Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Глобальное потепление и существующие оценки речного стока на территории России 10
1.1 Подходы к проблеме глобального потепления 10
1.2. Возможные изменения водности и гидрологического режима отдельных рек России вследствие климатических изменений в XXI веке 21
Глава 2. Восточно-Европейская равнина в XX веке 34
2.1 Выбор территории 34
2.2 Климатические характеристики Восточно-Европейской равнины 37
2.3. Современное состояние водных ресурсов ВЕР и ближайшие перспективы 41
Глава 3 Водные и гидроэнергетические ресурсы в условиях глобального потепления 52
3.1 Прогнозирование величин нормы годового стока по данным климатического моделирования 54
3.1.1. Оценка репрезентативности данных базисного периода 55
3.1.1 Адаптация методики для Восточно-Европейской равнины 62
3.2 Оценка возможных изменений вероятности маловодных лет 77
3.2.1 Адаптация для исследуемой территории 79
Глава 4. Изменение слоя стока весеннего половодья на территории Восточно-Европейской равнины в условиях глобального потепления 90
4.1 Изменение условий половодья на территории Восточно-Европейской равнины .92
4.1.1 Слой стока весеннего половодья 92
4.1.1.2. Разработка методики расчета стока половодья для базисного периода .100
4.1.1.3 Воспроизводимость МОЦАО современного стока весеннего половодья. 104
4.1.4 Оценка изменения максимального снегозапаса к началу половодья и слоя стока половодья в XXI веке 107
4.2 Изменение вероятности многоводных весенних половодий в XXI веке 113
4.2.1 Расчет коэффициента вариации средиемноголетнего слоя стока половодья 113
Глава 5. Влияние климатических изменений годового стока на водные и гидроэнергетические ресурсы 122
5.1 Водные ресурсы 122
5.2 Гидроэнергетические ресурсы 125
5.3. Влияние изменений стока весеннего половодья на хозяйственную деятельность 131
Заключение 133
Литература 136
- Возможные изменения водности и гидрологического режима отдельных рек России вследствие климатических изменений в XXI веке
- Климатические характеристики Восточно-Европейской равнины
- Оценка возможных изменений вероятности маловодных лет
- Оценка изменения максимального снегозапаса к началу половодья и слоя стока половодья в XXI веке
Введение к работе
Актуальность исследования. Проблема оценки и прогнозирования характеристик речного стока на перспективу в несколько десятилетий всегда относилась к разделу наиболее актуальных в научной гидрологии, поскольку она непосредственно связана с решением важнейших задач по планированию водообеспечения населения и экономики, обоснованию крупных водохозяйственных мероприятий и практикой гидротехнического проектирования.
В XX веке были разработаны и успешно применялись методы оценки гидрологических характеристик, основанные на гипотезе стационарности гидроклиматических условий формирования речного стока в прошлом и в обозримом будущем в масштабах нескольких десятилетий. В соответствии с этим за основу предвидения естественного (не измененного хозяйственной деятельностью) гидрологического режима на ближайшие десятилетия, статистические характеристики речного стока переносятся на будущий период эксплуатации водохозяйственных систем и гидротехнических сооружений.
В настоящее время правомерность концепции стационарности многолетних колебаний гидрологических условий формирования речного стока ставится под сомнение .*-? в связи с усилившимися в последней четверти XX века процессами глобального " потепления климата. Факты свидетельствуют, что климат изменяется и это происходит с нарастающей скоростью, начиная с конца 70-ых гг. и по настоящее время. Несмотря на то, -/> что вопрос о причинах современного глобального потепления не является до конца решенным, в исследованиях многих ведущих климатологов мира делается вывод об антропогенном характере потепления, связанного с ростом концентрации С02, метана и др. парниковых газов в атмосфере (IPCC 1996, 2001, 2007).
Опасность «антропогенного» варианта потепления состоит в том, что в этом случае возникает угроза необратимости происходящих и ожидаемых изменений глобального и регионального климата с их возможными долговременными и трудно предсказуемыми негативными последствиями, в т.ч. и для водных ресурсов. Учитывая достоверность произошедшего потепления и высокую вероятность его продолжения в течение XXI века, количественная оценка климатических изменений речного стока приобретает особую актуальность на фоке имеющегося и возрастающего дефицита водных ресурсов ъ. ухудшения экологического состояния водных систем в районах ингечсизного водопотребления и повышенной антропогенной нагрузки, к которым относится большая часть европейской территории России.
Состояние изученности проблемы. В последние 15-20 лет во многих странах выполнено огромное число исследований по количественной оценке гидрологических последствий глобального потепления в различных регионах мира. Эти исследования базируются на самых разных сценариях и охватывают большой диапазон изучаемых объектов - от малых водосборов до крупных речных систем, регионов, природных зон, континентов и Земли в целом.
