Температура почвенных горизонтов в Ямало-Ненецком автономном округе по данным реанализа ERA5 и моделей CMIP6

Актуальность работы обусловлена современными темпами изменения климата Арктического региона и угрозами, связанными с деградацией многолетнемёрзлых пород (ММП). Проведён анализ изменений приземной температуры воздуха (ПТВ) и температуры ММП на территории Ямало-Ненецкого автономного округа в период 1980–2020 гг. с применением станционных данных, термометрических скважин, реанализа ERA5 и климатических моделей CMIP6. Оценка ансамбля моделей CMIP6 проводилась на основе сравнения ПТВ с данными реанализа ERA5 по трём критериям: ошибка среднего значения, ошибка среднеквадратического отклонения и доля точек, в которых знак линейного тренда ПТВ совпадает с трендом, полученным по данным ERA5. По выбранным моделям анализировалось воспроизведение среднемесячной температуры ММП по горизонтам от поверхности до глубины 3 м с использованием в качестве метрик среднеквадратической ошибки (MSE) и индекса соответствия (AI) данных наблюдений и моделей. Показано, что ERA5 качественно воспроизводит в исследуемом регионе характеристику ПТВ (корреляция до 0.95), но имеет ограничения при оценке температуры почвы, где качество воспроизведения снижается по мере увеличения глубины. Реанализ занижает инструментальные значения значений ММП на 1.5–2.5 °С, а также не воспроизводит отдельные экстремумы. Модели CMIP6 демонстрируют значительные колебания качества воспроизведения температурного режима почвы в зависимости от местоположения и почвенного горизонта. Модель GFDL-CM4 выделяется как наиболее надёжная для оценки температуры почвенного профиля в регионе со значениями MSE 1–13, AI 84–98% и значимой корреляцией годового хода температуры ММП от 0.87 до 0.97 на различных почвенных горизонтах по сравнению с данными наблюдений с двух скважин. Работа подчёркивает необходимость комплексного использования данных наблюдений и данных моделей с тщательной оценкой их качества для прогноза влияния климатических изменений на криолитозону и связанные риски для экосистем и инфраструктуры ЯНАО.

1. Адушкин В.В., Кудрявцев В.П., Лосева Т.В. Эмиссия метана в арктическом регионе и ее влияние на региональное потепление // Динамические процессы в геосферах. 2024. № 1. С. 220–229.

2. Аржанов М.М., Малахова В.В., Мохов И.И. Условия формирования и диссоциации метангидратов в течение последних 130 тысяч лет по модельным расчётам // Доклады Академии наук. 2018. Т. 480. № 6. С. 725–729.

3. Баранов В.И. Разработка комплекса мероприятий по строительству газопровода в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов. Бакалаврская работа. Томский национальный исследовательский политехнический университет, 2023. https://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/75461/1/TPU1461036.pdf

4. Булыгина О.Н., Разуваев В.Н., Трофименко Л.Т., Швец Н.В. Описание массива данных среднемесячной температуры воздуха на станциях России. Свидетельство о государственной регистрации базы данных. Обнинск: ВНИИГМИ-МЦД, 2014. № 2014621485.

5. Елисеев А.В. Глобальный цикл метана: обзор // Фундаментальная и прикладная климатология. 2018. Т. 1. С. 52–70.

6. Красулина О.Ю. Арктическая зона Российской Федерации: особенности природно-экономических и демографических ресурсов // Региональная экономика и управление. 2016. № 4 (48). С. 51–58.

7. Малахова В.В. Эмиссия метана из донных отложений арктического шельфа при нарушении условий стабильности гидратов // Оптика атмосферы и океана. 2025. Т. 38. № 6. С. 467–473.

8. Местников Ф.М. Организация ремонтных работ магистральных газопроводов в условиях низких температур Крайнего Севера. Выпускная квалификационная работа магистра. Томский национальный исследовательский политехнический ун-т, 2023. https://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/76396/1/TPU1470931.pdf

9. Мохов И.И., Малахова В.В., Аржанов М.М. Модельные оценки внутри-и межвековой деградации “вечной мерзлоты” в регионе полуострова Ямал при потеплении // Доклады Академии наук. Науки о Земле. 2022. Т. 506. № 2. С. 219–226.

10. Семенов В.А. Колебания современного климата, вызванные обратными связями в системе атмосфера-арктические льды-океан // Фундаментальная и прикладная климатология. 2015. Т. 1. С. 232–248.

11. Семенов С.М. Парниковый эффект и его антропогенное усиление // Солнечно-земная физика. 2012. № 21. С. 10–17.

