют температуре конечного
периода потепления.
Период наших наблюдений за режимом температур грунтов пришёлся на
четвертьвековой период потепления. С целью установления его временного места в
более длительном климатическом периоде реконструирован период с 1814 по 1937 гг.
с привлечением данных метеостанций Саломбала-Архангельск (1814-1882 гг.) и
Салехарда (1883-1937 гг.). На этой основе построены для Воркуты кривая
скользящих температур воздуха (1814-2001 гг.) и прогнозная кривая за период
2002-2065 гг. (Рис.5). Анализ данной кривой позволяет сделать вывод, что в
течение 1814-2001 гг. наблюдалось прохождение двух 175-летних климатических
циклов. Первый цикл представлен завершающей 62-летней ветвью похолодания, а
второй 174-летний климатический цикл состоит из 84-летнего полупериода, который,
в свою очередь включает 59-летнюю ветвь потепления (1888-1947 гг.) и 25-летнюю
ветвь похолодания (1948-1972 гг.). Второй 89-летний полупериод состоит из
25-летней ветви потепления (1973-1997 гг.) и 64-летней прогнозной ветви
похолодания (1998-2065 гг.).
Выделенные климатические циклы (Рис.6) показывают следующее: Самая низкая
5-летняя температура воздуха приходится на 1888 год (минус 7,82 ºС),
ретроспективный, после которого температура воздуха за 59 лет повысилась на 2,9
ºС. В последующий период прохождения 25-летней ветви похолодания температура
воздуха понизилась на 2,62 ºС и составила минус 7,54 ºС. Т.е. в 84-летний
полупериод 174-летнего климатического цикла равновеликая амплитуда повышения
температуры проходила в два раза медленнее, чем в начавшийся в 1966 году период
прохождения ветви похолодания. В настоящее время отмечается начальный период
прохождения 64-летней ветви похолодания.
Всё это даёт основание прогнозировать, что от одного короткопериодного цикла
к другому температура воздуха в течение последующих 62 лет будет понижаться.
Этот процесс пойдёт на фоне сокращения количества атмосферных осадков, в том
числе и осадков в твёрдой фазе. За период инструментальных наблюдений между
атмосферными осадками и температурой воздуха отмечались относительно хорошая
синхронность, за исключением приуроченных к концу четвертьвековых вековых ветвей
потепления и похолодания периодов экстримально-минимальных температур воздуха.
При снижении температуры воздуха в эти периоды наблюдалось увеличение
атмосферных осадков (Рис.7). Во всё остальное прогнозное время (1998-2065 гг.)
грунты будут испытывать значительные потери тепла и в целом термическое
состояние геологической среды будет приближаться к состоянию, наблюдавшемуся в
период 1880-1890 гг. Больших изменений геокриологических и гидрогеологических
условий следует ожидать и в режиме водотоков.
Атмосферные осадки и температура воздуха являются основными
климатообразующими факторами в формировании режима температуры грунтов при
прочих равных состояниях земной поверхности. В Воркутинском районе изучение
этого показателя начато в 1970 году в пределах значительной площади. В настоящее
время измерение температуры грунтов осуществляется более чем на 80 скважинах,
которые расположены в трёх мерзлотных зонах массивно-островного, прерывистого и
сплошного распространения ММП и охватывают свыше 1000 кв. км. территории. На
большинстве скважин замер температуры проводится до глубины 50-100 метров.
Термометрические скважины охватывают основные участки рельефа и участки
распространения мёрзлых и талых пород.
Полученные данные о температурном режиме грунтов свидетельствуют о том
(Рис.8), что в верхней части разреза изменение температуры грунтов синхронно
изменениям температуры воздуха, состояния земной поверхности и общих
геокриологических, геологических и гидрогеологических условий. Исключением
являются техногенные площади и площади, в пределах которых с поверхности земли
залегают подземные воды с повышенной минерализацией. Чётко прослеживаются четыре
короткопериодных цикла продолжительностью 6,7 и 9 лет (Рис.8-9). При этом
температура грунтов зависит от изменения температуры воздуха. Подобно
климатическим в короткопериодных циклах температурного режима грунтов знак
тренда меняется дважды: на ветви подъема температура повышается, на ветви спада
– понижается. В период прохождения четвертьвекового положительного тренда в
короткопериодные циклы количество лет на ветви подъема всегда больше, чем на
ветви спада. Это и обеспечивает рост температуры. И наоборот: при прохождении
четвертьвековых или шестидесятилетних циклов с отрицательным трендом в
короткопериодные циклы количество лет на ветви подъёма меньше, чем на ветви
спада. Это и обеспечивает снижение температуры воздуха и грунтов (Рис.9).