Для оценок будущего состояния водных ресурсов используются палеоклиматические реконструкции прошлых эпох и результаты моделирования будущего климата с помощью моделей общей циркуляции атмосферы. Последний подход считается наиболее перспективным и более востребован. Результаты разработок этого направления для конкретных регионов очень трудно сопоставлять и сравнивать, особенно для ранних исследований (80-90-ые гг. XX века). Причины здесь следующие. Во-первых, использовались разнообразные сценарии роста содержания СОг и других парниковых газов в атмосфере; некоторую регулярность в этом отношении внесла фундаментально разработанная номенклатура СДСВ (SRE8-2000), вошедшая з IPCC-20G1. Во-вторых, с применяли различные модели — в отдельности и в ансамблях. Климатические модели <' постоянно совершенствуются, поязляются новые или модифицируются ранее разработанные. Со времени выхода в свет третьего оценочного доклада МГЭИК (ІРСС-2001) произошла смена поколений моделей общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО). В рамках подготовки доклада ІРСС-2007 был организован проект по анализу расчетов климата с помощью МОЦАО, СМІРЗ (Coupled Model Intercomparison Project) под " эгидой Всемирной программы исследований климата (WCRP). В проекте CMIP3 участвовали 23 МОЦАО. Было констатировано, что произошло дальнейшее развитие МОЦАО и улучшилось воспроизведение современного климата, произведены расчеты климата XXI века для трех характерных сценариев эмиссии парниковых газов и аэрозолей А2, А1В и В1 в соответствии с номенклатурой МГЭИК (SRES-2000).
Гидрологические последствия глобального потепления климата на территории
России с помощью нового поколения МОЦАО («модели СМІРЗ») исследованы в ГГИ
(2007, 2008). Были использованы 3 МОЦАО из комплекта CMIP3 и получены оцеглси
изменений годового к сезонного стока (за.теплый и холодный периоды) в первой
половине XXI Еека на водосборах 7-ми крупнейших рек Россия, в т.ч. Волги, Печорьі и
Сев. Двины. Другая значимая разработка по оценке изменений речного стока в XXI зеке
на основе реализаций ЇЗ МОЦАО СМІРЗ сделана в ГГО им.А.И.Воейкова (2008) для
крупных регионов России и водосборов, в т.ч. Балтийского, р. Волги, ЕТР б целом,
северного и южного склона Восточно-Европейской равнины. Аналогичные оценка
получены для массы тающего снега по 10 МОЦАО CMIP3 (сценарий А2, начало, середина и конец XXI века).
Из последних исследований по проблеме климатических изменений речного стока необходимо отметить работу С.Г.Добровольского (2007), в которой содержится ряд методологически важных предложений по оценке достоверности выводов, получаемых на основании проекций климата по реализациям МОЦАО.
Цель исследования — в рамках концепции глобального антропогенного потепления оценить возможные климатические изменения речного стока на территории Восточно-Европейской равнины при реализации одного из наиболее жестких сценариев эмиссии парниковых газов и аэрозолей в атмосферу (А2 по номенклатуре МГЭИК).
В задачи исследования входило:
разработка региональной методики расчета среднемноголетних значений годового стока и его коэффициента вариации (Cv) по ограниченному числу метеорологических характеристик, выдаваемых климатическими моделями с наибольшей степенью определенности (температура воздуха и атмосферные осадки);
разработка региональных методик расчета среднемноголетних значений слоя стока весеннего половодья и его коэффициента вариации в тех же информационных условиях;
анализ качества воспроизводимости климатическими моделями используемых метеорологических характеристик и параметров речного стока на современный период;
адаптация выходных данных климатического моделирования (с учетом их систематических смещений и межмодельного разброса) для прогнозных оценок;
расчеты изменений параметров годового стока и объемов весеннего половодья на середину и конец XXI века, географическое и водохозяйственное обобщение результатов.
Методика исследований и исходные материалы.
Основой прогнозных оценок являются результаты моделирования климата XXI века для сценария IPCC А2, осуществленные в рамках проекта CMIP3. Сценарий А2 представляет собой наиболее жесткий вариант, и относящиеся к нему результаты моделирования обеспечивают «оценки сверху» будущих изменений климата.
Непосредственным материалом для прогнозных оценок послужила база данных
кафедры метеорологии и климатологии МГУ, полученная путем преобразования
архивных данных проекта CMIP3 в ежедневные значения температуры и осадков для трех
временных срезов (1961-1989, 2046-2065, 2081-2100 гг.) по каждой МОЦАО и
интерполированных в узлы регулярной сетки 2х2 для сравнимости результатов
численного моделирования. Использована также база станционных данных по
ежесуточным величинам осадков и температур базисного периода 1961-1989гг. (667
метеостанций, работающих в системе международного обмена информацией). Эта база данных также организована по сетке 2х2 с помощью метода оптимальной интерполяции Кресмана.
Для построения методик преобразования модельных данных по температуре и осадкам в гидрологические характеристики использовались материалы Научно-прикладного справочника по климату СССР (1989), справочника «Ресурсы поверхностных вод СССР» т. 1-20, Государственного водного кадастра (Водные ресурсы СССР..., 1987), Атлас Мирового водного баланса (1974), Атлас расчетных гидрологических карт и номограмм (1986), а также некоторые литературные источники.
