Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Факторы формирования и пространственно-временной изменчивости стока рек бассейна Северного Ледовитого океана 13
1.1 Природные условия в бассейне Северного Ледовитого океана 13
1.2 Влияние человеческой деятельности на сток рек бассейна Северного Ледовитого океана 29
1.3 Ожидаемые изменения климата в бассейне 37
Северного Леовитого океана 37
Глава 2. Пространственно-временная изменчивость стока воды рек бассейна Северного Ледовитого океана 43
2.1. Исходные данные 43
2.2 Анализ многолетних колебаний годового стока 44
2.3. Анализ многолетних колебаний характеристик стока и его основных климатических факторов 57
2.4. Анализ внутригодового распределения стока 61
Глава 3. Исследование статистических зависимостей характеристик речного стока от характеристик его основных климатических факторов 64
3.1 Анализируемые характеристики речного стока и его климатических факторов 64
3.2 Статистическое оценивание параметров эмпирических зависимостей и их погрешности 65
3.3 Учет пространственной неоднородности условий формирования стока 73
Глава 4. Оценка влияния изменения климатических факторов на сток рек бассейна Северной Двины 83
4.1 Модель формирования стока для рек севера лесной зоны 84
4.2 Исследуемые водосборы 91
4.3 Анализ метеорологических данных 96
4.4 Оценка влияния изменений годовой суммы осадков и среднегодовой температуры воздуха на водный режим 102
Глава 5. Прогноз возможных изменений стока рек бассейна Северного Ледовитого океана 108
5.1 Методы прогноза климатических изменений стока рек бассейна Северного Ледовитого океана 108
5.2 Прогноз изменений стока на основе динамико-стохастического моделирования 122
5.3 Прогноз климатических изменений стока крупнейших рек бассейна Северного Ледовитого океана 130
Заключение 140
Список литературы 142
Приложение 157
- Влияние человеческой деятельности на сток рек бассейна Северного Ледовитого океана
- Анализ многолетних колебаний годового стока
- Статистическое оценивание параметров эмпирических зависимостей и их погрешности
- Оценка влияния изменений годовой суммы осадков и среднегодовой температуры воздуха на водный режим
Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию природных и антропогенных условий формирования и закономерностей пространственно - временной изменчивости стока рек бассейна Северного Ледовитого океана и оценке его возможных климатических изменений. При этом рассматривается вся территория водосбора, включая не только российскую часть бассейна Северного Ледовитого океана, но и северо-американскую и западноевропейскую части водосбора, что позволяет рассмотреть все многообразие природных условий и учесть различные антропогенные нагрузки рек бассейна Северного Ледовитого океана.
Актуальность проблемы определяется следующими обстоятельствами. Водный сток арктических рек играет важную роль в гидрологическом режиме Северного Ледовитого океана и присущих береговой зоне процессах. Этому способствуют его сравнительно малые размеры и сравнительно большие водные ресурсы северных рек - объем их годового стока составляет более 40% прихода воды в Северный Ледовитый океан (Serreze et al., 2006), а также высокую уязвимость арктических территориально-природных комплексов и аквальных экосистем. Влияние речного стока распространяется на водный баланс, процессы опреснения, термический и ледовый режим океана и его частей (Шикломанов и др., 2003). Установлено, что возможное увеличение стока арктических рек приведет к увеличению экспорта пресных вод из Северного Ледовитого океана в северную Атлантику, что может ослабить формирование глубинных вод севера Атлантики и Атлантическую термогалинную циркуляцию (Broecker, 1997; Clark et al., 2002; Curry et al., 2003). Подобные изменения термогалинной циркуляции могут иметь необратимые климатические последствия для всей Земли. Сток северных рек значительным образом влияет на процессы ледообразования в Северном Ледовитом океане. Плотностная стратификация толщи воды Северного Ледовитого океана в условиях холодного климата Арктики определяется в первую очередь соленостью (Океанология..., 1979), а не температурой воды. Приток пресных вод арктических рек значительным образом влияет на соленость поверхностного слоя океана, тем самым, оказывая влияние на процессы плотностной стратификакции, динамики вод океана, а также на процессы льдообразования, которые в свою очередь регулируют тепловой баланс всего арктического региона (Aagaard et al., 1989). Кроме того, водный сток северных рек влияет на биохимические процессы, протекающие в океане (Ecological..., 