Моделирование эмиссии метана на шельфе Восточной Арктики

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭМИССИИ МЕТАНА НА
ШЕЛЬФЕ ВОСТОЧНОЙ АРКТИКИ В
РЕЗУЛЬТАТЕ ЕГО РАЗГРУЗКИ ИЗ ДОННЫХ
ИСТОЧНИКОВ
Малахова В.В., Голубева Е.Н.
ИВМиМГ СО РАН, Новосибирск
Международная конференция памяти академика А.М. Обухова
«ТУРБУЛЕНТНОСТЬ, ДИНАМИКА АТМОСФЕРЫ И
КЛИМАТА»
Восточно-Сибирский шельф
Предполагаемые области распространения подводной мерзлоты (ACIA, 2004) и
мелководных Арктических газогидратов (Соловьев, 1999)
Арктики представляет собой самый обширный
 Шельф Восточной
6
2
(2.1*10 км ) и мелководный шельф Мирового океана, где
предположительно существует подводная мерзлота
 На шельф Восточной Арктики – предполагается наличие
мелководных шельфовых газогидратов, законсервированных под
мерзлым грунтом
Аномалии среднегодовой
температуры воздуха над
арктическими морями, °С
(1 –аномалии; 2, 3, 4 –
линейные тренды за 1936–2007
гг., 1978–2007 гг. и 1998–2007
гг.).
Обзор гидрометеорологических
процессов в Северном
Ледовитом океане. ААНИИ
По данным наблюдений
выявлен положительный
линейный тренд
среднегодовой
температуры воздуха
для арктических морей,
в частности для моря
Лаптевых и ВосточноСибирского моря
Растворенный метан в шельфовых водах
Арктических морей
Измерения метана, в водах Восточно-Сибирского моря и моря Лаптевых,
выполнены в ходе Российско-Американских экспедиций в 2005-2007 г.
(поверхностный и придонный слой) (Шахова, 2010)
Возможные источники:

возможность распространения подводной мерзлоты в МВА до изобаты
100м и процессов ее разрушения?

развитие таликов в зонах влияния теплых вод и речного стока и
разрушение газогидратов?
Совместная модель океан –лед лаборатории математического
моделирования процессов в атмосфере и гидросфере
ИВМиМГ СО РАН





Численная модель крупномасштабной динамики океана (z-версия
модели) (Golubeva and Platov,[2007], Голубева,2008).
Рассматривается область Северного Ледовитого океана и северная часть
Атлантического океана, начиная с 20° ю.ш.
Максимальное разрешение в приполярном районе составляет 35 км
Минимальная глубина шельфовой зоны задана равной 20 м
Ледовая модель CICE 3.0 относится к категории эластичных
вязко-пластичных моделей (W.D.Hibler ,1979; E.C.Hunke, J.K.Dukowicz,1997;
G.A.Maykut 1971 C.M.Bitz, W.H.Lipscomb 1999,J.K.Dukowicz, J.R.Baumgardner 2000,
W.H.Lipscomb, E.C.Hunke 2004 )