Основными методами исследования, используемыми в данной работе, являются географо-гидрологический подход к анализу пространственно-временной изменчивости речного стока, методы статистического анализа, математическое моделирование элементов водного режима, методы геоинформационного картографирования.
Научная новизна работы. Общая новизна определяется тем, что для прогнозных оценок использованы реализации новейшего поколения моделей (CMIP3-IPCC 2007), о создании которых было объявлено после 2001г.
Частные элементы новизны заключаются в следующем.
Разработана и впервые применена региональная методика расчета климатических изменений среднемноголетних величин стока по данным о температуре воздуха и атмосферным осадкам.
Впервые для прогноза коэффициента вариации (Cv) годового стока применена так называемая «климатическая модель изменчивости», разработанная на кафедре гидрологии суши МГУ в 1991-2001 гг. и ранее находившая применение только для современного периода.
Впервые дана количественная оценка тенденций изменения вероятности критически маловодных лет.
Разработан и впервые применен алгоритм расчета снегозапаса по суточным данным температуры воздуха и атмосферных осадков, позволивший оценить среднемноголетние максимальные запасы воды в снеге, сроки схода, осадки за время таяния и среднюю интенсивность таяния;
Выявлена тесная скоррелированность модельных полей температур воздуха и сумм осадков базисного и прогнозных периодов. Эта особенность модельных полей была эффективно использована для минимизации влияния систематических и локальных смещений модельных оценок на конечные результаты расчетов.
Впервые представлен в такой полноте комплект карт, показывающих ожидаемые фоновые изменения характеристик речного стока Восточно-Европейской равнины на середину и конец XXI века.
Получены регионально обобщенные эмпирические зависимости слоя весеннего половодья и его коэффициента вариации от характеристик приходной части водного баланса. Впервые сделана оценка тенденций изменения вероятности критически многоводных половодий.
Научная обоснованность и достоверность положений и выводов подтверждается статистической оценкой промежуточньтх результатов, надежностью исходных источников данных и критической оценкой конечных результатов в виде расчетов межмодельного разброса итоговых величин с указанием пределов возможной неопределенности.
Все расчеты и оценки выполнены в рамках определенного сценария (А2) развития климата XXI века, поэтому представленные здесь результаты достоверны только в той степени, в какой будущее мира будет соответствовать этому сценарию.
Практическое значение работы. Выполнена сценарная оценка изменений годового стока и объемов весеннего половодья к середине и концу XXI века с учетом неопределенностей, вносимых межмодельным разбросом результатов. Большое число использованных МОЦАО (12) позволяет объективно оценить размеры этих неопределенностей. Построены карты ожидаемых изменений речного стока в 3-х вариантах, отражающих отмеченную неопределенность (средние значения, верхние и нижние границы 90%-ного доверительного интервала). Практическое применение результатов диссертационного исследования определяется возможностью использования полученных карт при оценке чувствительности различных отраслей экономики к изменениям речного стока вследствие глобального потепления климата XXI века, выявить наиболее уязвимые области ЕТР к этим изменениям в отношении водообеспеченности.
Исследования выполнены в рамках темы НИР Географического ф-та МГУ №012.06.03969 ПН-06 «Закономерности гидрологических процессов в водных объектах суши», гранта по НШ 4964.2008.5, грантов РФФИ №07-05-00939 и №09-05-13562, в рамках НОЦ «Мониторинг водных объектов и прогнозирования гидрологических процессов»., гос.контракта №02.515.11.5088 «Исследование региональных экологических последствий изменений климата и разработке мер по адаптации населения и экономики к ним».
Апробация работы. Результаты исследования были представлены на
международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по
фундаментальным наукам «Ломоносов-2005», «Ломоносов-2008» (Москва, МГУ, 2005,
2008); на Второй и Третьей научной конференции молодых ученых и талантливых студентов «Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность» (Москва, ИВП РАН, 2008,2009); Общеукраинской конференции с международным участием «Молоді науковці —географічній науці» (Киев, 2009); на научном семинаре кафедры гидрологии суши МГУ (Москва, МГУ, 2009), на Геофизическом семинаре в НИВЦ МГУ "Математическое моделирование геофизических процессов: прямые и обратные задачи" (Москва, НИВЦ МГУ, 2009).
Результаты исследований опубликованы в 2 монографиях, б научных публикациях, из них 2 в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК («Вода: Химия и Экология», «Вестник Московского университета» Сер. 5. География), и 5 тезисах докладов.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (из 121 наименований). Работа изложена на 145 страницах машинописного текста. В главе I приводится обзор точек зрения на проблему глобального изменения климата, а также краткий обзор работ посвященных тематике изменения речного стока на долгосрочную перспективу под воздействием изменений климата. Вторая глава посвящена описанию Восточно-Европейской равнины как эталонной территории при изучении качества моделирования климата, а также современным условиям тепла и увлажнения, характеризующим базисный период. В главе III описывается созданная методика оценки возможных изменений речного стока в XXI в. Анализируется качество воспроизведения моделями общей циркуляции современного климата. Дается прогноз возможных изменений речного стока. Используются различные наборы МОЦАО. Качество полученных данных анализируется с точки зрения межмодельного разброса. В главе также дается оценка изменений коэффициента вариации речного стока на основании разработанного алгоритма прогноза, с учетом воспроизводимости МОЦАО современных характеристик. Дается прогноз возможных вариаций изменчивости стока в XXI веке, в том числе оценка возможных изменений вероятности появления экстремально маловодных лет. Глава IV посвящена оценке возможных изменений объемов весеннего половодья. Описывается разработанный алгоритм расчета объема половодья по ежедневным данным об осадках и температуре. Дается оценка изменений весеннего половодья по различным вариантам расчета с оценкой точности, полученных результатов. Также дается прогноз возможных вариаций изменчивости стока половодья в XXI веке, в том числе возможных изменений повторяемости аномально многоводных половодий.