1978). Водный сток северных рек оказывает влияние не только на экологию региона, но. и на качество жизни населения, проживающего в арктическом регионе. Возможные изменения стока арктических рек значительным образом влияют на условия водопользования - на работу водохозяйственных систем, на речной транспорт и другие важные аспекты экономики и народного хозяйства. Сток рек данного региона относится к речным факторам влияния на геоэкологическую безопасность всего бассейна Северного Ледовитого океана, оценка, которая в свою очередь необходима для планирования новых видов природопользования и для реализации плана мер, направленных на снижение социальных и экономических ущербов в арктическом регионе (Алексеевский, 2007). Можно отметить, что водный сток арктических рек в Северный Ледовитый океан имеет глобальное значение. Результаты научных модельных экспериментов Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) показывают, что наибольшие изменения климата проявятся в высоких широтах (IPCC, 2007). В настоящее время прогнозируется увеличение величины годовой суммы атмосферных осадков за вычетом годового испарения в бассейне Северного Ледовитого океана в будущем (Van der Linden et al., 2003; Serreze et al., 2000; Manabe et al, 1993; Rahmstorf et al, 1999). Какие будут последствия столь значительных климатических изменений на сток арктических рек и на весь бассейн Северного Ледовитого океана сказать сложно. Большинство научных работ склоняется к тому, что климатические изменения в арктическом бассейне возымеют отрицательный эффект на водные ресурсы региона (IPCC, 2007). Исследование пространственно-временной изменчивости стока северных рек и оценка их изменения позволит спрогнозировать и минимизировать риск от возможных негативных последствий изменения климата в арктическом регионе, как в экологическом, так и в экономическом плане. Оценка изменений стока является важным аспектом поддержания геоэкологической безопасности территории арктического побережья не только России, но и других стран, расположенных в пределах бассейна Северного Ледовитого океана (Алексеевский, 2007; Arnell, 2004; Vorosmarty et al., 2000).
Изучение пространственно-временной изменчивости водного стока рек всего бассейна Северного Ледовитого океана, а не его отдельных частей, имеет исключительное значение для оценки глобальных океанологических процессов в Северном Ледовитом океане и в северной части Атлантического океана. Суммарный сток рек оказывает влияние на процессы льдообразования в Северном Ледовитом океане, что в свою очередь оказывает воздействие на баланс тепла и соответственно на климат всего арктического региона.
Состояние изученности проблемы. Изучению изменчивости и колебаний водного стока северных рек посвящено большое количество научных работ. Анализ водности северных реки описан в работах. Анализ гидрологической изученности бассейна Северного Ледовитого океана, а также изучение многолетней изменчивости водного стока северных рек представлено в научных трудах (Shiklomanov et al., 2006; Vorosmarty et al., 2000; Peterson et al., 2002; Lammers et al., 2001; Shiklomanov et al., 2000). Изменение суммарного годового стока шести крупнейших евроазиатских рек представлено в работах (Peterson et al., 2002; Shiklomanov et al., 2006). Изучение изменения сезонного стока крупнейших сибирских рек представлено в работах (Георгиевский и др., 1996; Yang et al. 2002; Yang et al. 2004). Достаточно большое количество публикаций посвящено оценке возможных изменений стока арктических рек. Общие выводы по влиянию изменения климата на сток северных рек получены при анализе научных работ (Shiklomanov, 1994; Shiklomanov, 1997; Van der Linden et al., 2003). В них используются оценки климатических изменений в арктическом регионе в качестве входа в гидрологические модели различной сложности (Shiklomanov, 1991). Одними из первых прогноз изменения стока на такой основе получили Miller и Russell (Miller, Russel, 1992). В исследовании (Shiklomanov et al., 1994) использованы выходы моделей общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО) и палеоклиматические реконструкции в качестве входа в детальную гидрологическую модель Государственного Гидрологического Института (ГГИ) для прогноза изменения годового и сезонного стока р. Енисей. Схожие оценки для стока рек севера европейской территории России (ЕТР) описаны в работе (Георгиевский, 1996). Другие исследования такой же сути описаны в работах (Мохов, Хон 2003; Arnell, 2005; Arora, Boer, 2001; Miller, Russel 2000; Nijsen et al., 2001a; Nijsen et al., 2001b; Van der Linden, 2003).
