Математическое моделирование динамики термокарстовых процессов на территории многолетней мерзлоты Западной Сибири

• Автор: Полищук, Владимир Юрьевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Барнаул
• Количество страниц: 155 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕРМОКАРСТОВЫХ ПРОЦЕССОВ
1.1 Общая характеристика полей термокарстовых озер как объекта исследования
1.2 Анализ современного состояния методов и средств дистанционных исследований
1.3 Свойства полей термокарстовых озер по данным дистанционных исследований
1.4 Анализ опыта математического моделирования пространственных объектов
1.5 Постановка задач диссертационных исследований
1.6 Основные результаты главы
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СЛУЧАЙНЫХ ПОЛЕЙ ТЕРМОКАРСТОВЫХ ОЗЁР НА ТЕРРИТОРИИ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
2.1 Объекты и методики
2.2 Экспериментальное исследование статистических свойств пространственного распределения параметров местоположения термокарстовых озёр
2.3 Экспериментальное исследованние законов распределения термокарстовых озер по их площадям по данным ДЗЗ
2.4 Дистанционное изучение формы береговых границ термокарстовых озёр
2.5 Анализ климатических изменений на территории мерзлоты Западной Сибири по данным метеостанций
2.6 Исследование климатических изменений на территории мерзлоты на основе данных реанализа
2.7 Исследование взаимосвязи изменений свойств термокарстовых озёр и климатических параметров с использованием многомерного регрессионного анализа
2.8 Основные результаты главы
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ И АЛГОРИТМОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОЛЕЙ ТЕРМОКАРСТОВЫХ ОЗЕР
3.1 Основные свойства математической модели полей термокарстовых озер
3.2 Алгоритм численного моделирования пространственной структуры полей термокарстовых озер
3.3 Алгоритм численного моделирования пространственно-временной структуры полей термокарстовых озёр
3.4 Учет температурной зависимости параметров модели в алгоритме численного моделирования полей термокарстовых озер
3.5 Основные результаты главы

ГЛАВА 4. ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ЕГО ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОГНОЗИРОВАНИИ ПОЛЕЙ ТЕРМОКАРСТОВЫХ ОЗЁР
4.1 Описание структуры программного комплекса
4.2 Подсистема имитационного моделирования полей термокарстовых озер
4.3 База данных о характеристиках полей термокарстовых озёр в зоне многолетней мерзлоты западной сибири
4.4 Исследование адекватности модели полей термокарстовых озер с использованием компьютерных экспериментов
4.5 моделирование динамики полей термокарстовых озер
4.6 Прогнозирование пространственно-временных изменений полей термокарстовых озер
4.6.1 Анализ изменения температуры на территории многолетней мерзлоты Западной Сибири
4.6.2 Прогнозирование динамики полей термокарстовых озер до 2030 года по данным реанализа ERA-40 и ERA-INTERIM
4.6.3 Прогнозирование динамики полей термокарстовых по данным системы реанализа ERA-INTERIM до 2050 года
4.7 Основные результаты главы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
Приложение А. Среднелетние, среднезимние и среднегодовые значения температуры воздуха и годовая сумма осадков за тридцатилетний период

Приложение Б. Принятые сокращения
Приложение В. Коллекция снимков Landsat разных тестовых участков ..153 Приложение Г. Свидетельства об официальной регистрации программ и
базы данных
Приложение Д. Акты и справка об использовании и внедрении результатов диссертационных исследований

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Потепление климата, ставшее одной из наиболее значимых глобальных проблем современности, приводит на северных территориях к росту аварийности на трубопроводах и других сооружениях нефтегазового комплекса. Снижение прочности многолетнемёрзлых пород, вызываемое ускорением термокарстовых процессов под воздействием потепления, сопровождается ростом экономических и экологических ущербов на предприятиях отечественного нефтегазового комплекса, так как большинство газовых месторождений и значительная часть месторождений нефти в Западной Сибири располагаются в зоне вечной мерзлоты. Разработка мероприятий по снижению ущербов нефтегазодобывающих предприятий требует проведения исследований динамики термокарстовых процессов на территории вечной мерзлоты в условиях глобального потепления климата.
Поэтому изучение изменений термокарстовых процессов в зоне многолетней мерзлоты в связи с глобальными климатическими изменениями, несомненно, является актуальной проблемой, решение которой вследствие высокой степени заболоченности и труднодоступности территории многолетней мерзлоты проводится с применением данных дистанционного зондирования поверхности Земли. При этом в качестве наиболее пригодных индикаторов изменений термокарстовых процессов используются термокарстовые озёра, хорошо дешифрируемые на космических снимках. Так как расположение, форма и размеры озер изменяются во времени и пространстве, их совокупности можно рассматривать как поля термокарстовых озер, свойства которых определяются статистическими характеристиками площадей озер и параметров их местоположения, измеряемых на космических снимках с использованием средств геоинформационных систем.
Однако из-за преобладания на северных территориях облачной погоды не удается сформировать совокупность достаточного числа космических
поверхности этого озера (рис. 1.3.3-д) уменьшилась на 90% от исходной величины, измеренной в 1984 г. (рис. 1.3.3-а). В то же время площадь соседнего озера Б (рис. 1.3.3) за период исследований изменилась крайне незначительно.
С точки зрения моделирования динамики площадей термокарстовых озер представляется интересным рассмотреть результаты изучения временной зависимости изменений средних значений площадей термокарстовых озер, приведенные в [69]. В этой работе из выборки (объемом 93 озера) исследованных озер были сформированы две совокупности: первая из них включала 63 озера, сократившие свои площади, вторая - 30 озер, увеличивших площади. Для каждой из совокупностей были определены средние (за каждый исследуемый год в отдельности) значения площадей озер. Далее рассмотрим графики (рис. 1.3.4 и 1.3.5), заимствованные из [69]. На рис. 1.3.4-а представлен график зависимости изменения средней площади (Б) совокупности озер, сокративших свою площадь, от времени Т. Аналогичный график временной зависимости средней площади совокупности озер, увеличивших свою площадь, в графическом виде приведен на рис. 1.3.4-6. Доверительные интервалы для средних площадей, показанные на рис. 1.3.4, рассчитаны для вероятности 90%.
Сравнение графиков на рис. 1.3.4-а и 1.3.4-6 показывает, что процесс сокращения площади водной поверхности озер в среднем преобладает над процессом ее увеличения. Этот вывод в наглядном виде подтверждает график на рис. 1.3.5, на котором представлена временная зависимость изменения средней площади всех исследованных озер, показывающая уменьшение угла наклона линии тренда по сравнению с графиком временного хода средней площади на рис. 1.3.4-а. Следовательно, как видно из графика на рис. 1.3.5, площади термокарстовых озер за период исследований (на территории с координатами центра 75° в.д., 66° с.ш.) в среднем уменьшаются во времени, что является важной особенностью