Changes in the water-thermal regime of permafrost swamps in Western Siberia in response to climate warming

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Всеобщее потепление климата, несомненно, приводит к изменению составляющих водного и теплового балансов различных природных ландшафтов. В свою очередь, указанные изменения могут вызывать смещение природных зон и частичный переход из одного вида ландшафта в другой. В данной статье рассмотрены изменения водно-теплового режима болот зоны многолетней мерзлоты Западной Сибири, которая располагается севернее линии Сибирских Увалов.  Для зоны многолетней мерзлоты характерно распространение двух типов верховых болот: бугристые (южная часть зоны) и полигональные (северная часть). Граница между этими типами болот в Западной Сибири приблизительно совпадает с линией полярного круга.

Водно-тепловой режим болот в Западной Сибири подробно был исследован в период с 1971 по 1991 год. Основные результаты исследований изложены в публикации [Novikov, 2009]. Данные исследования послужили основой для разработки математической модели для расчета основных водно-тепловых характеристик деятельного слоя болот зоны многолетней мерзлоты для различных микроландшафтов бугристых и полигональных болот, расположенных в указанном регионе.

Основной целью текущей работы являлась оценка изменчивости водно-теплового режима бугристых и полигональных болот Северо-Западной Сибири. Для этого были подготовлены и обработаны метеорологические данные, которые затем использовались в модели для расчётов показателей водно-теплового режима, которые, в свою очередь, были обобщены и проанализированы.

МЕТОДИКА

Для оценки водно-теплового режима болот зоны многолетней мерзлоты использовались ежедневные данные метеорологических станций по температуре воздуха, суммам осадков, общей и нижней облачности. Сведения о метеорологических станциях, привлекаемых для расчета параметров водно-теплового режима болот, приведены в таблице 1.

Таблица 1.   Метеостанции, данные которых использовались для расчёта водно-теплобалансовых характеристик.

Table 1.   Weather stations whose data were used to calculate water-heat balance characteristics.

Параметры водно-теплового режима болот исследуемой территории были рассчитаны по упомянутой ранее модели. Модель основана на решении уравнений водного, радиационного и теплового баланса для разных элементов мезорельефа бугристых и полигональных болот.

Обобщение материалов расчета проводилось по двум периодам: с начала наблюдений указанных метеостанций до 1978 года (с 1936 года, n=42 года) и с конца этого периода по настоящее время (n=45 лет). Деление по 1978 году является оптимальным для разделения гидротермического режима болот на прошлый квазистационарный и нестационарный современный для исследуемой территории. При оценке результатов рассмотрены изменения температуры воздуха только в тёплый период, а не всего года, поскольку в холодный период промерзание деятельного слоя болот происходит весьма интенсивно и заканчивается не позднее середины зимы. В связи с этим остальные параметры водно-теплового режима болот тоже ограничены в оценке тёплым периодом (период года с устойчивыми среднесуточными температурами воздуха выше 0 °С).

С целью некоторой детализации при обобщении получаемых результатов обе зоны бугристых и полигональных болот были разделены на южный и северный районы. Кроме того, оценки результатов проводились отдельно для лет с эмпирическими обеспеченностями средней температуры воздуха тёплого периода в 2.5%, 50% и 97.5%.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Расчет обеспеченных значений температуры воздуха (Табл. 2) показывает, что за последние 45 лет наблюдается повышение средней температуры в тёплые периоды года, причем в более южных районах это повышение составляет 0.3-0.5 °C, тогда как в северных районах повышение составило от 0.7 до 1.6 °С (для годов 50% обеспеченности).

Таблица 2. Осреднённые данные повышения температуры воздуха за тёплые периоды до и после 1978 г. в зонах полигональных и бугристых болот Западной Сибири, °С.

Table 2. Averaged data on air temperature increase during warm periods before and after 1978 in the zones of polygonal and hummocky bogs of Western Siberia, °C.

Особенно интенсивно повышение температуры отмечается в наиболее тёплые годы (до 3.5 °С для годов 2.5% обеспеченности). В холодные годы повышение незначительно либо вовсе отсутствует. Такое повышение суммарной температуры теплых периодов определяет изменения составляющих водного и теплового баланса болот. Некоторые составляющие водно-теплового режима увеличиваются незначительно, такие как радиационный баланс и испарение. Изменение других составляющих будет зависеть от основного параметра – глубины оттаивания торфяной залежи болот. В связи с этим в данной статье рассмотрены изменения максимальной глубины оттаивания за тёплый период года на различных элементах микроландшафта бугристых и полигональных болот. В таблице 3 приведены результаты расчетов максимальных сезонных глубин оттаивания торфяной залежи болот на различных элементах микроландшафта.