Ввиду исключительной актуальности и важности рассмтриваемой проблемы в настоящее время для ее решения задействованы очень мощные научные силы. Однако, сложность и многоплановость проблемы дают основание автору внести и свой вклад в ее решение. В частности, в перечисленных выше исследованиях основная роль отводится годовому стоку арктических рек. Оценки изменения годового стока рек в Северный Ледовитый океан имеют большое значение, но необходимо также проанализировать изменчивость и дать оценку изменения внутригодового распределения стока и характерных расходов воды (максимальных и минимальных среднемесячных расходов воды) арктических рек.
Цель исследования — изучить и количественно описать закономерности пространственно-временной изменчивости водного стока рек бассейна Северного Ледовитого океана и дать долгосрочную оценку возможных климатических изменений стока арктических рек. Для достижения данной цели были решены следующие задачи:
1. Исследование природных и антропогенных факторов формирования и пространственно-временной изменчивости водного стока рек в различных частях бассейна Северного Ледовитого океана.
2. Анализ современных представлений о закономерностях формирования стока данных рек, о влиянии изменения климата на сток арктических рек. Изучение современных подходов к оценке изменения стока северных рек;
3. Составление многолетней базы данных по среднемесячным расходам воды в замыкающем створе крупнейших арктических рек, а также среднемесячных значений метеорологических элементов в бассейнах рассматриваемых рек;
4. Статистический анализ многолетних колебаний характеристик речного стока, его внутригодового распределения, а также его основных климатических факторов.
5. Анализ статистических связей водного стока арктических рек с его основными климатическими факторами в многолетнем разрезе;
6. Изучение процессов формирования речного стока конкретных водосборов методом математического моделирования и оценка влияния климатических факторов на сток северных рек;
7. Оценка изменений стока рек бассейна Северного Ледовитого океана на вторую половину XXI века методом динамико-стохастического моделирования и методом, основанным на статистических связях стока с его климатическими факторами.
Методика исследований. В ходе диссертационного исследования использован географический анализ природных и антропогенных факторов формирования и пространственной изменчивости водного стока рек бассейна Северного Ледовитого океана. Использован статистический анализ многолетних колебаний стока и его основных климатических факторов. Метод динамико-стохастического моделирования состоял из использования концептуальной модели формирования талого и дождевого стока Гидрометцентра РФ и выходов МОЦАО. Для реализации динамико стохастического моделирования использованы методы программирования баз гидрометеорологических данных. В работе использованы материалы глобальных баз данных. Данные по среднемесячному стоку воды в замыкающих створах крупнейших арктических рек взяты из баз данных R-arcticNET (www.r-arcticnet.sr.unh.edu), ArcticRIMS (rims.unh.edu), HYDRA2 (www.nve.no). Данные по годовым осадкам и температурам воздуха в различных метеостанциях арктического бассейна взяты из базы данных Всероссийского научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации-Мирового центра данных (ВНИГМИ-МЦЦ) и предоставлены лабораторией климатологии Института Географии РАН (ИГ РАН). Входные данные для динамико-стохастического моделирования были взяты из базы данных Гидрометцентра РФ. Оценочные выходы МОЦАО были предоставлены в рамках грантов РФФИ (проекты № 03-05-64306, 04-05-65032) кафедрой метеорологии и климатологии географического факультета МГУ. Данные по месячным суммам осадков и среднемесячной температуре для узлов интерполяционной сетки для всего бассейна Северного Ледовитого океана были взяты из базы данных Отделения по исследованию климата (CRU).
