Скорость уплотнения снежной толщи в районе станции Восток (центральная Антарктида)
|
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ . 6
ГЛАВА 2. СКОРОСТЬ УПЛОТНЕНИЯ СНЕЖНОЙ ТОЛЩИ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ АНТАРКТИДЕ 12
2.1 МЕХАНИЗМЫ И СТАДИИ УПЛОТНЕНИЯ СНЕЖНОЙ ТОЛЩИ 12
2.2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ УПЛОТНЕНИЯ 14
2.3 ВЛИЯНИЕ УПЛОТНЕНИЯ СНЕГА НА РЕЗУЛЬТАТЫ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
СКОРОСТИ НАКОПЛЕНИЯ СНЕГА 16
ГЛАВА 3. ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ПРОФИЛЬ ПЛОТНОСТИ СНЕГА В ШУРФАХ НА СТАНЦИИ ВОСТОК 19
3.1 БАЗА ДАННЫХ ПО ПЛОТНОСТИ СНЕГА И ОБРАБОТКА ДАННЫХ 19
3.2 СОПОСТАВЛЕНИЕ ПРОФИЛЯ ПЛОТНОСТИ СНЕЖНОЙ ТОЛЩИ С РЕЗУЛЬТАТАМИ РАСЧЕТОВ
ПО МОДЕЛЯМ ПРОЦЕССОВ УПЛОТНЕНИЯ 25
3.3 РАСЧЁТ СКОРОСТИ УПЛОТНЕНИЯ 29
3.4 РАСЧЁТ СКОРОСТИ УПЛОТНЕНИЯ ПО ДАННЫМ О ВЕРТИКАЛЬНОМ РАСПРЕДЕЛЕНИИ
ПЛОТНОСТИ СНЕЖНОЙ ТОЛЩИ 31
3.5 ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ УПЛОТНЕНИЯ СНЕЖНОЙ ТОЛЩИ.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА 34
ГЛАВА 4. РАСЧЁТ ПОПРАВКИ НА УПЛОТНЕНИЕ СНЕЖНОЙ ТОЛЩИ НА СТАНЦИИ ВОСТОК 38
4.1 РАСЧЁТ ИТОГОВОЙ ПОПРАВКИ 38
4.2 ЗНАЧЕНИЯ ПРИРОСТОВ И СКОРОСТИ НАКОПЛЕНИЯ СНЕЖНОЙ ТОЛЩИ С УЧЁТОМ
ИТОГОВОЙ ПОПРАВКИ 40
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 44
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 46
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ГЛАВА 1. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ . 6
ГЛАВА 2. СКОРОСТЬ УПЛОТНЕНИЯ СНЕЖНОЙ ТОЛЩИ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ АНТАРКТИДЕ 12
2.1 МЕХАНИЗМЫ И СТАДИИ УПЛОТНЕНИЯ СНЕЖНОЙ ТОЛЩИ 12
2.2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ УПЛОТНЕНИЯ 14
2.3 ВЛИЯНИЕ УПЛОТНЕНИЯ СНЕГА НА РЕЗУЛЬТАТЫ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
СКОРОСТИ НАКОПЛЕНИЯ СНЕГА 16
ГЛАВА 3. ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ПРОФИЛЬ ПЛОТНОСТИ СНЕГА В ШУРФАХ НА СТАНЦИИ ВОСТОК 19
3.1 БАЗА ДАННЫХ ПО ПЛОТНОСТИ СНЕГА И ОБРАБОТКА ДАННЫХ 19
3.2 СОПОСТАВЛЕНИЕ ПРОФИЛЯ ПЛОТНОСТИ СНЕЖНОЙ ТОЛЩИ С РЕЗУЛЬТАТАМИ РАСЧЕТОВ
ПО МОДЕЛЯМ ПРОЦЕССОВ УПЛОТНЕНИЯ 25
3.3 РАСЧЁТ СКОРОСТИ УПЛОТНЕНИЯ 29
3.4 РАСЧЁТ СКОРОСТИ УПЛОТНЕНИЯ ПО ДАННЫМ О ВЕРТИКАЛЬНОМ РАСПРЕДЕЛЕНИИ
ПЛОТНОСТИ СНЕЖНОЙ ТОЛЩИ 31
3.5 ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ УПЛОТНЕНИЯ СНЕЖНОЙ ТОЛЩИ.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА 34
ГЛАВА 4. РАСЧЁТ ПОПРАВКИ НА УПЛОТНЕНИЕ СНЕЖНОЙ ТОЛЩИ НА СТАНЦИИ ВОСТОК 38
4.1 РАСЧЁТ ИТОГОВОЙ ПОПРАВКИ 38
4.2 ЗНАЧЕНИЯ ПРИРОСТОВ И СКОРОСТИ НАКОПЛЕНИЯ СНЕЖНОЙ ТОЛЩИ С УЧЁТОМ
ИТОГОВОЙ ПОПРАВКИ 40
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 44
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 46