В заключении сформулированы основные полученные результаты.
Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры метеорологии и климатологии доц. к.г.н. Сурковой Г.В. и н.с. к.г.н. Торопову П.А. за предоставленные материалы и содействие в работе, а также Кудачкову А.В. за помощь при формализации алгоритмов.
Возможные изменения водности и гидрологического режима отдельных рек России вследствие климатических изменений в XXI веке
В последние 15-20 лет во многих странах выполнено огромное число исследований по количественной оценке гидрологических последствий глобального потепления в различных регионах мира. Эти исследования базируются на самых разных сценариях и охватывают большой диапазон изучаемых объектов - от малых водосборов до крупных речных систем, регионов, природных зон, континентов и Земли в целом.
Для оценок будущего состояния водных ресурсов используются палеоклиматические реконструкции прошлых эпох, различные виды сценарных расчетов на основании данных наблюдений, результаты моделирования будущего климата с помощью моделей общей циркуляции атмосферы. Последний подход считается наиболее перспективным и более востребован.
Палеоклиматические исследования изменений речного стока представлены, например, в (Кислов, Торопов, 2006, Величко, Георгиади...1992, Георгиади, Милюкова...2007)) Сценарные расчеты, которые исследовали изменение стока при заданных изменениях климатических характеристик (например температуры и/или осадков и т.п) ведутся достаточно давно. В (Будыко...,1980) рассматривались подобные сценарии. Из последних работ на эту тему можно отметить (Бельчиков В.А., ...2009), где приводятся поливариантные прогнозы на основании модели Гидрометцентра, (Коронкевич, Барабанова..,2007) также рассматривают влияние климатических факторов на сток с учетом их роли с помощью аналогов будущих гидрологических ситуаций.. Наиболее перспективным востребованным сейчас считается подход к оценкам на основании прогнозов на моделях общей циркуляции атмосферы и океана.
К настоящему времени сформировалось два подхода к использованию климатических сценариев, полученных по МОЦАО. В соответствии с первым из них, исходя из того, что ни одна из современных моделей не может быть признана удовлетворяющей современным требованиям с точки зрения точности воспроизведения современного климата, для оценок возможных в перспективе его характеристик рекомендуется использовать ансамбль из нескольких моделей (Мелешко и др., 2005). Второй подход заключается в выборе моделей, которые наиболее адекватно и точно восстанавливают особенности вариации климатических условий, имевших место в последние десятилетия как в целом по Земному шару, так и применительно к отдельным крупным регионам (Менжулин и др., 2005).
Исследования по оценке возможного диапазона изменений характеристик водного режима при вероятных климатических сценариях ближайших десятилетий проводились в ГГИ со времени появления первых МОЦАО и палеоклиматических сценариев. Были выполнены оценки возможных изменений водных ресурсов по региональным и палеосценариям для водосборов средних рек, расположенных в бассейнах Волги, Дона, Днепра и Лены. Также были выполнены расчеты по оценке возможных изменений водных ресурсов крупных рек бассейна Северного Ледовитого океана. (Шикломанов, Георгиевский, 1990; Shiklomanov, Georgievsky, 1992; Георгиевский и др., 1996а; Георгиевский и др., 19966; Георгиевскийи др., 1997, Шикломанов И. А., Георгиевский В. Ю. 2002, Vorosmarty et al, 1998 .и т. д.) и ведутся до настоящего времени. (Водные ресурсы..., 2008). В работе (Шикломанов Георгиевский, 2007) например, приводятся результаты по 6 МОЦАО выпуска IPCC-2001. Заостряется внимание на наиболее проблемном, с точки зрения водообеспеченности регионе - юго-западная часть ЕТР, для остальной части ВЕР прогнозируется увеличение стока.
Также нужно отметить работы (Георгиевский В. Ю., Ежов А...., 1996), где дается оценка влияния возможных изменений климата на гидрологический режим и водные ресурсы рек территории б. СССР, в том числе Волги и Днепра. По бассейну Волги проведены исследования влияния климата на составляющие водного баланса бассейна (Исмайылов Г. X., Голубаш Т. Ю..., 1998). Для Волги также получены интересные результаты в (Георгиади А. Г., Милюкова И. П. 2002). В частности по модели GFDL для условий удвоенного содержания СОг в атмосфере с помощью модели формирования месячного водного баланса для равнинных водосборов был получен прогноз возможного снижения стока половодья от нескольких процентов до 50 % (со знаком «-»). Уменьшение годового стока выражено менее ярко, чем стока половодья, и составляет от нескольких процентов до 20 %.
