|
Арктика и Антарктика
Правильная ссылка на статью:
Фролов Д.М., Ржаницын Г.А., Кошурников А.В., Гагарин В.Е. —
Мониторинг сезонных изменений температуры грунта
// Арктика и Антарктика.
– 2022. – № 4.
– С. 43 - 53.
DOI: 10.7256/2453-8922.2022.4.39429 EDN: LNECQT URL: https://nbpublish.com/library_read_article.php?id=39429
Мониторинг сезонных изменений температуры грунта
Фролов Денис Максимович
научный сотрудник, Географический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова
119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. 1904Б
Frolov Denis Maksimovich
Scientific Associate, Faculty of Geography, M. V. Lomonosov Moscow State University
119991, Russia, g. Moscow, ul. Leninskie Gory, 1, of. 1904B
|
denisfrolovm@mail.ru
|
|
 |
Другие публикации этого автора
|
|
Ржаницын Герман Анатольевич
преподаватель, кафедра криолитологии и гляциологии, Московский Государственный университет имени М.В. Ломоносова
119991, Россия, г. Крупской 19 47, ул. Ленинские Горы, 1, оф. Ц-01
Rzhanitsyn German Anatol'evich
Lecturer, Department of Cryolithology and Glaciology, Lomonosov Moscow State University
119991, Russia, Krupskoy 19 47, Leninskie Gory str., 1, of. C-01
|
|
german-r@mail.ru
|
|
 |
Кошурников Андрей Викторович
ведущий научный сотрудник кафедры геокриологии, Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова
119234, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. 205
Koshurnikov Andrei Viktorovich
Leading Scientific Associate, Department of Geocryology, M. V. Lomonosov Moscow State University
119234, Russia, Moscow, Leninskie Gory str., 1, office 205
|
|
koshurnikov@msu-geophysics.ru
|
|
|
Другие публикации этого автора
|
|
Гагарин Владимир Евгеньевич
кандидат геолого-минералогических наук
старший научный сотрудник кафедры геокриологии, Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова
119234, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, ауд. Ц23
Gagarin Vladimir Evgen'evich
PhD in Geology and Mineralogy
Scientific Associate, Department of Geocryology, M. V. Lomonosov Moscow State University
119234, Russia, Moscow, Leninskie Gory str., 1, room C23
|
|
gagar88@yandex.ru
|
|
|
Другие публикации этого автора
|
|
DOI: 10.7256/2453-8922.2022.4.39429
EDN: LNECQT
Дата направления статьи в редакцию:
17-12-2022
Дата публикации:
30-12-2022
Аннотация: В работе рассмотрена проблема мониторинга сезонных изменений температуры грунта в северных и горных районах в свете идущих изменений климата. Для изучения сезонных изменений температуры грунта использована модельная площадка метеообсерватории МГУ с возможностями наблюдения за температурой воздуха, толщиной снежного покрова и температурой и глубиной промерзания грунта, которая являлась прототипом системы мониторинга состояния многолетнемерзлых грунтов, применяемой в Арктике и горных территорях. В работе представлены результаты мониторинга сезонных изменений температуры грунта основанные на результатах численного моделирования проникновения сезонных колебаний температуры в грунте в 2014-2017 в среде MATLAB на модельной площадке метеообсерватории МГУ. Рассмотренные в работе результаты численного моделирования проникновения сезонных колебаний температуры в грунте на метеоплощадке МГУ в 2014-2017 в среде MATLAB хорошо согласуются с данными термометрии и, следовательно, разработанная расчётная схема показывает достаточно хорошие результаты моделирования. Это делает возможным применение расчётной схемы для оценки термического состояния мёрзлых грунтов и оценки устойчивости фундаментов и располагающихся на них зданий и линейных сооружений в условиях Севера и горных территорий. Следовательно, представленная методика может служить хорошим подспорьем для мониторинга и по предотвращению разрушения исследуемых сооружений в условиях потепления климата.