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Изучение Антарктиды в наше время занимает особое место в науках о Земле. Учёные со всего мира исследуют ледниковый покров Антарктиды, климат, подледниковые озёра. Этот материк оказывает огромное влияние на климат всей планеты, на систему течений, является наиболее значимым резервуаром пресной воды для всего человечества. Поэтому необходимо понимать особенности развития происходящих в Антарктиде процессов и факторы, оказывающие на них влияние. Ввиду современных глобальных изменений климата, особое внимание оказывается ледниковым горным системам и покровному оледенению планеты. Потеря массы этих ледниковых массивов отражается на уровне мирового океана. Крупнейший центр покровного оледенения - Антарктида - изучается максимально подробно. Баланс массы Антарктиды зависит от многих параметров - температуры, количества осадков, таяния в прибрежных областях, откалывания айсбергов. В расчёте баланса массы внутриконтинентальных районов Антарктиды наибольшее значение имеют снегомерные наблюдения.
Снегомерные наблюдения в Антарктиде, особенно в её центральной части, связаны с различными трудностями. Скорость снегонакопления вычисляется с помощью данных о приросте высоты снежного покрова за год и данных о среднегодовой плотности. Получить достоверные значения этих параметров затруднительно - нарушается естественное залегание снега, сложно определять изменения плотности с глубиной. Задача также усложняется малым количеством атмосферных осадков. Поэтому знания о балансе массы, о сезонности, временной и пространственной изменчивости снегонакопления весьма ограничены. Существует несколько способов измерения аккумуляции снега. Простейший, и наиболее часто используемый метод - снегомерные наблюдения с использованием вех. Он позволяет сделать оценку местного или регионального распределения баланса массы. Используют как одиночные вехи (что даёт грубую, приближённую оценку), так и веховые полигоны и профили. В рамках этих методов с определённой частотой (обычно каждый месяц или год) измеряют превышение снегомерной вехи над поверхностью снега. В таких измерениях не учитывается уплотнение снежной толщи между основанием вехи и поверхностью снега за период времени между двумя наблюдениями. Как будет подробно показано в разделе 2.3, это уплотнение приводит к тому, что наблюдаемый на вехе прирост снега несколько ниже истинного. Таким образом, значения прироста высоты снежного покрова по наблюдениям на снегомерных вехах имеют систематический сдвиг в сторону более низких значений.
Проблема коррекции результатов снегомерных наблюдений признаётся актуальной (Takahashi, Kameda, 2007; Екайкин и др., 1998; Eisen et al., 2008), но корректировка снегомерных данных на уплотнение снега еще не стала рутинной мировой практикой. Большинство данных публикуется без этой поправки. Это систематически заниженное снегонакопление используется в дальнейшем при составлении климатических моделей, при их проверке и при различных прогнозах. Чтобы получать достоверные данные, правильно обрабатывать результаты снегомерных наблюдений и использовать их в последующих исследованиях необходимо уметь рассчитывать эту поправку.