Предмет защиты состоит в том, что в диссертации на основе анализа пространственно-временных закономерностей формирования водного стока рек бассейна Северного Ледовитого океана для всего бассейна в целом и его отдельных частей выполнена оценка изменения водного режима под влиянием различных природных и антропогенных факторов и дан поливариантный прогноз его ожидаемых климатических изменений. Основные защищаемые положения выглядят следующим образом.
1. Исследование водного стока рек бассейна Северного Ледовитого океана целесообразно проводить не только для всего бассейна в целом, но в виду разнообразия его природных условий и антропогенной нагрузки, для отдельных регионов, приуроченных к бассейнам крупнейших рек или относительно однородных территорий. 2. Влияние климатических изменений и хозяйственной деятельности приводит не только к образованию трендов, но и к появлению более тонких нарушений статистической однородности рядов многолетних колебаний речного стока. В частности, к изменению амплитуды • колебаний и характера внутрирядной скоррелированности.
3. Географически обоснованное выделение относительно однородных районов позволяет получить для них достаточно надежные корреляционные зависимости характеристик речного стока от характеристик основных климатических факторов.
4. Удачное варьирование входными метеорологическими данными при использовании достаточно надежной концептуальной модели формирования талого и дождевого стока позволяет уточнить влияние на водный режим северных рек таких основных климатических характеристик как годовая сумма осадков и среднегодовая температура воздуха. 5. Для относительно небольших территорий наиболее надежный поливариантный прогноз изменения водного режима может быть получен на основе динамико-стохастического моделирования при котором модель формирования стока используется в сочетании с данными различных МОЦАО.
6. Учет погрешностей статистического оценивания параметров корреляционных связей позволяет повысить точность прогноза ожидаемых климатических изменений водного режима крупных частей бассейна Северного Ледовитого океана.
7. Анализ географических особенностей бассейнов крупнейших рек и учет пространственной неоднородности условий формирования речного стока позволяет существенно повысить надежность прогноза его ожидаемых климатических изменений. Научная новизна работы состоит в следующем.
1. Обнаружены статистически достоверные климатические и антропогенные изменения математических ожиданий, дисперсий и автокорреляционных функций многолетних колебаний годового, сезонного, максимального и минимального стока и основных климатических факторов для различных регионов бассейна Северного Ледовитого океана.
2. С учетом пространственной неоднородности условий формирования речного стока и погрешностей статистического оценивания получены достаточно надежные эмпирические зависимости характеристик речного стока (годовой сток, сток за половодье, летне-осенний и зимний периоды, а также максимальный и минимальный среднемесячные расходы воды) от важнейших климатических факторов и для различных частей бассейна Северного Ледовитого океана дан прогноз ожидаемых климатических изменений водного режима в XXI веке.
3. На основе концептуальной модели формирования талого и дождевого стока, реализованной для рек бассейна Северной Двины, уточнено влияние изменений годовой суммы осадков и среднегодовой температуры на водный режим рек севера лесной зоны.
4. Выполнена оценка воспроизводимости МОЦАО и дан поливариантный прогноз возможных изменений водного режима рек бассейна Северного Ледовитого океана.