Ключевые слова:
мониторинг, температура грунта, глубина промерзания, Северные районы, Горные районы, температура воздуха, мерзлота, криолитозона, численное моделирование, геофизические исследования
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой «Опасность и риск природных процессов и явлений» (121051300175-4) и «Эволюция криосферы при изменении климата и антропогенном воздействии» (121051100164-0).
Abstract: The paper considers the problem of monitoring seasonal changes in soil temperature in northern and mountainous areas in the light of ongoing climate changes. To study seasonal changes in soil temperature, a model site of the Moscow State University Meteorological Observatory was used with the ability to monitor air temperature, snow cover thickness, and ground freezing temperature and depth, which was a prototype of a system for monitoring the state of permafrost soils used in the Arctic and mountain territories. The paper presents the results of monitoring seasonal changes in soil temperature based on the results of numerical modeling of the penetration of seasonal fluctuations in soil temperature in 2014-2017 in MATLAB environment at the model site of the MSU Meteorological Observatory. The results of numerical simulation of the penetration of seasonal temperature fluctuations in the ground at the MSU meteorological site in 2014-2017 in the MATLAB environment are in good agreement with the thermometry data and, therefore, the developed calculation scheme shows fairly good simulation results. This makes it possible to use the calculation scheme to assess the thermal state of frozen soils and assess the stability of foundations and buildings and linear structures located on them in the conditions of the North and mountainous territories. Therefore, the presented methodology can serve as a good help for monitoring and preventing the destruction of the studied structures in the conditions of climate warming.
Keywords: monitoring, ground temperature, freezing depth, North regions, Mountain regions, air temperature, permafrost, cryolithozone, numerical modeling, geophysical research
ВВЕДЕНИЕ
Согласно данных СМИ (https://nia.eco/2022/11/28/52357/), правительство поддержало законопроект Минприроды о мониторинге многолетней мерзлоты и как отметил глава ведомства Александр Козлов, создание системы мониторинга является национальной задачей, о которой ранее говорил президент Владимир Путин. Также говорилось, что фоновый мониторинг, над созданием объектов которого учёные уже работают, будет создан на базе наблюдательной сети Росгидромета. На мысе Баранова и архипелаге Шпицбергена уже сделали опытные полигоны. Пробурили 25-метровые скважины, в них установили термометрические косы, данные с которых, по спутниковым каналам, непрерывно передаются в институт. По словам министра в системе мониторинга будет 140 таких станций-скважин. Система позволит получать данные о деградации вечномёрзлых грунтов. Это даст возможность разрабатывать меры адаптации для соответствующих отраслей экономической и социальной сфер. Мониторинг сезонных изменений температуры грунта в горных регионах также очень важен в свете современных климатических изменений [1-8] .
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
На территории метеообсерватории МГУ для изучения влияния естественного покрова (в первую очередь снежного покрова) на распределение теплового поля в грунте ведутся наблюдения за температурой воздуха, толщиной снежного покрова и глубиной промерзания грунта по вытяжным термометрам и мерзлотомерам системы Данилина и Ратомского на оголенной площадке и под естественным покровом. Наблюдения ведутся сотрудниками метеообсерватории фактически, начиная с момента её основания - даты постройки главного здания МГУ, примерно 1953 год. В последнее время также ведутся работы по изучению пространственной и временной неоднородности снежной толщи, а также производится моделирование, позволяющее оценить влияние снежного покрова на глубину промерзания грунта в черте города Москвы и Подмосковье [9-12]. Осенью 2021 года на метеоплощадке была также пройдена термометрическая скважина глубиной 18 метров с полным отбором керна. В скважине предполагается установить термокосу с логгером для наблюдения и записи температуры воздуха, снежного покрова и грунта на разной глубине. Эта система является прототипом системы мониторинга состояния многолетнемерзлых грунтов, применяемой в Арктике и для горных территорий.