Задание расхода рек сопровождается заданием притока пресной
воды
Модель теплопереноса в грунте ИФА РАН
[Денисов С.Н., Аржанов М.М., Елисеев А.В.,
Мохов И.И., 2011]
Численная модель переноса трассера
Параметризация процессов окисления
Поток метана в атмосферу
Дополнительные источники метана:
Диффузионные потоки на дне
Графики межгодовых изменений температуры атлантических вод на разрезе мыс Свиной
с конца 1995 г. до 2005 г., в проливе Фрама с конца 1997 г. до 2005 г. и в северной части
моря Лаптевых по данным буйковых станций с сентября 2003 г. по сентябрь 2004 г.
Dmitrenko, I, Polyakov IV, Kirillov S, Timokhov L, Frolov IE, Sokolov VT, Simmons HL, Ivanov
VV, Walsh D. 2008. Towards A Warmer Arctic Ocean: Spreading Of The Early 21st Century
Atlantic Water Warm Anomaly Along The Eurasian Basin Margins. Journal of Geophysical
Research. 113:C05023.
Данные наблюдений свидетельствуют о притоке теплых
атлантических вод в море Лаптевых
Повышение температуры в слое атлантических
вод в ходе численного эксперимента
6
1950
1980
5
-0 .5 -1.5 20.501 -1.5 3 2.-0.
.5 5
13
2.5
1.5 2
1.52
10.5
0
-0 .5
1980
1970
1960
1
-1.5
-1.5
-1 5
-0.
1
1
0.5
0
1990
1-1.5 20.510
2. 5
0
-500 1
0.5
-1000
1
3
0.501
1970
00.5
1. 5
0
0
1990
11.5.5
0
1
0
-1
2000
3. 5
0 -1
1960
0.5
0
-1.
-0-1.55
1
4
1950
0
0.5
-0 .5 1.5
-12
32..3545
4
3
-1.5
-1
0.0 5 -0.5
-500 0.5
0
-1000
3
0
1.52 2.5
1
0.5
0
2000
По результатам численного эксперимента проникновение тепла в СЛО
происходит в виде тепловых импульсов
2
0
Результаты моделирования. Климатические изменения
Среднегодовая
температура,
осредненная по
регионам (а для ВосточноСибирского
моря, б -для
моря Лаптевых),
полученная в
численных
экспериментах
В результате работы численной
модели с использованием данных
реанализа NCEP/NCAR была
восстановлена циркуляцию вод в
морях сибирского шельфа c 1948
по 2011 гг.
Придонная температура
воды для 2011г.
Моделирование состояния подводной мерзлоты на
шельфе МВА от 8000 л.н. до 2011 г. (Qt = 60 mW/m2 )
В начальном сценарии предполагалось, что во время затопления
среднегодовая температура шельфа увеличилась на 11.5 °С, с -13 °С,
когда он имел температуру, близкую температуре воздуха, до -1.5 °С,
после чего она оставалась постоянной до 1947 г. (Dmitrenko I. A. et al.
2011; Delisle G.,2000; Nicolsky and Shakhova, 2010 ) .
Моделирование области распространения мелководных
Арктических газогидратов
Согласно термобарическим условиям, формирование зоны стабильности
шельфовых гидратов метана происходит при образовании многолетнемерзлых пород во время осушения шельфа Арктики
Результаты моделирования толщины
мерзлого грунта для 2011
при Qt = 60 mW/m2
при Qt = 100 mW/m2
Важнейшими фактором при моделировании состояния подводной
мерзлоты являются геотермические условия Арктического
шельфа.
Численные эксперименты по
переносу метана
В рамках описанной модели были реализованы численные
эксперименты по поступлению растворенного метана в воды ВСШ в
период с 2002 по 2011 год в соответствии со сценариями
 С1 – в результате предположения увеличения газовой
проницаемости многолетних мерзлых донных осадков задано
поступление растворенного метана из донных отложений равномерно
по всей области шельфа (до 100 м) в виде диффузионных потоков
порядка 3 нмоль /м2 в секунду, [Elliott S. , Maltrud M, Reagan M., Moridis G.,
Cameron-Smith P. 2011]
 С2 - заданы потоки из донных резервуаров порядка
1000 нмоль/м2
в секунду , рассчитанные для арктических областей для случая
разрушения поддонных газогидратных залежей, [Reagan M. T., Moridis G.
J. 2008 ]. Рассмотрена область близ дельты реки Лена, где по данным
2005 - 2007 гг. зарегистрированы устойчивые аномалии растворенного
метана.
Поверхностная циркуляция
Перенос растворенного
метана по акватории морей
восточной Арктики
производится в
соответствии с системой
течений бассейна и зависит
от рассматриваемого
периода.
Результат расчета
для 2005 г.
Результат расчета
для 2007 г.
Распространение растворенного метана
(в нмоль/л)
Эксперимент С1
2007/09
Эксперимент C2
2007/09
2007/09
2007/09
Оценка потока метана в атмосферу
F
−0.5
Sc


∆C ⋅ (1 − Ice)
κ

 660 
Sc =2039.2 − 120.31T + 3.4209T 2 − 0.040437T 3
κ = 0.31υ 2
∆CС= С− Ta (S , )
Расчет потока по
методике Wanninkhof
(1992)
Равновесная с
атмосферой
концентрация
метана (Wiesenburg ,
Guinasso (1979))
Оценки потока по данным измерений
Оценки
диффузионного
потока:
Средний для области
(1.9×106км2)
F=3.67 мг/(м2 сутки)
Плюм (0.2×106км2)
F=11.8 мг/м2 сутки
(Shakhova et al., 2010)
Поток метана в атмосферу. Результаты эксперимента С1
2005/09
2007/09
2009/09
2011/09
Поток метана в атмосферу. Эксперимент С2
2005/09
2007/09
Диффузионный поток метана
по данным измерений
сентябрь 2007 (Shakhova et
al., 2010)
Поток метана в атмосферу с учетом летнего и
зимнего периода (килотонн в год)
Эксперимент С1
Эксперимент С2
ВЫВОДЫ

На основе региональной модели СЛО – Северная
Атлантика проведены расчеты по моделированию
состояния водных масс СЛО на период с 1948 по
2011 гг. Увеличение температуры вод ВосточноСибирского шельфа, полученное в ходе численных
экспериментов, соответствует данным измерений

На основе сценарных расчетов получены оценки
потока метана на шельфе морей восточной Арктики.
Показано, что эмиссия метана от рассмотренных
источников могла составить до 300 килотонн в год за
период открытой воды в зависимости от года

Получено, что максимальная эмиссия метана в
атмосферу Арктического региона характерна для
2005, 2007 гг. В арктических морях в эти годы
произошло сокращению площади, занимаемой
морскими льдами в конце летнего периода
Благодарю за внимание