Таблица 3. Максимальные глубины оттаивания болот зоны многолетней мерзлоты Западной Сибири на конец тёплого периода, см.

Table 3. Maximum thawing depths of bogs in the permafrost zone of Western Siberia at the end of the warm period, cm.

В зоне полигональных болот оттаивание плоских полигонов и мочажин одинаково, поэтому приводятся средние значения параметров оттаивания. В этой зоне оттаивание в южной половине полигональных болот за последние 45 лет увеличилось в среднем на 4-5 см (около 10%), а в северной половине отмечается увеличение оттаивания почти в 2 раза. Наиболее существенные изменения прослеживаются в максимально теплые летние периоды, когда оттаивание за сезон увеличивается на 7-10 см (на севере до 16 см). В зоне бугристых болот глубина сезонного оттаивания увеличивается в среднем на 4-5 см, а в наиболее теплые годы – на 7-10 см.

Маршрутные обследования полигональных болот, выполненные в районе Бованенковского газового месторождения, показали, что мощность торфяной залежи здесь, как правило, меньше 30 см (в 97% случаев), и лишь в отдельных местах на полигонально-валиковых микроландшафтах она может достигать 80-100 см. Далее на север, в бассейне р. Пухуце-яха, мощность торфяной залежи не превышает 25 см. Поэтому в течение теплого периода года в северной половине зоны полигональных болот оттаивание происходит ежегодно, и, следовательно, повышение температуры воздуха в теплые периоды года не приведет к изменению их водно-теплового режима. Приводимые величины оттаивания для северного района полигональных болот следует рассматривать как «потенциальные». 

Следует отметить, что некоторое увеличение оттаивания полигональных болот должно приводить к постепенному изменению структуры микроландшафтов, а возможно, и к некоторому смещению границ распространения основных типов болот. Следует предположить, что в первую очередь изменение коснется групп микроландшафтов. Так, плоскополигональные будут стремиться переходить в вогнутополигональные, а те, в свою очередь, в полигонально-валиковые и далее в полигонально-бугристые болота [Novikov, 2009]. Увеличение оттаивания на бугристых болотах будет приводить к увеличению площадей топей и к постепенной смене болотных комплексов бугристых болот на комплексы олиготрофных талых болот.

Вопрос о смещении современных границ болотных зон в северном направлении весьма сложный. Южная граница распространения мерзлых болот в настоящее время приблизительно совпадает с линией Сибирских Увалов. Однако и в 30-40 км южнее этой границы встречаются разрушающиеся бугристые структуры на наименее обводненных участках болот. Следует предположить, что переход к верховым типам талых болот ускорится. Сибирские Увалы, несмотря на относительно незначительные высоты (150-170 м в абсолютных отметках), все же являются некоторым препятствием для перехода мерзлых болот в талые. Поэтому, по нашему мнению, в ближайшей перспективе такого перехода не последует.                         

Граница между бугристыми и полигональными болотами имеет ширину около 70 км. Следует предположить, что она будет смещаться в северном направлении, однако скорость указанного смещения незначительна, поскольку рассматриваемый процесс требует формирования иной гидрографической сети болот, а также структурных изменений микроландшафтов. Кроме того, прогноз изменения границ болотных зон весьма затруднен на фоне продолжающегося изменения климата.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В итоге можно отметить, что изменения в некоторых элементах водно-теплового режима арктических болот на исследуемой территории, в первую очередь глубины сезонного оттаивания торфяной залежи, будут способствовать последовательной эволюции структуры болотных микроландшафтов. Процесс смещения границы между полигональными и бугристыми болотами в случае дальнейшего потепления будет ускоряться, однако этому могут воспрепятствовать орографические препятствия.

About the authors

A. P. Morozov

Author for correspondence.
Email: antonmorozov43@yandex.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

Yu. P. Moskvin

Email: ypmosk@gmail.com
Russian Federation, Санкт-Петербург

References

Supplementary files