При бурении скважины для контроля температуры грунта на метеорологической площадке МГУ им. М.В. Ломоносова глубиной 18 м был произведен отбор пробы грунта. Образец грунта был исследован в лаборатории. Результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1. Скважина 2021 на Метеорологической обсерватории МГУ
|
Глубина,м
|
Диагностика
|
|
0-0,24
|
Дернина и гумусовый горизонт
|
|
0,24-0,37
|
гумусовый горизонт с техногенным по нижней границе
|
|
0,37-0,52
|
Техногенный горизонт
|
|
0,52-0,63
|
Техногенный горизонт
|
|
0,62-0,83
|
Техногенный горизонт
|
|
0,83-0,99
|
То же
|
|
1,08-1,34
|
То же
|
|
1,49-1,65
|
То же
|
|
2,13-2,23
|
Московская морена
|
|
2,23
|
Московская морена
|
|
2,4-2,61
|
Московская морена
|
|
3,00-3,84
|
Порода, Московская Днепровская? Морена
|
|
|
|
|
6м
|
Порода, Днепровская морена
|
|
7,91-8,03
|
Порода, Днепровская морена
|
|
9,36-9,63
|
Палеопочва
|
|
9,98-10,13
|
Палеопочва
|
|
10,80
|
Порода, Днепровская морена
|
|
11,92-12,04
|
Порода, Днепровская морена, в пределах капиллярной каймы обводненного горизонта
|
|
14,3
|
Порода, Днепровская морена, обводнена
|
Теплопроводность, теплоемкость и температуропроводность образцов грунта керна были определены по всей длине образца с шагом примерно 15-20 см. Распределение измеренных значений теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности грунта по глубине образца показано на графиках на рисунке 1.
Рис. 1. Распределение измеренных значений теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности грунта по глубине керна
Видно, что верхние два метра дернины, гумуса и техногенного слоя отличаются довольно низкой теплопроводностью порядка 1,5 Вт/м K. Следующая за ними Морена московская, порода и днепровская морена имеет высокую теплопроводность, порядка 2,5 Вт/м K. Идущий далее слой палеопочвы имеет низкую теплопроводность 1,5-2 Вт/м K. Дальше следует опять днепровская морена с теплопроводностью 2,5 Вт/м K.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Описанные данные вместе с метеорологическими данными, такими как температура воздуха и толщина снега, позволяют рассчитать проникновение волны сезонных колебаний температуры в грунте, используя уравнение Фурье с применением метода эффективной теплоёмкости. Этот метод отличается от упрощённой схемы расчёта глубины промерзания грунта для метеорологической площадки и также для местностей Кавказа и Тянь-Шаня, приведённой в большинстве недавних работах автора [9-18] тем, что там вычисления основывались на задаче теплопроводности трехслойной среды (снег, мерзлый и талый грунт) с фазовым переходом на границе мерзлого и талого грунта. Уравнение теплового баланса включало энергию фазового перехода, приток тепла из талого грунта и отток в мерзлый грунт и при наличии снежного покрова через него в атмосферу. Поток тепла рассчитывался по закону Фурье, как произведение теплопроводности и градиента температуры. Предполагалось, что температура в каждой из сред изменяется линейно (например, [19]). Для снежного покрова и мерзлого грунта использовалась формула теплопроводности двухслойной среды. На рисунке 2 приведено рассчитанное по полной методике и расчётной схеме [20-23] проникновение тепловой волны в толщу грунта под воздействием сезонного изменения температуры воздуха.
Рис. 2. Проникновение волны сезонных колебаний температуры в грунте на метеоплощадке МГУ в 2014-2017 гг.
Исходными данными расчёта задавались результаты измерения температуры поверхности грунта. Вычисления проводились посредством полученной на основе метода конечных разностей для уравнения теплопроводности Фурье (в частных производных, второго порядка) явной разностной схеме. Высота образца разбивалась на i=1,n(=250) частей. Создавалась прямоугольная сетка для области вычисления, и записывалось полученное на основе разностной аппроксимации уравнение на расчётной сетке по явному шаблону вычислений. Выбирался шаг по времени и проводились вычисления значений на новом временном слое, используя граничные условия нулевого потока на нижней границе и задания измеренной температуры на верхней границе расчётной области.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, рассмотренные в работе результаты численного моделирования проникновения волны сезонных колебаний температуры в грунте на метеоплощадке МГУ в 2014-2017 в среде MATLAB согласуются с данными термометрии и, следовательно, разработанная расчётная схема показывает достаточно хорошие результаты моделирования. Это делает возможным применение расчётной схемы для оценки термического состояния мёрзлых грунтов и оценки устойчивости фундаментов и располагающихся на них зданий и линейных сооружений в условиях Севера и горных территорий. Следовательно, представленная методика может служить хорошим подспорьем для мониторинга и по предотвращению разрушения исследуемых сооружений в условиях потепления климата при освоении северных территорий и поддержании в надлежащем состоянии данных объектов там.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой «Опасность и риск природных процессов и явлений» (121051300175-4) и «Эволюция криосферы при изменении климата и антропогенном воздействии» (121051100164-0).