Практическая значимость результатов работы состоит в следующем. Результаты статистического анализа многолетних рядов стока указывают на статистически достоверное увеличение амплитуды колебаний стока практически для всех районов бассейна Северного Ледовитого океана. Данный факт означает учащение экстремальных явлений, что должно быть учтено водопользователями, водопотребителями, а также органами, ответственными за обеспечение безопасности населения. Данные изменения важно учитывать при расчете гидроэкологического потенциала территории. Оценка изменения среднемноголетнего стока арктических рек, а также его компонентов, может быть учтена при регулировании стока водохозяйственными системами, в частности, при корректировке графика регулирования водохранилищ, водопользования и водопотребления. Отдельные отрасли водного хозяйства также могут учитывать оценки возможного изменения годового стока и его внутригодового распределения, приведенные в настоящей работе. Диссертационное исследование выполнено в рамках проектов №43.016.11..1628 НТЦП Министерства промышленности, науки и технологий, гранты РФФИ (проекты № 03-05-64306, 04-05-65032).
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались на Международной научно-практическая конференции «Инженерное искусство в развитии цивилизации». 150-летию со дня рождения В. Г. Шухова посвящается. Материалы заседания круглого стола «Глобальные проблемы использования водных ресурсов» (Москва, октябрь 2003); на международной конференции «Ломоносовские чтения 2004» (Москва, январь 2004); на международной конференции Перспективные технологии XXI века. Круглый стол «Оценка и прогнозирование антропогенных изменений климата и выработка мер по предупреждению негативных последствий климатических изменений» (Москва, май 2004); на Taiwan - Russia Bilateral symposium -Development of Water resources Technology (Москва, май 2004); на международной научно-практической конференции «Развитие подводной деятельности в СССР и России» (Москва, декабрь 2004); на международной конференция «Nordic Marine Sciences Conference 2006» (Осло, ноябрь 2006); на российско-британской конференции молодых ученых на тему «Изменения климата и его изменчивость: роль антропогенных факторов» (Санкт-Петербург, февраль 2007); на международной конференции «IUGG XXIV General Assembly» (Перуджа, июль 2007); на научном семинаре в Научно-исследовательском вычислительном центре МГУ им. Ломоносова (Москва, февраль 2008); на семинаре кафедры Гидрологии суши МГУ им. Ломоносова (Москва, февраль 2008); на международной конференции, посвященной полярным исследования «SCAR/IASC-IPY Open science conference» (Санкт-Петербург, июль 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 2 коллективных монографии, 2 статьи и 5 тезисов докладов.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 150 наименований и приложения. Работа изложена на 176 страницах машинописного текста, включает 27 рисунков и 28 таблиц.
Влияние человеческой деятельности на сток рек бассейна Северного Ледовитого океана
Для более полного описания пространственно-временной изменчивости стока рек бассейна Северного ледовитого океана необходимо рассмотреть аспекты, связанные с регулированием их стока. Это необходимо также для более глубокого понимания эффектов изменения климата на сток северных рек. Забегая вперед, можно отметить, что для ряда арктических рек в последнее время наряду с ростом годового стока, также произошли изменения во внутригодовом распределении стока (Симонов, Христофоров, 2004; Георгиевский и др., 1996; Lammers et al., 2001; Peterson et al., 2002; Savelieva et al., 2000; Shiklomanov et al., 2006). Причины таких изменений изучены не до конца. Они могут быть связаны как с прямым эффектом изменения климата (рост осадков, изменение в процессах аккумуляции снега и т.д.), с косвенным эффектом (изменение процессов в вечной мерзлоте), а также с антропогенным влиянием. Основные аспекты антропогенного влияния на сток рек сводятся к перераспределению стока в пространстве и времени по средствам переброски стока и введению в эксплуатацию водохранилищ, соответственно. Строительство водохранилищ также оказывает значительное влияние на соотношение компонентов водного баланса на водосборах рек, что также приводит к изменению стока. Значительное антропогенное влияние на водный сток имеет место на водосборах Ат2, Ещ, Ob, En, Le. Наличие в пределах водосбора исследуемой реки значительного антропогенного воздействия на сток данной реки затрудняет оценку климатических изменений стока реки, поскольку за антропогенным изменением стока можно не увидеть климатического изменения стока (Георгиевский и др., 1996).