В связи с этим, целью данной работы является определение поправки в результаты инструментальных наблюдений за скоростью накопления снега в центральной Антарктиде (станция Восток) на уплотнение снега двумя независимыми способами и разработка алгоритма расчёта этой поправки для любой точки центральной Антарктиды.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
1. Создать базу данных о вертикальном распределении плотности снега в интервале глубины 0-5 м по данным снежных шурфов в районе станции Восток;
2. Рассчитать осреднённый профиль плотности снежной толщи на станции Восток и в её окрестностях в этом интервале глубины и определить его статистические параметры;
3. Определить, меняется ли во времени вертикальный профиль плотности (для двух временных интервалов: 1980-1999 гг. и 2000-2017 гг.);
4. Определить зависимость скорости уплотнения снега от глубины;
5. Сопоставить реально наблюдаемую скорость уплотнения снега с результатами расчётов по упрощённой модели уплотнения Херрона-Лонгвея и по физической модели Саламатина и др.;
6. Обработать результаты многолетнего эксперимента по инструментальному измерению скорости уплотнения снега на станции Восток;
7. Сопоставить результаты определения скорости уплотнения снега по двум методам;
8. Вычислить поправку на уплотнение снега на станции Восток и посчитать значения скорости снегонакопления с учётом этой поправки.
9. Разработать универсальный алгоритм расчёта скорости уплотнения снежной толщи с использованием моделей уплотнения для любой точки центральной Антарктиды.
Снегомерные наблюдения в Антарктиде, особенно в её центральной части, связаны с различными трудностями. Скорость снегонакопления вычисляется с помощью данных о приросте высоты снежного покрова за год и данных о среднегодовой плотности. Получить достоверные значения этих параметров затруднительно - нарушается естественное залегание снега, сложно определять изменения плотности с глубиной. Задача также усложняется малым количеством атмосферных осадков. Поэтому знания о балансе массы, о сезонности, временной и пространственной изменчивости снегонакопления весьма ограничены. Существует несколько способов измерения аккумуляции снега. Простейший, и наиболее часто используемый метод - снегомерные наблюдения с использованием вех. Он позволяет сделать оценку местного или регионального распределения баланса массы. Используют как одиночные вехи (что даёт грубую, приближённую оценку), так и веховые полигоны и профили. В рамках этих методов с определённой частотой (обычно каждый месяц или год) измеряют превышение снегомерной вехи над поверхностью снега. В таких измерениях не учитывается уплотнение снежной толщи между основанием вехи и поверхностью снега за период времени между двумя наблюдениями. Как будет подробно показано в разделе 2.3, это уплотнение приводит к тому, что наблюдаемый на вехе прирост снега несколько ниже истинного. Таким образом, значения прироста высоты снежного покрова по наблюдениям на снегомерных вехах имеют систематический сдвиг в сторону более низких значений.
Проблема коррекции результатов снегомерных наблюдений признаётся актуальной (Takahashi, Kameda, 2007; Екайкин и др., 1998; Eisen et al., 2008), но корректировка снегомерных данных на уплотнение снега еще не стала рутинной мировой практикой. Большинство данных публикуется без этой поправки. Это систематически заниженное снегонакопление используется в дальнейшем при составлении климатических моделей, при их проверке и при различных прогнозах. Чтобы получать достоверные данные, правильно обрабатывать результаты снегомерных наблюдений и использовать их в последующих исследованиях необходимо уметь рассчитывать эту поправку.
В связи с этим, целью данной работы является определение поправки в результаты инструментальных наблюдений за скоростью накопления снега в центральной Антарктиде (станция Восток) на уплотнение снега двумя независимыми способами и разработка алгоритма расчёта этой поправки для любой точки центральной Антарктиды.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
1. Создать базу данных о вертикальном распределении плотности снега в интервале глубины 0-5 м по данным снежных шурфов в районе станции Восток;
2. Рассчитать осреднённый профиль плотности снежной толщи на станции Восток и в её окрестностях в этом интервале глубины и определить его статистические параметры;
3. Определить, меняется ли во времени вертикальный профиль плотности (для двух временных интервалов: 1980-1999 гг. и 2000-2017 гг.);
4. Определить зависимость скорости уплотнения снега от глубины;
5. Сопоставить реально наблюдаемую скорость уплотнения снега с результатами расчётов по упрощённой модели уплотнения Херрона-Лонгвея и по физической модели Саламатина и др.;
6. Обработать результаты многолетнего эксперимента по инструментальному измерению скорости уплотнения снега на станции Восток;
7. Сопоставить результаты определения скорости уплотнения снега по двум методам;
8. Вычислить поправку на уплотнение снега на станции Восток и посчитать значения скорости снегонакопления с учётом этой поправки.