Библиография
|
1.
|
Brown J. Permafrost and climate change: The IPA report to the IPCC // Frozen Ground . 1994. №15. P. 16-26
|
|
2.
|
Marchenko S. Distribution modeling of alpine permafrost in the arid mountains (a GIS approach) // Extended Abstracts. International Symposium on mountain and Arid land permafrost. Ulaanbaatar: Urlah Erdem Publishing, 2001. P. 43-47
|
|
3.
|
Wang X., Ran Y., Pang G., Chen D., Su B., Chen R., Li X., Chen H.W., Yang M., Gou X., Jorgenson M.T., Aalto J., Li R., Peng X., Wu T., Clow G.D., Wan G., Wu X., Luo D. Contrasting characteristics, changes, and linkages of permafrost between the Arctic and the Third Pole // Earth-Science Reviews, V. 230, 2022, 104042, https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2022.104042.
|
|
4.
|
Kanevskiy M., Shur Y., Walker D.A., Jorgenson T., Raynolds M.K., Peirce J.L., Jones B.M., Buchhorn M., Matyshak G., Bergstedt H., Breen A.L., Connor B., Daanen R., Liljedahl A., Romanovsky V.E., Watson-Cook E. The shifting mosaic of ice-wedge degradation and stabilization in response to infrastructure and climate change, Prudhoe Bay Oilfield, Alaska, USA. Arctic Science. 8(2): 498-530. https://doi.org/10.1139/as-2021-0024
|
|
5.
|
Xu, X., Wu, Q. Active layer thickness variation on the Qinghai-Tibetan Plateau: Historical and projected trends. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2021, 126, e2021JD034841. https://doi.org/10.1029/2021JD034841
|
|
6.
|
Jan A., Painter S.L. Permafrost thermal conditions are sensitive to shifts in snow timing // Environ. Res. Lett. 2020. V.15 084026, DOI 10.1088/1748-9326/ab8ec4
|
|
7.
|
Cao B., Gruber S., Zheng D. The ERA5-Land soil temperature bias in permafrost regions // The Cryosphere. 2020. 14. 2581-2595. 10.5194/tc-14-2581-2020.
|
|
8.
|
Желтенкова Н.В., Гагарин В.Е., Кошурников А.В., Набиев И.А. — Режимные геокриологические наблюдения на высокогорных перевалах Тянь-Шаня // Арктика и Антарктика. 2020. № 3. С.25-43. DOI: 10.7256/2453-8922.2020.3.33535 URL: https://nbpublish.com/library_read_article.php?id=33535
|
|
9.
|
Frolov D.M. Calculations of ground freezing depth under bare and covered with the snow cover ground surface for the site of the meteorological observatory of Lomonosov Moscow State University for winter periods of 2011/12-2017/18 // Environmental Dynamics and Global Climate Change. - 2019. - Vol. 10. - N. 2. - P. 86-90. doi: 10.17816/edgcc21203
|
|
10.
|
Frolov D.M. Impact of snow cover and air temperature on ground freezing depth and stability in mountain area // Environmental dynamics and global climate change. 2021. Т. 12. №. 1. с. 43–46. DOI: 10.17816/edgcc21205
|
|
11.
|
Frolov D. M. Winter regime of temperature and snow accumulation as a factor of ground freezing depth variations // E3S Web of Conferences. — 2020. — Vol. 163, no. 01005. — P. 1–5. DOI:10.1051/e3sconf/202016301005
|
|
12.
