Отчет о выполнении 3 этапа Государственного контракта № icon

Отчет о выполнении 3 этапа Государственного контракта №



Смотрите также:
1   2   3   4   5   6   7   8
^

Глава 2 Аннотированная справка по научным результатам НИР, полученным на 2 этапе



Для исследования реакции многолетнемерзлых пород на текущие изменения климата потребовалась разработка математических моделей тепло- и массопереноса в снежном покрове и грунте. Для реализации этих моделей необходимо знание теплофизических параметров снежного покрова и грунта. Для их определения были проведены полевые экспериментальные исследования. На основании данных натурных измерений выполнена апробация моделей и проведены численные эксперименты по исследованию реакции многолетнемерзлых пород на текущие изменения климата.

Целью экспериментальных исследований явилось определение температурного режима грунтов на разных высотах при разных климатических условиях, динамика глубины протаивания вечной мерзлоты, теплофизические свойства грунта и теплоизоляционные свойства мха. Экспериментальные исследования теплофизических параметров грунта заключались в определении плотности, влажности и коэффициента теплопроводности грунта. Для обработки данных натурных измерений и их анализа было проведено математическое моделирование температурного режима с использованием данных измерений и СНиП. Результаты расчетов показали совпадение с данными экспериментов. Это позволяет использовать данные СНиП для оценки влияния климатических изменений на состояние многолетнемерзлых пород.

При математическом моделировании влияния параметров снежного покрова на промерзание грунта движение границы мерзлого и талого грунта определялось из условия Стефана. На верхней границе грунта (снежного покрова) задавалось условие теплообмена с атмосферой, а на нижней вводился геотермальный поток тепла. Распределение температуры в снежном покрове и грунте описывалось уравнениями теплопроводности Фурье. Математическая модель влияния параметров снежного покрова на промерзание-протаивание грунта была апробирована на экспериментальном материале.

Входным параметром в математическую модель является коэффициент эффективной теплопроводности снега, который определяется величиной кондуктивной и конвективной составляющих. Величина кондуктивной составляющей теплопроводности зависит в основном от плотности снега. Основной вклад в конвективную составляющую вносит диффузия водяного пара. Его величина определяется как плотностью снега, так температурой и температурным градиентом в снежном покрове. Температурный градиент определяется динамикой температуры приземного слоя атмосферы, интенсивностью потока солнечной радиации, теплофизическими свойствами снега. Их вариации приводят к изменению распределения температуры в снежном покрове. Это в свою очередь влияет на концентрацию водяного пара. При понижении температуры снега возрастает конденсация (с выделением тепла и некоторым повышением температуры снега), а при повышении – сублимация (соответственно с затратами тепла и понижением температуры). Поэтому взаимное влияние изменения температуры снега и диффузии водяного пара потребовало рассмотрения совместной модели тепло- и массопереноса.

При низких отрицательных температурах воздуха содержание водяного пара в снежном покрове невелико, его влияние на теплоперенос незначительно и коэффициенты эффективной и кондуктивной теплопроводности практически совпадают. Поэтому для оценки величины кондуктивной теплопроводности более подходят холодные районы с промороженным до низких температур основанием снежной толщи. В этом случае можно пренебречь диффузией водяного пара.

Поэтому для оценки кондуктивной теплопроводности приняты измерения температурного режима снежного покрова в районе антарктической станции Восток. Сравнение результаты расчетов с натурными данными позволило определить зависимость для расчета коэффициента кондуктивной теплопроводности снега.

Изменчивость коэффициента эффективной теплопроводности снега влияет на теплозащитные свойства снежного покрова. Комплексной величиной, характеризующей теплозащитные свойства снежного покрова, является его термическое сопротивление (отношение толщины снежного покрова к коэффициенту эффективной теплопроводности снега). Этот параметр значительно меньше подвергается региональному изменению, так как с ростом высоты снега растет его плотность и теплопроводность. В результате, отношение этих величин термическое сопротивление снежного покрова, большую часть холодного времени года меняется незначительно. Поэтому небольшие колебания снежности в меньшей степени влияют на термическое сопротивление снежного покрова. Таким образом, термическое сопротивление снежного покрова является достаточно консервативной комплексной величиной, характеризующей теплоизоляционные свойства снежного покрова в данной географической точке.

