Математическое моделирование таяния ледников в Арктике с учетом потепления климата

  • Anatoliy Alexandrovich Fedotov Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет) http://orcid.org/0000-0003-3383-1188
  • Vladimir Vladimirovich Kaniber Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет) http://orcid.org/0000-0003-0846-6641
  • Pavel Vasilevich Khrapov Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет) http://orcid.org/0000-0002-6269-0727

Аннотация

В статье исследуется начально-краевая задача для нестационарного одномерного уравнения теплопроводности, моделирующего распределение температуры в леднике. Математическая модель построена с учетом фазовых переходов твердое тело-жидкость. Для определения параметров модели использовались данные с метеорологических станций, с помощью которых были получены необходимые физические и теплофизические характеристики расчетной зоны. Для численного решения задачи был использован метод конечных объемов. Был исследован нестационарный периодический режим, построены зависимости температуры от глубины для каждого месяца и найдена глубина активного слоя, а также глубина нулевых амплитуд аннуляций для двух ледников: ледяной шапки Вавилова и Аустре-Гронфьордбрина. Прогноз температурного режима ледников на 2100 год смоделирован для трех сценариев глобального потепления: умеренный RCP2.6, RCP7, соответствующий текущим выбросам, и RCP1.9, принятый в Парижском соглашении в 2015 году. Сценарии основаны на базах данных IPCC AR5 и SSP, а также на существующей структуре политики и заявленных политических намерениях в Сценарии (STEPS), изложенном МЭА. Построенные графики ясно показывают, что даже умеренный сценарий RCP2.6 (потепление на 2°C) может привести к заметному таянию ледников, в то время как сценарий RCP7 приведет к беспрецедентным последствиям. В свою очередь, сценарий, ограничивающий потепление климата до 1,5°C по сравнению с доиндустриальным уровнем (RCP1.9), заметно замедлил бы таяние ледников. Проанализировав необратимое разрушение ледяного покрова при потеплении еще на 0,5°C, и учитывая неблагоприятные последствия этого потепления для многих районов, необходимость сдерживания темпов повышения температуры становится очевидной. Моделирование четко подтвердило влияние глобального потепления на криосферу нашей планеты.

Сведения об авторах

Anatoliy Alexandrovich Fedotov, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

доцент кафедры высшей математики факультета фундаментальных наук, кандидат физико-математических наук

Vladimir Vladimirovich Kaniber, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

студент факультета фундаментальных наук

Pavel Vasilevich Khrapov, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

доцент кафедры высшей математики факультета фундаментальных наук, кандидат физико-математических наук