|
Фролов Д. М. Роль снежного покрова в изменениях глубины промерзания грунта в московской и калужской области // Четвертые виноградовские чтения. Гидрология от познания к мировоззрению. Сборник докладов международной научной конференции памяти выдающегося русского ученого Юрия Борисовича Виноградова. — Санкт-Петербург: Санкт-Петербург. 2020. С. 827–831.
|
|
13.
|
Фролов Д.М., Кошурников А.В., Гагарин В.Е., Додобоев Э.И. Наблюдения и расчёты глубины промерзания грунта на перевале Анзоб (Таджикистан)// Динамика и взаимодействие геосфер Земли. Материалы Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 100-летию подготовки в Томском государственном университете специалистов в области наук о Земле. В 3-х томах. — Т. 2. — Изд-во Томского ЦНТИ Томск, 2021. — С. 81–83
|
|
14.
|
Frolov D.M., Koshurnikov A.V., Gagarin V.E. et al. Application of the calculating scheme for rock freezing depth during geotechnical monitoring on the Anzob pass (Tajikistan) // Journal of Physics: Conference Series. 2022. Vol. 1045, no. 1. — P. 012094. DOI: 10.1088/1755-1315/1045/1/012094
|
|
15.
|
Frolov D.M. Calculating scheme for ground freezing depth variations and its application in different landscapes // Вестник Карагандинского университета. Серия: Биология. Медицина. География. — 2021. — Vol. 4, no. 104. — P. 166–171. DOI:10.31489/2021BMG4/166-171
|
|
16.
|
Frolov D.M. Calculation scheme of ground freezing depth in terskol // Вестник Евразийского национального университета им. Л.Н.Гумилева. Серия Математика. Информатика. Механика. — 2021. — Vol. 135, no. 2. — P. 7–13. DOI: 10.32523/2616-7263-2021-135-2-7-13
|
|
17.
|
Фролов Д.М., Кошурников А.В., Гагарин В.Е. и др. Изучение криосферы Зеравшанского и Гиссарского хребтов (Тянь-Шань) // Арктика и Антарктика. — 2022. — № 4. — С. 1–10. DOI: 10.7256/2453-8922.2022.4.39279
|
|
18.
|
Фролов Д.М., Ржаницын Г.А., Сократов С.А. и др. Геотехнический мониторинг снежных покровов на ледниках Эльбруса (Кавказ) // Геофизика. — 2022. — № 3. — С. 70–75.
|
|
19.
|
DeGaetano, A.T., Cameron M.D., Wilks D.S. Physical simulation of maximum seasonal soil freezing depth in the united states using routine weather observation // Journal of Applied Meteorology, 2001, 40(3), pp. 546–555
|
|
20.
|
Основы мерзлотного прогноза при инженерно-геологических исследованиях // Под ред. Кудрявцева В.А.. Изд-во МГУ, 1974. 431 c.
|
|
21.
|
Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. М.: Наука, 1989. 432 c.
|
|
22.
|
Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики, 1999, 800 с.
|
|
23.
|
Фролов Д.М., Ржаницын Г.А., Сократов С.А. и др. Лабораторные эксперименты по одностороннему промораживанию образцов песка // Процессы в геосредах. 2022. Т. 34, № 4. С. 1888–1891 (в печати)
|
References
|
1.
|
Brown J. (1994) Permafrost and climate change: The IPA report to the IPCC. In Frozen Ground №15. P. 16-26
|
|
2.
|
Marchenko S. (2001) Distribution modeling of alpine permafrost in the arid mountains (a GIS approach). In Extended Abstracts. International Symposium on mountain and Arid land permafrost. Ulaanbaatar: Urlah Erdem Publishing, 2001. P. 43-47
|
|
3.
|
Wang X., Ran Y., Pang G., Chen D., Su B., Chen R., Li X., Chen H.W., Yang M., Gou X., Jorgenson M.T., Aalto J., Li R., Peng X., Wu T., Clow G.D., Wan G., Wu X., Luo D. (2022) Contrasting characteristics, changes, and linkages of permafrost between the Arctic and the Third Pole. In Earth-Science Reviews, V. 230, 2022, 104042, https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2022.104042.