Основой электроэнергетики Канады служит гидроэнергетика (около 75% в общем производстве), энергетическое использование рек имеет общенациональное значение (Авакян и др., 1987). Водосбор Antj и в частности р. Макензи отличаются слабой хозяйственной нагрузкой в связи с отсутствием крупных водохозяйственных сооружений на данной реке. Поэтому можно сказать, что ее многолетние колебания стока в замыкающем створе определяются в основном климатическими факторами. Большой степенью антропогенной нагрузки на водный рек сток отличается водосбор Гудзонова залива Атг. Крупнейшими реками данного района являются реки Черчилл и Нельсон (Управление «Гидро-Манитоба» в 1966 г. разработало крупный водохозяйственный проект "The Nelson river hydroelectric project" no гидроэнергетическому использованию речных систем данных рек. Бассейн р. Черчилл занимает территорию 283 350 км2 и имеет значительный гидроэнергетический потенциал.
Для полного осуществления данного проекта было зарегулировано оз. Виннипег и повышены уровни оз. Саутерн-Индиан-Лейк. Переброска стока началась в 1977 г. Для переброски был прорыт канал из Южного залива оз. Саутер-Индиан в р. Бернтвуд (приток р. Нельсон). В результате из р. Черчилл изымается около 850 м /с. В результате данной переброски расход р. Черчилл в Гудзонов залив уменьшился на 510 м/с. Воды р. Черчилл используются на 4 ГЭС на р. Бернтвуд (общей мощностью 700 000 кВт), а также 7 ГЭС р. Нельсон ниже оз. Сплит (общей мощностью около 2 000 000 кВт). Стоимость проекта переброски стока реки Черчилл составила 220 млн. долларов (www.hyfro.mb.ca). Общее число водохранилищ в бассейне р. Нельсон достигает 25 (Авакян и др., 1987). Данный проект вызвал значительные природные изменения в регионе Ат2. В результате уменьшен сток р. Черчилл в Гудзонов залив, затоплено огромное количество земель (около 100 тыс. га) около оз. Саутер-Индиан. Также в результате проекта были зарегулированы оз. Кискито и Нотиги. Сток рек Нельсон (2700 м3/с) и Черчилл (1200 м3/с) составляет значительную часть от стока Ат2. Сток данных рек полностью зарегулирован и его многолетние колебания в настоящее время определяются только водохозяйственными факторами. Регулирование стока и строительство водохранилищ происходило и на других реках данного региона (www.hyfro.mb.ca). Многочисленные озера данного водосбора оказывают регулирующее действие на сток Ат2 и сглаживают его внутригодовое распределение.
Сток Euj формируется на севере Исландии и Норвегии (рис. 1.1). В Исландии эксплуатируется более полутора десятков гидроэлектростанций, часть из них использует энергию порожистых участков рек без создания водохранилищ. В 1945 г. было создано водохранилище Сфейдефос (31 млн. куб. м), в 70-х годах - водохранилища Тоурнсватн (1000 млн. куб. м) и Сигалда (180 млн. куб. м). Всего в данной стране насчитывается 6 водохранилищ (Авакян и др., 1987). Поскольку сток Исландии в Северный Ледовитый океан незначителен, то и влияние данных водохранилищ на общий сток района практически отсутствует. Основная часть стока региона EUJ формируется на территории Норвегии. Строительство плотин в Норвегии началось лишь в 20 веке в целях гидроэнергетики. В настоящий момент насчитывается порядка 1800 гидроэлектростанций мощностью более 1 МВт, в том числе 20 ГЭС мощностью более 50 ММВт. Большинство электростанций используют энергию водопадов порогов с помощью деривационных туннелей. Всего в Норвегии свыше 250 плотин. Большинство рек Норвегии представляют из себя небольшие, порожистые, многоводные и бурные реки, богатые гидроэнергией. Питаясь талыми водами горных ледников, снегов и дождями, реки имеют осенне-летний паводок и зимнюю межень. В целом можно отметить, что водохранилища невелики из-за небольшой длины и ширины долин рек; более значительны они лишь при очень большой высоте плотин и образовании в озерных котловинах. Некоторые гидроэнергетические каскады имеют в своем составе несколько озер с большим или меньшим изменением их гидрологического режима. Многоводность рек приводит к большой проточности водохранилищ. Доля гидроэнергетики в Норвегии составляет более 90%. Большая зарегулированность стока Норвежских рек, впадающих в Северный Ледовитый океан, находит отражение в том, что на сток Ещ огромное влияние оказывают антропогенные факторы. Климатические факторы стока в данном районе имеют второстепенное значение. Это подтверждается отсутствием связей между многолетними колебаниями стока и его основными климатическими факторами, что будет показано в главе 2.