В ИФА РАН проведены исследования возможных изменений стока Невы (Арпе К., Бенгтссон Л., ...2000) и других рек, в частности Волги (Голицын Г. С, Арпе К.,..., 1999; Мохов И. И., Семёнов В. А., Хон В. Ч. ...2002). В работе (Мохов...,2007) приведены оценки для различных сценариев СДСВ, в том числе по А2. По результатам расчета для большинства рек России ожидается увеличение стока, уменьшение возможно для Кавказских рек.
Для южных рек нужно отметить работы (Лурье П. М., Панов В. Д. 1999) для бассейна реки Дон, а также исследования возможных изменений ледового покрова на этой реке и в целом по территории России (Гинзбург Б. М., Полякова К. 1992, Солдатова И. И. 1993).
Оценки, выполненные Н. Арнеллом (Arnell, N. W., 1999) с помощью МОЦАО HadCM2 и НасЮМЗ (две реализации модели HadCM), на основе сценария выбросов IS92a. Оценки эти, цитируемые в (IPCC, 2001), проводились для всего земного шара. Возможные изменения рассматривались на перспективу середины XXI в., условно называемую 2050 г. (на самом деле эта дата - формальная; берется среднее значение периода 2040 - 2069 гг.). Работа Арнелла интересна с методической точки зрения, т. к. демонстрирует модельную неопределённость. Сценарии изменения климата были получены с использованием среднего для четырёх прогонов (с разными начальными условиями) результата моделирования по HadCM2 и одного прогона НаёСМЗ. Гидрологические характеристики были рассчитаны с применением крупномасштабной воднобалансовой модели Арнелла с пространственным разрешением 0,5 х 0,5 о, т. е. площадь ячейки примерно равна 1 800 - 2 700 км2. Каждая такая ячейка рассматривается как отдельный водосбор. Модель рассчитывает составляющие водного баланса с суточным шагом по времени, но выдаёт только среднемесячные значения. На карте изменений слоя стока (в мм/год), представленной на Рис. 1.4, регионы с различными величинами изменений показаны разными цветами. Территория России выглядит пестро и мозаично (в особенности для прогноза по HadCM2) — ей свойственна неоднородность как, по направленности изменений (рост или уменьшение), так и по абсолютной величине.
Климатические характеристики Восточно-Европейской равнины
Климат Европейской территории России определяется в первую очередь её географическим положением. Воздействие окружающих равнину территорий (Атлантического океана, Западной Европы, Азиатского материка, и Арктического бассейна) благодаря атмосферной циркуляции достаточно хорошо выражено как в теплое, так и в холодное время года, что создает чрезвычайную изменчивость погоды. (Карты элементов..., 1984) Годовые величины суммарной радиации на Европейской территории РФ меняются в широких пределах, значительно возрастая от высоких широт к низким (Пивоварова, 1977).. Суммарная радиация изменяется от 75 на широте полярного круга до 120 ккал/см год на юго-востоке ВЕР. Максимальная её величина наблюдается в июне. Она изменяется от 14 на северо-западе Русской равнины до 18 ккал/см в Прикаспийской низменности (юго-восток ВЕР). Увеличение радиации к востоку объясняется изменением в этом направлении облачности, которая определяет не только суммарную радиацию, но и эффективное излучение. (МячковаН.А. 1983.).
В распределении осадков на территории ВЕР достаточно четко выражен зональный характер. Наибольшие суммы приходятся на полосу, вытянутую с юго-запад на северо-восток: от Белоруссии и Прибалтики к бассейнам Камы и Вычегды (Швер Ц.А., 1976.). В этой полосе годовые суммы осадков почти всюду превышают 700 мм., достигая на возвышенностях до 800 мм. К северу от этой полосы суммы осадков уменьшаются до 550-600 мм на побережье Баренцева моря. К югу же происходит уменьшение до 450-500 мм в причерноморских низменностях и до 300мм на Нижней Волге. Среднемноголетнее годовое значение сумм осадков для всей территории оставляет 650 мм Значения коэффициентов вариации Cv, характеризующих изменчивость годовых сумм осадков колеблются от 0,16 - 0,17 на юго-востоке ВЕР России и в Прибалтике до 0,23 на юго-востоке Украины и до 0,26 в степной части Поволжья. В целом изменчивость, норм годовых осадков на большей части ВЕР невелика
По характеру внутригодового распределения осадков рассматриваемая территория отличается большим разнообразием. (Швер Ц.А., 1976.) Для нее характерно равенство сумм осадков в весенне-летнее (март — август) и осенне-зимнее (сентябрь — февраль) полугодия или небольшое их преобладание в весенне-летнее полугодие. Летние осадки на большей части ВЕР составляют более 30 % от годовой суммы. Лишь на крайнем Севере и на юге доля летних осадков несколько меньше. Весенние осадки составляют около 20% годовой суммы. Доля осенних осадков на севере ВЕР превышает долю весенних осадков и составляет около 30% от годовых. К югу от 50 с. ш. величины весенних и осенних осадков примерно одинаковы. На Кавказе максимум осадков приходится на весну: 30 -40% от годовой суммы. Минимальные значения осадков приурочены к зимним месяцам. На южном берегу Крыма и Черноморском побережье Кавказа максимум осадков наблюдается зимой, а минимум - летом. (Жаков СИ., 1982.). Суммарное испарение определяется большим комплексом факторов, основными из которых являются состояние увлажненности подстилающей поверхности и наличие тепловых ресурсов, то есть величины максимально возможного испарения -испаряемости. Так же, как характеристику тепловых ресурсов можно рассматривать сумму годовых положительных температур, так как в холодный период при отрицательных температурах испарение пренебрежимо мало. Испаряемость, как и сумма положительных температур закономерно увеличиваются к югу, с увеличением доли приходящей солнечной радиации. Распределение этих характеристик отображено на рис.2.3. Кроме того, на величину суммарного испарения оказывают влияние характер почвогрунтов и метеорологические условия, формирующиеся в приземном слое воздуха.