|
|
4.
|
Kanevskiy M., Shur Y., Walker D.A., Jorgenson T., Raynolds M.K., Peirce J.L., Jones B.M., Buchhorn M., Matyshak G., Bergstedt H., Breen A.L., Connor B., Daanen R., Liljedahl A., Romanovsky V.E., Watson-Cook E. (2021) The shifting mosaic of ice-wedge degradation and stabilization in response to infrastructure and climate change, Prudhoe Bay Oilfield, Alaska, USA. Arctic Science. 8(2): 498-530. https://doi.org/10.1139/as-2021-0024
|
|
5.
|
Xu, X., Wu, Q. (2021) Active layer thickness variation on the Qinghai-Tibetan Plateau: Historical and projected trends. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2021, 126, e2021JD034841. https://doi.org/10.1029/2021JD034841
|
|
6.
|
Jan A., Painter S.L. (2020) Permafrost thermal conditions are sensitive to shifts in snow timing. In Environ. Res. Lett. V.15 084026, DOI 10.1088/1748-9326/ab8ec4
|
|
7.
|
Cao B., Gruber S., Zheng D. (2020) The ERA5-Land soil temperature bias in permafrost regions. In The Cryosphere. 14. 2581-2595. 10.5194/tc-14-2581-2020.
|
|
8.
|
Zheltenkova N.V., Gagarin V.E., Koshurnikov A.V., Nabiev I.A. (2020) Regime geocryological observations on the high mountain passes of the Tien Shan. In Arctic and Antarctic. No. 3. pp.25-43. DOI: 10.7256/2453-8922.2020.3.33535 URL: https://nbpublish.com/library_read_article.php?id=33535
|
|
9.
|
Frolov D.M. (2019) Calculations of ground freezing depth under bare and covered with the snow cover ground surface for the site of the meteorological observatory of Lomonosov Moscow State University for winter periods of 2011/12-2017/18. In Environmental Dynamics and Global Climate Change. Vol. 10. N. 2. P. 86-90. doi: 10.17816/edgcc21203
|
|
10.
|
Frolov D.M. (2021) Impact of snow cover and air temperature on ground freezing depth and stability in mountain area. In Environmental dynamics and global climate change. Vol. 12. No. 1. pp. 43-46. DOI: 10.17816/edgcc21205
|
|
11.
|
Frolov D.M. (2020) Winter regime of temperature and snow accumulation as a factor of ground freezing depth variations. In E3S Web of Conferences. Vol. 163, no. 01005. P. 1–5. DOI:10.1051/e3sconf/202016301005
|
|
12.
|
Frolov D.M. (2020) The role of snow cover in changes in the depth of soil freezing in the Moscow and Kaluga regions. In The fourth Vinogradov readings. Hydrology from cognition to worldview. Collection of reports of the international scientific conference in memory of the outstanding Russian scientist Yuri Borisovich Vinogradov. — St. Petersburg: St. Petersburg. pp. 827-831.
|
|
13.
|
Frolov D.M., Koshurnikov A.V., Gagarin V.E., Dodoboev E.I. (2021) Observations and calculations of the depth of soil freezing at the Anzob pass (Tajikistan). In Dynamics and interaction of geospheres of the Earth. Materials of the All-Russian conference with international participation dedicated to the 100th anniversary of the training of specialists in the field of Earth sciences at Tomsk State University. In 3 volumes. Vol. 2, Publishing House of the Tomsk Central Research Institute Tomsk, pp. 81-83
|
|
14.
|
Frolov D.M., Koshurnikov A.V., Gagarin V.E. et al. (2020) Application of the calculating scheme for rock freezing depth during geotechnical monitoring on the Anzob pass (Tajikistan). In Journal of Physics: Conference Series. Vol. 1045, no. 1. — P. 012094. DOI: 10.1088/1755-1315/1045/1/012094
|
|
15.
|
Frolov D.M. (2021) Calculating scheme for ground freezing depth | |
Статья опубликована с лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0) – Лицензия «С указанием авторства – Некоммерческая».
Рус