Для получения динамики изменения и пространственного распределения термического сопротивления снежного покрова определены его теплофизические параметры для сети метеостанций криолитозоны.

Анализ внутригодового изменения термического сопротивления снежного покрова на севере ЕТР показал, что ее величина на метеостанциях, расположенных на побережье в несколько раз меньше, чем во внутренних материковых районах. Это в значительной степени замедляет деградацию многолетнемерзлых пород на побережье при повышении температуры воздуха.

Изменение толщины снежного покрова и его плотности на метеостанциях, расположенных восточнее Игарки, приводят к снижению термического сопротивления снежного покрова в период 1966–2005 гг. В результате улучшаются условия сохранения многолетнемерзлых пород. Повышение зимних температур воздуха частично компенсируется увеличением коэффициента эффективной теплопроводности снега в результате роста диффузии водяного пара.

Средние значения термического сопротивления снежного покрова в районе метеостанций севера Западной Сибири в 2 - 4 раза больше значений этой величины для м/с Севера ЕТР. Поэтому теплоизолирующая роль снежного покрова для криолитозоны Западной Сибири более значительна, чем для Севера ЕТР. Разброс значений термического сопротивления снежного покрова для метеостанций Якутии достигает 250%. При этом наибольшие значения термического сопротивления снежного покрова в основном соответствуют наименьшим значениям плотности снега.

Сравнительное влияние толщины снежного покрова и его термического сопротивления на глубину промерзания сезонно-мерзлых грунтов проведено по данным агроклиматических справочников. Для вычленения влияния снежного покрова на промерзание грунта глубина промерзания приведена к единой температуре воздуха. Для этого на основании модельных расчетов получена зависимость глубины промерзания от температуры воздуха при разных параметрах снежного покрова. Проведенный анализ показал, что глубина промерзания грунта лучше коррелирует с термическим сопротивлением снежного покрова, чем с его толщиной, а приведенные эмпирические значения глубин промерзания грунта для метеостанций Красноярского края и республики Коми находятся, в основном, в диапазоне изменения расчетных значений.

Рассмотрено возможное влияние разных факторов, влияющих на глубину промерзания и определяющие разброс ее значений. К этим факторам относится время сдвига установления снежного покрова относительно отрицательных температур воздуха, температура грунта к началу промерзания, теплофизические параметры грунта, наличие мохово - растительного покрова на поверхности грунта.

Одна из важнейших характеристик теплофизического состояния грунтов, влияющих на функционирование и динамику экосистем вечномерзлых грунтов, глубина и время промерзания–протаивания. Дана оценка влияния изменения температуры воздуха и параметров снежного покрова на эти параметры применительно к условиям мохово–лишайниковой тундры Севера Сибири.

Для расчетов принято возможное повышение средней годовой температуры воздуха на 3С за 50 лет. При этом сокращение продолжительности холодного периода года для районов центральной Сибири составит 18 суток. Рассмотрены два крайних сценария потепления климата: первый – рост только зимней температуры воздуха при сохранении летней температуры; второй – рост летней температуры воздуха при сохранении зимней температуры.

Результаты расчетов показали, что при изменении минимальной отрицательной температуры воздуха на 1С глубина промерзания изменится на 3 см, а при изменении наибольшей положительной на 1С глубина протаивания изменится на 6 см. На 2 см меняется глубина промерзания при изменении максимальной толщины снега на 1 см.

Проведенные расчеты позволяют оценить глубину протаивания многолетнемерзлых пород в отсутствии талика. При реализации первого сценария потепления климата и уменьшении толщины снежного покрова на 0,1 м глубина промерзания практически не изменяется. Расчеты показали, что скорость деградации мерзлоты, при принятых в отчете условиях, составит по первому сценарию потепления 0,13 м/год, а по второму – 0,19 м/год.

При современном потеплении климата в большинстве регионов происходит деградация многолетней мерзлоты, однако на отдельных территориях, несмотря на повышение температуры, сопровождаемое уменьшением снегозапасов, возможно ее устойчивое состояние. Регулирование толщины снежного покрова и его теплофизических параметров можно использовать для ускорения деградации или сохранения многолетней мерзлоты у важных точечных или линейных объектов.




страница3/8
Дата конвертации28.10.2013
Размер0,65 Mb.
ТипОтчет
1   2   3   4   5   6   7   8
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rud.exdat.com


База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2012
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Документы