На ВЕР величины среднегодового испарения меняются в пределах от 200 до более, чем 700 мм. Временная изменчивость годовых сумм испарения невелика. Меньше всего влаги - 200 - 250 мм испаряется на крайнем севере — на побережье Печорского моря и Кольском полуострове, что связано с малыми тепловыми ресурсами данной территории. Столь же мало испарение на юго-востоке ВЕР — в низовьях Волги и Прикаспийской низменности. В данном случае основной причиной столь малых величин испарения является недостаток влаги. Существенно большими величинами испарения (500—550 мм) отличается Центральная часть ВЕР. К востоку от нее испарение уменьшается и в Предуралье составляет около 400 мм в год.
На юго-западе в Предкавказье величины испарения составляют 600 мм, а в предгорной зоне Карпат достигают 700 мм. Своеобразно распределение испарения в горах. С высотой местности испарение уменьшается и в высокогорной зоне Кавказа и Карпат не превышает 400 мм в год. Самые большие величины испарения в пределах ВЕР характерны для Черноморского побережья Кавказа. Обилие тепла и влаги способствует тому, что годовые величины испарения здесь превышают 750 - 800 мм.
Внутригодовое распределение суммарного испарения с территории Восточно-Европейской равнины характеризуется резко выраженным летним максимумом. При этом доля летнего испарения в годовом постепенно уменьшается по мере продвижения к югу (Зубенок., 1973). Превышение летнего испарения над испарением в другие сезоны года характерно для всей рассматриваемой территории. На рассматриваемой территории очень значительны различия между летними и зимними суммами испарения. При этом в направлении с севера на юг эти различия уменьшаются. Так, в северных районах ВЕР летние величины испарения превышают зимние в 10 раз и более. В северных районах ВЕР, расположенных вьппе 65 с. ш., в зоне тундры и лесотундры, суммарная величина испарения за летние месяцы составляет 70 % от годовой. В более низких широтах (от 65 до 55 с. ш.), в зоне хвойных лесов эта величина составляет 60 %. В степной зоне (50 с. ш.) испарение за летние месяцы, как правило, не превышает 50 % годовой суммы.
Исключительно мало испарение зимой. На крайнем севере в зимние месяцы испарение ничтожно (до 1 % годовой суммы). В отдельные периоды, когда воздух теплее поверхностного слоя почвы, наблюдается конденсация влаги. В южных районах ВЕР испарение за зимний период составляет 3 — 4% годовой суммы. Весной за счет повышенного притока радиационного тепла испарение резко увеличивается. За этот сезон испаряется около 30% годовой величины. В осенние месяцы испарение примерно в два раза ниже, чем весной. Наибольшее количество влаги испаряется в июне (20 - 25% годовой суммы). Декабрь и январь характеризуются самым низким испарением (0,5 - 1% среднегодовой величины). (Зубенок Л.И., 1976). О роли испарения в водном балансе можно судить по коэффициенту испарения — отношению годового испарения к годовой сумме осадков — характеризующему долю осадков, расходуемых на испарение. Величина его в основном определяется климатическими факторами. Поэтому коэффициент испарения закономерно меняется при изменении климатической и физико-географической зональностей. В районах избыточного увлажнения (Черноморское побережье Кавказа) коэффициент мал, в условиях достаточного увлажнения на испарения затрачивается 50-85% всех осадков. С увеличением засушливости коэффициент испарения растет. Так в зонах сухих степей он превышает 95%, в пустынях близок к 100%, т.е. испаряются практически все осадки. Изложенное вьппе свидетельствует о том, что с увеличением сухости климата роль испарения в водном балансе суши растет, так как испарение становится основной расходной составляющей осадков (Зубенок Л.И., 1976).