Относительно нетронутый хозяйственной деятельностью суммарный сток рек бассейна Еи2. Большинство водохранилищ расположено на мелких реках Карелии и Кольского полуострове. Данные водохранилища небольшие и не оказывают значительного влияния на суммарный сток региона Ещ. Из крупных водохранилищ данного региона - Кубинское водохранилище, расположенное в верхнем течение Северной Двины, на реке Сухоне. На остальных крупнейших реках данного региона — Мезени и Печора крупные водохранилища отсутствуют. Таким образом, можно сказать, что многолетние колебания общего стока Еи2 определяются в основном климатическими факторами.
Анализ многолетних колебаний годового стока
Предлагаемые результаты статистического анализа многолетних колебаний речного стока в Северный Ледовитый океан включают оценку квазипериодичности и автокорреляции, тренда и статистической однородности рядов. Использованы различные параметрические и непараметрические критерии (Андерсон, 1965; Христофоров, 1994). Оценки распределения вероятностей рядов многолетних колебаний общего стока и всех его слагаемых оказались близкими к нормальному распределению и характеризуются малой изменчивостью, о чем свидетельствуют низкие значения Cv (табл. 1.1). Это дало основание для использования более мощных параметрических критериев, предполагающих нормальность распределения вероятностей анализируемых рядов. Согласно работе (Рождественский и др., 1990), применение этих критериев в гидрологических расчетах в подобных ситуациях не приводит к существенным ошибкам. Использованы и различные непараметрические критерии, применение которых не требует нормальности распределения вероятностей рассматриваемых рядов.
При анализе цикличности многолетних колебаний речного стока, т.е. тенденции к группировке лет повышенной и пониженной водности, рассмотрена автокорреляция исследуемых рядов между стоком смежных лет r(l) и стоком лет, удаленных на один г(2) и на два года г(з) и использован непараметрический критерий серий (табл. 2.1).
Для однородного ряда независимых колебаний статистика t(A) подчиняется нормальному распределению вероятностей, и ее абсолютное значение может превысить критическое значение 1,96 с вероятностью а = 5%. В этом случае критерий показывает наличие статистически достоверной автокорреляции. Для оценок r(l) значения t(A) помещены . Эти значения показывают, что, за исключением европейских рядов Ей, для всех остальных имеет место статистически достоверная корреляция между стоком смежных лет.
Корреляция между стоком лет, удаленных на один год г(2), оказалась статистически достоверной только у Еи2. Все оценки г(з) оказались статистически недостоверными и, следовательно, можно констатировать отсутствие корреляции между стоком лет, удаленных на два года.