9. Разработать универсальный алгоритм расчёта скорости уплотнения снежной толщи с использованием моделей уплотнения для любой точки центральной Антарктиды.
Данное исследование было посвящено исправлению систематического сдвига в значениях прироста высоты снежного покрова по наблюдениям на снегомерных вехах. Этот сдвиг происходит из-за уплотнения снежной толщи, он существенно отражается на значениях скорости снегонакопления, занижая измеренные значения относительно истинных. Для исправления этой ошибки в рамках данной работы были вычислены поправки на уплотнение снежной толщи, с учётом которых были пересчитаны значения приростов высоты снежного покрова и скорость снегонакопления. Для станции Восток эта поправка составила порядка 12 % от величины скорректированного прироста и почти 16% от величины измеренного прироста на старом и новом снегомерном полигоне за 1970¬2018 гг. Такой существенный вклад уплотнения снежной толщи стоит учитывать при проведении снегомерных наблюдений и обработке данных. Данные по снегонакоплению в Антарктиде широко используются в масс-балансовых расчётах, вклад Антарктиды в уровень мирового океана играет важное значение во множестве моделей, в различных климатических сценариях, поэтому крайне необходимо, чтобы эти данные были достоверными.
Одной из задач этого исследования была разработка универсального алгоритма расчёта скорости уплотнения снежной толщи с использованием моделей уплотнения для любой точки центральной Антарктиды. В этой работе выполнить эту задачу не удалось. Ни одна из рассмотренных моделей уплотнения не отражала реальных процессов, идущих в снежной толщи с необходимой нам детальностью. Мы вычислили поправки на уплотнение для станции Восток, но это получилось сделать только с помощью большого массива разнообразных данных, полученных на этой станции. Для большинства районов Антарктиды мы не имеем такого объёма данных. Поэтому для разработки универсального алгоритма расчёта поправки для всей Антарктиды или даже только для Центральной Антарктиды необходимо подобрать или создать модель, максимально точно отражающую процессы уплотнения в самой верхней части снежной толщи при данных климатических условиях, а также, возможно, учесть ещё какие-то дополнительные факторы, упущенные в этой работе.
Я хочу поблагодарить своего научного руководителя за терпение и за многочисленные объяснения, данные в ходе этой работы, также отдельную благодарность я выражаю Чихачёву Кириллу за помощь в работе с физической моделью уплотнения и благодарю весь коллектив Лаборатории Изменения Климата и Окружающей Среды за предоставление материалов, статей для данного исследования и за поддержку.
Одной из задач этого исследования была разработка универсального алгоритма расчёта скорости уплотнения снежной толщи с использованием моделей уплотнения для любой точки центральной Антарктиды. В этой работе выполнить эту задачу не удалось. Ни одна из рассмотренных моделей уплотнения не отражала реальных процессов, идущих в снежной толщи с необходимой нам детальностью. Мы вычислили поправки на уплотнение для станции Восток, но это получилось сделать только с помощью большого массива разнообразных данных, полученных на этой станции. Для большинства районов Антарктиды мы не имеем такого объёма данных. Поэтому для разработки универсального алгоритма расчёта поправки для всей Антарктиды или даже только для Центральной Антарктиды необходимо подобрать или создать модель, максимально точно отражающую процессы уплотнения в самой верхней части снежной толщи при данных климатических условиях, а также, возможно, учесть ещё какие-то дополнительные факторы, упущенные в этой работе.
Я хочу поблагодарить своего научного руководителя за терпение и за многочисленные объяснения, данные в ходе этой работы, также отдельную благодарность я выражаю Чихачёву Кириллу за помощь в работе с физической моделью уплотнения и благодарю весь коллектив Лаборатории Изменения Климата и Окружающей Среды за предоставление материалов, статей для данного исследования и за поддержку.
Подобные работы
- Скорость уплотнения снежной толщи в районе станции Восток (центральная Антарктида)
Дипломные работы, ВКР, география. Язык работы: Русский. Цена: 4300 р. Год сдачи: 2019