Оценка возможных изменений вероятности маловодных лет
В условиях меняющегося климата оценка возможных изменений водных ресурсов на долгосрочную перспективу становится важнейшей задачей, имеющей исключительное значение для всех отраслей хозяйства и особенно водохозяйственного комплекса. Основной характеристикой водных ресурсов является норма годового стока. Однако, для более полной оценки водообеспеченности необходимо учитывать и межгодовую изменчивость стока, что имеет существенное значение для планирования водохозяйственного использования водных объектов. Данные об изменчивости могут стать основой для более четкого понимания ожидаемой водохозяйственной ситуации в условиях глобального потепления, дать возможность вероятностной оценки маловодий. Оценка изменчивости стока, а точнее коэффициента вариации Cvy на перспективу XXI в. является довольно сложной задачей, учитывая ограниченность проверенных прогнозных данных. Наиболее доступной представляется возможность оценки изменчивости стока на основании прогнозных данных о температуре и условиях увлажнения, оценка которых была приведена ранее и на основании которых рассчитывалась норма стока. Аналитическое описание закономерностей изменчивости годового стока может быть получено, исходя из двух теоретических предпосылок: уравнения дисперсии воднобалансовой разности Р-Е, характеризующей климатический сток: и уравнения связи между осадками Р, испарением Е и испаряемостью Ео в виде Е = Е(Р, Ео) [Евстигнеев В.М. Аналитическое описание ...1998]. Совмещение этих предпосылок впервые было проведено в работе [Евстигнеев В.М. Изучение изменчивости..., 1990 г.] в виде формулы Выражение (3.2.1), несмотря на его громоздкость, поддается анализу с привлечением эмпирических данных по изменчивости и скоррелированности годовых осадков и испаряемости. Величины Е/Р, дЕ/дР, дЕ/дЕо вычисляются с помощью уравнений связи. В общем виде большинство уравнений можно записать как Е/Ео = z(J). Выразим необходимые для анализа уравнения (7.2.1) соотношения через индекс сухости J, определив Конкретная запись связи уравнений может быть достаточно разнообразной, в отечественной практике наиболее употребительны следующие формулы:
Основное расчетное уравнение (3.2.1) осложнено радикальным выражением G, в которое входят величины CVEO, Cvp и грЕо оцениваемые только по эмпирическим данным и поэтому весьма сложные для анализа и обобщения информации. Однако в работе [Евстигнеев В.М. Аналитическое описание ...1998] показано, что эта величина монотонно изменяется в зависимости от величины индекса сухости J от 1 до 1.11 - 1.16 достигая максимума в зоне избыточного увлажнения. Эти особенности функции G(J), объясняют успешное использование методик, рассчитывающих коэффициент вариации годового стока по упрощенным зависимостям вида: где V(J) определяется по формулам (3.2.2). Функция V(J) может быть записана в явном виде для упомянутых выше уравнений связи Шрайбера, Ольдекопа, Будыко, Мезенцева: Уравнения связи были проверены на предмет адекватности воспроизведения современной изменчивости стока на основе фактических данных об изменчивости осадков Cvp и условий увлажнения /. Для решения этой задачи использовались измеренные или полученные по эмпирическим зависимостям климатические характеристики современного периода, принимаемого за базисный — 1961-1989 гг. Осадки Р и коэффициент их изменчивости Cvp получены по данным Научно-Прикладного справочника по климату СССР [Научно-прикладной справочник..., 1989.].
В качестве информационной основы для периода 1961-89гг. использовались карты Cv осадков, представлющих собой обобщение фактической информации о коэффициенте вариации измеренных осадков по 648 станциям ВЕР. Осадки здесь приведены с поправкой на смачивание. Поскольку данные МОЦАО приведены к единой сетке 2x2 градуса, то и фактические данные метеостанций интерполировались в те же узлы. Для оценки J = Е(/Р, испаряемость Ео определялась по эмпирической зависимости от суммы положительных температур То. Полученные таким образом данные об испаряемости, а также соответствующие данные об осадках были использованы в качестве входных в уравнение (3.2.3) и получены значения CV(P.E) для различных уравнений связи. Эти данные сравнивались с соответствующими фактическими значениями коэффициента изменчивости стока Cvy, определенными по карте СНиП (Атлас расчетных..., 1986). Сравнение произведено в виде уравнений регрессии типа Cvy=f(Cv(P.E)).