Литература

1. Kotlyakov V.M., Khromova T.E., Zverkova N.M., Chernova L.P., Kulikova V.V. World atlas of snow and ice resources. A.I. Voeikov’s opinions. Doklady Earth Sciences. 2011; 441(1):1564-1567. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1134/S1028334X11110171
2. Willis M.J., et al. Massive destabilization of an Arctic ice cap. Earth and Planetary Science Letters. 2018; 502:146-155. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1016/j.epsl.2018.08.049
3. Bushueva I.S., Glazovsky A.F., Nosenko G.A. Surge development in the western sector of the Vavilov Ice Cap, Severnaya Zemlya, 1963-2017. Led i Sneg = Ice and Snow. 2018; 58(3):293-306. (In Russ., abstract in Eng.) doi: https://doi.org/10.15356/2076-6734-2018-3-293-306
4. Golubev V.N. Modern fluctuations of the Vavilov Ice Cap on the Severnaya Zemlya. Materialy Glyatsiologicheskikh Issledovaniy = Data of Glaciological Studies. 1988; (85):196-204. Available at: https://istina.msu.ru/download/6747288/1eMRB0:LFS0dKYOWeq7qZiumLcva1dwwDM (accessed 10.09.2021). (In Russ., abstract in Eng.)
5. Chernov R.A., Kudikov A.V., Vshivtseva T.V., Osokin N.I. Estimation of the surface ablation and mass balance of Eustre Grønfjordbreen (Spitsbergen). Led i Sneg = Ice and Snow. 2019; 59(1):59-66. (In Russ., abstract in Eng.) doi: https://doi.org/10.15356/2076-6734-2019-1-59-66
6. Hagen J.O., Kohler J., Melvold K., Winther J.-G. Glaciers in Svalbard: mass balance, runoff and freshwater flux. Polar Research. 2003; 22(2):145-159. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.3402/polar.v22i2.6452
7. Kohler J., James T.D., Murray T., Nuth C., Brandt O., Barrand N.E., Aas H.F., Luckman A. Acceleration in thinning rate on western Svalbard glaciers. Geophysical Research Letters. 2007; 34(18):L18502. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1029/2007GL030681
8. Van Pelt W.J.J., Kohler J., Liston G.E., Hagen J.O., Luks B., Reijmer C.H., Pohjola V.A. Multidecadal climate and seasonal snowconditions in Svalbard. Journal of Geophysical Research: Earth Surface. 2016; 121(11):2100-2117. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1002/2016JF003999
9. Małecki J. Accelerating retreat and high-elevation thinning of glaciers in central Spitsbergen. The Cryosphere. 2016; 10(3):1317-1329. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.5194/tc-10-1317-2016
10. Nuth C., Kohler J., König M., von Deschwanden A., Hagen J.O., Kääb A., Moholdt G., Pettersson R. Decadal changes from a multi-temporal glacier inventory of Svalbard. The Cryosphere. 2013; 7(5):1603-1621. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.5194/tc-7-1603-2013
11. Mavlyudov B.R., Savatyugin L.M., Solovyanova I.Yu. Reaction of Nordenskiold land glaciers, Spitsbergen, on climate change. Problemy Arktiki i Antarktiki = Arctic and Antarctic Research. 2012; (1):67-77. Available at: http://old.aari.ru/misc/publicat/paa/PAA91/PAA91-07(67-77).pdf (accessed 10.09.2021). (In Russ., abstract in Eng.)
12. Vasilenko E.V., Glazovsky A.F., Lavrentiev I.I., Macheret Yu.Ya. Changes of hydrothermal structure of Austre Gronfjordbreen and Fridtjovbreen Glaciers in Svalbard. Led i Sneg = Ice and Snow. 2014; 54(1):5-19. Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=21435626 (accessed 10.09.2021). (In Russ., abstract in Eng.)
13. Zinger E.M., Mikhalev V.I. Accumulation of snow on Spitsbergen glaciers. Materialy Glyatsiologicheskikh Issledovaniy = Data of Glaciological Studies. 1967; (13):86-100. (In Russ.)
14. Sosnovsky A.V., Macheret Yu.Ya., Glazovsky A.F., Lavrentiev I.I. Influence of snow cover on the thermal regime of a polythermal glacier in Western Spitsbergen. Led i Sneg = Ice and Snow. 2015; 55(3):27-37. Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=24169837 (accessed 10.09.2021). (In Russ., abstract in Eng.)
15. Lavrentiev I.I., Kutuzov S.S., Glazovsky A.F., Macheret Yu.Ya., Osokin N.I., Sosnovsky A.V., Chernov R.A., Cherniakov G.A. Snow thickness on Austre Grønfjordbreen, Svalbard, from radar measurements and standard snow surveys. Led i Sneg = Ice and Snow. 2018; 58(1):5-20. (In Russ., abstract in Eng.) doi: https://doi.org/10.15356/2076-6734-2018-1-5-20
16. Patankar S.V. Computation of Conduction and Duct Flow Heat Transfer. CRC Press, Taylor & Francis Group; 1991. 370 p. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1201/9781315139951