12. Bevacqua E., Schleussner C.F., Zscheischler J. A year above 1.5° C signals that Earth is most probably within the 20-year period that will reach the Paris Agreement limit // Nature Climate Change. 2025. V. 15. № 3. P. 262–265.

13. Bokuchava D.D., Semenov V.A. Mechanisms of the early 20th century warming in the Arctic // Earth-Science Reviews. 2021. V. 222. P. 103820.

14. Davy R., Outten S. The Arctic surface climate in CMIP6: Status and developments since CMIP5 // Journal of Climate. 2020. V. 33. № 18. P. 8047–8068.

15. Eyring V., Bony S., Meehl G.A., Senior C.A., Stevens B., Stouffer R. J., Taylor K.E. Overview of the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) experimental design and organization // Geoscientific Model Development. 2016. V. 9. P. 1937–1958.

16. Fox-Kemper B. Ocean, Cryosphere and Sea Level Change // In Climate Change 2021: The Physical Science Basis. IPCC Sixth Assessment Report. Cambridge University Press, 2021. P. 1211–1362.

17. Hersbach H., Bell B., Berrisford P., Hirahara S., Horányi A., Muñoz-Sabater J., Thépaut J.N. The ERA5 global reanalysis // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2020. V. 146. № 730. P. 1999–2049.

18. Karjalainen O., Luoto M., Aalto J., Hjort J. New insights into the environmental factors controlling the ground thermal regime across the Northern Hemisphere: a comparison between permafrost and non-permafrost areas // The Cryosphere. 2019. V. 13. № 2. P. 693–707.

19. Kirtman B.P., Min D., Infanti J.M., Kinter III J.L., Paolino D.A., Zhang Q., Wood E.F. The North American Multi-Model Ensemble (NMME): Phase-1 seasonal to interannual prediction, Phase-2 toward developing intra-seasonal prediction // Bulletin of the American Meteorological Society. 2014.

20. Kraev G., Rivkina E., Vishnivetskaya T., Belonosov A., Huissteden J., Kholodov A., Zamolodchikov D. Methane in gas shows from boreholes in epigenetic permafrost of Siberian Arctic // Geosciences. 2019. V. 9. № 2. С. 67.

21. Li M., Wu P., Ma Zh. A comprehensive evaluation of soil moisture and soil temperature from third-generation atmospheric and land reanalysis data sets // International Journal of Climatology. 2020. V. 40. № 13. P. 5744–5766.

22. Luo Z., Ji D., Ahrens B. Assessing Climate Modeling Uncertainties in the Siberian Frozen Soil Regions by Contrasting CMIP6 and LS3MIP // EGUsphere. 2025. V. 2025. P. 1–34.

23. Malkova G., Drozdov D., Vasiliev A., Gravis A., Kraev G., Korostelev Y., Tsarev A. Spatial and Temporal Variability of Permafrost in the Western Part of the Russian Arctic // Energies. 2022. V. 15. P. 2311.

24. Miner K.R., Turetsky M.R., Malina E., Bartsch A., Tamminen J., McGuire A.D., Miller C.E. Permafrost carbon emissions in a changing Arctic // Nature Reviews Earth & Environment. 2022. V. 3. № 1. P. 55–67.

25. Nicolsky D.J., Romanovsky V.E., Panda S.K., Marchenko S.S., Muskett R.R. Applicability of the ecosystem type approach to model permafrost dynamics across the Alaska North Slope // Journ. of Geophys. Research: Earth Surface. 2016. V. 122. P. 50–75.

26. Oppenheimer M., Glavovic B., Hinkel J., Van de Wal R.S.W., Magnan A., Abd-Elgawad A., Sebesvari Z. The ocean and cryosphere in a changing climate. 2019.

27. Rantanen M., Karpechko A.Y., Lipponen A., Nordling K., Hyvärinen O., Ruosteenoja K., Vihma T. Laaksonen A. The Arctic Has Warmed Nearly Four Times Faster than the Globe Since 1979 // Communications Earth & Environment. 2022 V. 3. № 168. https://doi.org/10.1038/s43247-022-00498-3

28. Sidorova M., Alieva M., Shtol E., Oderkova A., Yasinsky S. Selection of an Ensemble of Atmospheric and Oceanic General Circulation Models of the CMIP-6 Project for estimating possible runoff changes in the Volga and Kama basins // E3S Web of Conferences. 2023. V. 407. Р. 02011.

29. van Soest M. A.J., Anderson N.J., Bullard J.E. Arctic soil development under changing climate conditions // Catena. 2025. V. 254. P. 108938.

30. Zhou J., Zhang J., Huang Y. Evaluation of soil temperature in CMIP6 multimodel simulations // Agricultural and Forest Meteorology. 2024. V. 352. P. 110039.