Оценка изменения максимального снегозапаса к началу половодья и слоя стока половодья в XXI веке
По описанному выше алгоритму были оценены возможные изменения максимального снежного покрова в XXI веке. Рис. 4.1.10 иллюстрирует повсеместное уменьшение характеристики, за исключением северо-восточной окраины территории, где максимальный снегозапас не уменьшится. Уменьшение усиливается от северо-восточных областей к юго-западным. Для середины XXI века характерны значения KSmax от 0,5 до 1,0. Для конца века тенденция несколько усиливается — изолинии смещаются к югу, значения Ksmax колеблются от 0,4 в районе Прибалтики и до 1 в северо-восточной окраине ВЕР. Также были рассчитаны суммы осадков за холодный период по данным МОЦАО. Пространственное распределение изменений (рис.4.1.11) в значительной мере повторяет картину изменений максимального снегозапаса, что увеличивает уверенность в полученных результатах. Этот факт так же подтверждается зависимостью между суммой осадков за холодный период и максимальным снегозапасом, полученной по фактическим современным данным (Рис. 4.1.3). Практически на всей исследуемой территории осадки за холодный период уменьшаются. Наиболее интенсивное уменьшение характерно для юго-западных окраин территории. Северо-восточные окраины ВЕР, напротив, демонстрируют некоторое увеличение характеристики. К концу века тенденция усиливается, причем не только уменьшения стока на юго-западе, но и увеличения в северо-восточных областях. Меоісмодельньїй разброс
Анализ изменений стока весеннего половодья, полученных по алгоритму, описанному выше, демонстрирует вполне закономерную картину практически повсеместного уменьшения слоя стока половодья (рис. 4.1.12). Уменьшение стока половодья достигает 0,2-0,3 от современных значений в юго-западной части исследуемой территории. К северо-востоку уменьшение становится менее значительным и в Ненецком АО сток половодья в XXI веке практически не изменяется. Для конца XXI века тенденция сохраняется, однако уменьшение стока в южных частях территории усиливается. Был исследован межмодельный разброс оценок слоя стока половодья в XXI в. и построены карты верхнего и нижнего предела изменения величин для двух периодов (рис. 4.1.13-14 и 4.1.15-16). Методика оценки межмодельного разброса описана в Гл.З. Так, для периода середина XXI века можно выделить довольно обширную область, где уменьшение стока статистически значимо — эта область находится под изолинией 1.0 «оптимистичного » варианта расчета - то есть можно уверенно утверждать, что южнее ориентировочной линии Онежское озеро - Северный Казахстан будет наблюдаться сокращение стока половодья. Севернее этой линии нельзя достоверно утверждать, будет сток уменьшаться или увеличиваться. Для периода - «конец века» картина в целом та же, но область достоверного уменьшения исследуемой характеристики несколько расширяется, а для «пессимистичного варианта» характерно появление нулевых областей, то есть зон, где половодье исчезает как фаза водного режима.
Сопоставление результатов оценки изменений стока весеннего половодья, полученных с помощью алгоритмов SNEG1 (Кислое и др.2008) и SNEG2, свидетельствует об их непротиворечивости. Оба варианта показывают повсеместное снижение слоя стока половодья - умеренное на северном склоне ВЕР и сильное на южных окраинах: по первому варианту вплоть до полного исчезновения, по второму - до катастрофического, снижение в 2-3 раза, а с учетом межмодельного разброса - до 0,1-0,2 от современного уровня в середине XXI века и 0-0,1 в конце XXI века. Этот результат можно прокомментировать с точки зрения физических процессов протекающих при таянии снега. Увеличение зимних температур, а значит и оттепелей приводит к различным результатам в разных природных зонах - если в южных частях даже небольшая оттепель приведет к полному стаиванию незначительного снегозапаса, то в северных частях снег удержит значительную часть воды, образовавшейся во время оттепели и общий водный эквивалент снежного покрова к началу половодья не изменится. Таким образом, на севере совместное увеличение осадков и температур может привести как к увеличению объема данной фазы водного режима, так и к уменьшению, а на юге, скорее всего, половодье как фаза водного режима заменится фазой осенне-зимней повышенной водности - череды дождевых и оттепельных паводков. Одной из наиболее интересных и актуальных задач в условиях меняющегося климата является оценка экстремальных явлений, таких как максимальные расходы в году. Алгоритм SNEG2 помимо оценки параметров снегозапаса позволяет косвенно оценить максимальные значения стока половодья. Если рассматривать абстрактный речной бассейн как неизменную структуру, где пропускная способность русла, скорости добегания и условия стекания остаются прежними на прогнозный период, можно косвенно оценить возможные изменения максимальных расходов можно по изменению интенсивности таяния R (rates of melting). Под интенсивностью таяния мы понимаем отношение максимального снегозапаса, накопленного к началу половодья Smax к периоду времени t за который он стаивает. Таким образом, данная величина измеряется в мм/сут. и характеризует «дружность» весны. При прочих равных максимальный расход увеличивается пропорционально интенсивности таяния. Порядок определения максимального снегозапаса Smax по алгоритму SNEG2 описан выше. Период таяния рассчитывается как число суток с начала таяния до полного стаивания снега (S=0). Для базисного периода средняя интенсивность таяния на Восточно-Европейской равнине была определена по данным объективного анализа. Значения варьируют от 0 до 15 мм/сут., в среднем по территории, составляя 10 мм/сут. (рис.4.1.17а). Эти величины близки к фактическим данным (Кузьмин... 1961, прил 26). Данные, полученные при расчете по ансамблю 7 моделей, показали схожие по порядку результаты, но более сглаженные по территории (рис.4.1.17). Это объясняется тем, что модель не учитывает в данном случае множество факторов влияющих на процессы снеготаяния, однако среднее значение по территории близко к фактическому и, поэтому прогнозные данные можно рассматривать как качественную оценку изменения интенсивности снеготаяния.