17. Krylov D.A., Sidnyaev N.I., Fedotov A.A. Mathematical modelling of temperature distribution. Matematicheskoe modelirovanie = Mathematical Models and Computer Simulations. 2013; 25(7):3-27. Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=21276892 (accessed 10.09.2021). (In Russ., abstract in Eng.)
18. Fedotov A.A., Kaniber V.V., Khrapov P.V. Analysis and prediction of changes in the temperature of the pure freshwater ice column in the Antarctic and the Arctic. International Journal of Open Information Technologies. 2021; 9(9):47-65. Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=46515792 (ac cessed 10.09.2021). (In Eng.)
19. Fedotov A.A., Kaniber V.V., Khrapov P.V. Analysis and forecasting of changes in the soil temperature distribution in the area of the city of Norilsk. International Journal of Open Information Technologies. 2020; 8(10):51-65. Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44106800 (accessed 10.09.2021). (In Russ., abstract in Eng.)
20. Fedotov A.A., Kaniber V.V., Khrapov P.V. Forecast of the soil temperature in permafrost in response of climate warming. International Journal of Open Information Technologies. 2020; 8(6):53-61. Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=42969474 (accessed 10.09.2021). (In Russ., abstract in Eng.)
21. Biskaborn B.K., Smith S.L., Noetzli J., et al. Permafrost is warming at a global scale. Nature communications. 2019; 10:264. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1038/s41467-018-08240-4
22. Riahi K., van Vuuren D.P., Kriegler E., et al. The Shared Socioeconomic Pathways and their energy, land use, and greenhouse gas emissions implications: An overview. Global Environmental Change. 2017; 42:153-168. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1016/j.gloenvcha.2016.05.009
23. Pielke Jr. R., Burgess M.G., Ritchie J. Plausible 2005-2050 emissions scenarios project between 2°C and 3°C of warming by 2100. Environmental Research Letters. 2022; 17(2):024027. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1088/1748-9326/ac4ebf
24. Surkova E., Popov S., Tchabovsky A. Rodent burrow network dynamics under human‐induced landscape transformation from desert to steppe in Kalmykian rangelands. Integrative Zoology. 2019; 14(4):410-420. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1111/1749-4877.12392
25. Schepaschenko D., et al. Russian forest sequesters substantially more carbon than previously reported. Scientific Reports. 2021; 11:12825. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1038/s41598-021-92152-9
26. Andela N., et al. A human-driven decline in global burned area. Science. 2017; 356(6345):1356-1362. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1126/science.aal4108
27. Wasko C., Sharma A. Global assessment of flood and storm extremes with increased temperatures. Scientific Reports. 2017; 7:7945. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1038/s41598-017-08481-1
28. Taylor C.A., Schlenker W. Environmental Drivers of Agricultural Productivity Growth: CO2 Fertilization of US Field Crops. National Bureau of Economic Research. 2021. Working Paper 29320. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.3386/w29320
29. Hannah L., Roehrdanz P.R., Krishna Bahadur K.C., et al. The environmental consequences of climate-driven agricultural frontiers. PLoS ONE. 2020; 15(2):e0228305. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0228305
30. Parfenova E., Tchebakova N., Soja A. Assessing landscape potential for human sustainability and 'attractiveness' across Asian Russia in a warmer 21st century. Environmental Research Letters. 2019; 14(6):065004. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1088/1748-9326/ab10a8
Опубликована
2021-12-20
Как цитировать
FEDOTOV, Anatoliy Alexandrovich; KANIBER, Vladimir Vladimirovich; KHRAPOV, Pavel Vasilevich. Математическое моделирование таяния ледников в Арктике с учетом потепления климата. Современные информационные технологии и ИТ-образование, [S.l.], v. 17, n. 4, p. 1007-1021, dec. 2021. ISSN 2411-1473. Доступно на: <http://sitito.cs.msu.ru/index.php/SITITO/article/view/810>. Дата доступа: 09 dec. 2022 doi: https://doi.org/10.25559/SITITO.17.202104.1007-1021.
Раздел
Научное программное обеспечение в образовании и науке

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)