За период наших наблюдений в температурном режиме грунтов отмечалось (Рис
8-17) пять экстримальных минимумов (1969, 1979, 1986, 1992, 1999 гг.) и четыре
экстремальных максимума температур (1977, 1982, 1991, 1995 гг.). В периоды
минимальных температур характерны минимальные градиенты температур, а в периоды
максимальных температур градиенты относительно минимальных в 3-6 раз больше.
Самые низкие температуры грунтов наблюдались в 1969 году, самые высокие – в
1992-1995 гг. Максимальные температуры грунтов слоя годовых теплооборотов
относятся к 1995-1996 гг. С глубиной максимум температур приходится на 1997-1998
гг. После этого времени отмечается снижение температуры грунтов, которое, по
нашему прогнозу, продлится до 2065 года.
При рассмотрении рисунков видно, что короткопериодная цикличность в режиме
температуры грунтов отдельных скважин прослеживается до разных глубин достаточно
чётко. Так, например, на участках акватории озёр циклы затухают на глубине 5-10
метров. На переходных участках и на участках таликов глубиной до 10 метров
цикличность прослеживается до глубины 20 метров. На участках сезонного
протаивания циклы фиксируются до глубины 15 метров. В пределах таликов в
четвертичных отложениях мощностью 15-20 метров циклы заметны до глубины 20
метров. В таликах районов распространения карстовых воронок цикличность
фиксируется до 30 метров. Ниже указанных глубин в температуре грунтов
прослеживается режим, характерный четвертьвековому климатическому циклу воздуха
с положительным градиентом температуры. То есть весь период цикла происходит
постепенный рост температуры грунтов. С 1995-1996 гг. положительный градиент
поменялся на отрицательный. Согласно нашему прогнозу, снижение температуры
грунтов будет продолжаться синхронно температуре воздуха весь шестидесятилетний
климатический цикл.
За прошедший четвертьвековой климатический цикл (1970-1995 гг.) наблюдалось
повышение температуры грунтов. Это повышение в различных скважинах было
неодинаковым. В таблице 1, по 17 характерным скважинам приведены температуры
грунтов на глубинах 3, 5, 10, 15, 20 метров и температуры почво-грунтов за
16-летний период (1979-1995 гг.) повышения температуры воздуха. Наибольшая
величина (3,75 ºС) повышения температуры почво-грунтов на глубине 5 метров
характерна для скважин участков сезонного протаивания с развитием на
значительной площади торфяников; свыше 2 ºС характерно повышение температуры для
участков развития карстовых воронок; свыше 1 ºС характерно для незаторфованных
участков сезонного протаивания; повышение температуры от 0,5 до 1 ºС отмечается
на участках развития таликов мощностью до 20 м и сквозных таликов; на переходных
участках и небольших по площади участков развития торфяников повышение
температуры не превышает 0,5 ºС; самое незначительное (до 0,1 ºС) повышение
температуры почво-грунтов характерно акваториям озёр. Изучение термического
режима грунтов в районе Воркуты планируется в последующие годы продолжить по
значительному количеству скважин. При этом намечается увеличить количество
скважин, в которых измерение температуры будет проводиться на глубинах от 20 до
100 и более метров.
Приложения
Рис. 1
Осадки по метеостанции г. Воркута УГКС за 1947-48 - 2000-2001 гидрологические годы
Precipitation over Vorkuta
weather station during 1947-48 - 2000-2001 hydrological years
Рис. 2
Кривая скользящих 3-летних осадков по г. Воркута за 1947-48 - 2000-2001
гидрологические годы
Curve of flexible 3-year
precipitation in Vorkuta during 1947-48 - 2000-2002 hydrological years
Рис. 3
Кривая сумм температур воздуха по г.Воркута за 1937-38 -2000-2001 гидрологические годы
Total temperature curve over Vorkuta diring 1937-38 - 2000-2001 hydrological years
Рис. 4
Кривая скользящих 3-летних температур воздуха по г. Воркута за 1937-38
-2000-2001гидрологические годы
Curve of flexible 3-year
total air temperature over Vorkuta during 1937-38 - 2000-2001 hydrological years
Рис. 5
Кривая скользящих 5-летних температур воздуха по г. Воркута за 1814-2001 гг. и
прогнозных 2002-2065 гг. (за 1814-1937 гг. температуры реконструированы)
Curve of flexible 5-year
air temperature over Vorkuta during 1814-2001 years and predicted for 2002-2065
(for the period 1814-1937 temperature is reconstructed)
Рис. 6
Схема цикличности климата района г. Воркуты за 1814-2065 гг. (2001-2065 гг. прогноз)
по скользящим 5-летним температурам воздуха за календарные года
Cyclic diagram of climate
in Vorkuta during 1814-2065 (2001-2065 - forecast) according to flexible 5-year
air temperatures
Рис. 7
Сопоставление кривых скользящих 3-летних сумм температур воздуха и осадков по г.
Воркута за 1947-48 - 2000-2001 гидрологические годы
Comparison of flexible
3-year total temperature of air and precipitation over Vorkuta during 1947-48 -
2000-2001 hydrological years
Рис. 8
Графики цикличности температурного режима горных пород на глубине
3 метра на Крайнем Европейском Северо-Востоке за 1968-2001 гг.
Fig. 8 Cyclic diagrams of
temperature conditions of rocks at 3 m depth at extreme European north-east
during 1968-2001
Рис. 9
Комплексный график цикличности температуры воздуха, уровня подземных вод и
температуры грунтов по району г. Воркуты (скв. ЗС-59) за период 1976-2001 гг.
Complex graph of cyclicity
of air temperature, groundwater level and soils temperature over Vorkuta during
1976-2001
Рис. 10
Среднегодовая температура грунтов по скважине 3С-124а участка
Приполярно-тундрового
Average annual
temperature of the soils in the well 3C-124a of Pripolarny-tundrovy part
Рис. 11
Среднегодовая температура грунтов по скважине УП-34 участка Усинское водохранилище
Average annual temperature of the soils in the well УП-34 of Usinsk reservoir part
Рис. 12
Среднегодовая температура грунтов по скважине ВК-1615 участка Приполярно-тундрового
Average annual temperature of the soils in the well BK-1615 of Pripolarny-tundrovy part
Рис. 13
Среднегодовая температура грунтов по скважине 3С-65 участка Приполярно-тундрового
Fverage annual temperature of the soils in the well 3C-65 of Pripolarny-tundrovy part
Рис. 14
Среднегодовая температура грунтов по скважине С-8 участка Приполярно-тундрового
Average annual temperature of the soils in the well C-8 of Pripolarny-tundrovy part
Рис. 15
Среднегодовая температура грунтов по скважине Я-1бис участка
Восточное крыло Воркутского угольного месторождения
Average annual temperature of the soils in the well Я-1bis of the eastern wing of
Vorkutskoye coal field
Рис. 16
Среднегодовая температура грунтов по скважине К-887 участка Восточное крыло Воркутского угольного месторождения
Average annual temperature of the soils in the well K-887 of the eastern wing of Vorkutskoye
coal field
Рис. 17
Среднегодовые температуры грунтов по скважине 3С-100 участка Приполярно-тундрового
Average annual temperature of the soils in the well 3C-100 of Pripolarny-tundrovy part
Таблица 1
Температура почво-грунтов на год экстремального минимума
(1979г.) и экстремального максимума (1995г.) и величин повышения температур за
16-летний период повышения температуры воздуха в районе г.Воркуты
Опубликовано с разрешения автора |