Там же даны значения статистики критерия t(S). При уровне значимости 5% превышение их абсолютных значений над критическим числом 1,96 означает наличие статистически достоверного возрастающего или убывающего тренда. Согласно табл. 2.1 явный убывающий тренд имеет ряд многолетних колебаний Ат2, а явно возрастающий - ряды многолетних колебаний годового стока Ob, Yn и Le. Более гибким является параметрический критерий тренда, основанный на статистике Фишера (Христофоров, 1994). Данный критерий предусматривает оценку тренда в виде обобщенного полинома, который описывает зависимость между членами ряда и номерами соответствующих лет. Для исследуемых рядов такие оценки рассматривались в виде многочленов различных степеней. С учетом рекомендаций работы (Христофоров, 1993) в качестве наиболее надежного был принят вариант, при котором многолетние колебания стока аппроксимировались с помощью многочлена третьей степени. Они показывают нестационарность годового стока и не могут быть использованы для его прогнозов. В табл. 2.1 для каждого ряда приведены оценки коэффициентов корреляции между значениями ряда и соответствующими значениями тренда rm. Там же даны величины статистики линейного критерия Фишера f(m):
Вопрос о наличии или отсутствии тренда в многолетних колебаниях речного стока может решаться и при оценке их статистической однородности. Однако такая оценка может решать и более общие задачи, так как проверке статистической однородности могут быть подвергнуты не только средние значения, относительно которых происходят колебания речного стока, но и амплитуда этих колебаний, и характер их автокорреляции. Для проверки статистической однородности исследуемых рядов использовалась следующая методика. Каждый ряд разбивался на два более коротких. Первый ряд щ состоял из последовательных значений годового стока с начала наблюдений по 1966 г. Второй ряд п2 состоял из оставшихся наблюдений, начиная с 1967 г. и, и п2 в сумме составляют п - длину всего ряда наблюдений. Полученные для щ стандартные оценки среднего объема годового стока М, среднего квадратического отклонения S и /(1) сравнивались с аналогичными оценками, полученными для второго ряда. Выбор границы на рубеже 1966 и 1967 гг. основан на следующих обстоятельствах. Для того чтобы результаты проверки однородности всех рядов были сопоставимы, эта граница должна быть общей. Во избежание слишком коротких рядов граница разбиения должна быть близкой к середине периода наблюдений. В среднем эта середина приходится как раз на 1960-е гг. Именно с 1967 г. началось многолетнее регулирование стока Енисея и части стока Лены (глава 1). Согласно работам (IPCC, 2007; Karl et al., 1995), глобальные климатические изменения в XX в. и, в частности, изменение характера колебаний годовой суммы осадков стали проявляться с конца 1960-х - начала 1970-х гг. Таким образом, выбор границы разбиения на рубеже 1966 и 1967 гг. представляется достаточно обоснованным. Значения всех характеристик, использованных для проверки статистической однородности исследуемых рядов приведены в табл. 2.2.
Статистическое оценивание параметров эмпирических зависимостей и их погрешности
В основе использования метода линейной регрессии лежит оценка параметров линейной зависимости величины от переменных (предикторов) хх,...,хк методом наименьших квадратов на основе выборки из п совместных наблюдений (у,, ,,,..., ,), / = 1,...,и. В данном случае в вышеуказанных формулах в качестве у выступают характеристики стока V: Vp, Vn, VMAKC, Vno, V3. В уравнениях /3.1/ число предикторов к = 2, в качестве хх и х2 - значения средних по водосбору осадков Р и температур Т за соответствующие периоды. Длина выборки п равна числу лет наблюдений и для различных регионов составляет 60 - 80 лет. Теснота полученной линейной зависимости у от х1,...,хк определяется значением множественного коэффициента корреляции R. Оценка параметров а0,а1}а2 зависимости характеристик стока от соответствующих Р и 7 /3.1/. Несмещенные (исправленные с учетом соотношения между числом наблюдений п и числом оцениваемых параметров т = к +1, т.е. в данном случае т = 3) оценки
В целом прослеживается хорошая связь между многолетними колебаниями характеристик стока V и их основными климатическими факторами и Ґ, осредненными по водосборам, в соответствии с зависимостью /3.1/. Об этом свидетельствуют достаточно высокие несмещенные оценки множественных коэффициентов корреляции R] между данными величинами (табл.3.1). Особенно тесные зависимости получились для объемов годового стока воды Уг и стока воды за период половодья Vn - для большинства районов Rj в данном случае принимает значения 0.6-0.7. Летне-осенний сток Уло реки Обь (водосбор Ob) и реки Лена (Le) имеет связь с осадками и температурами за летне-осенний период на уровне i?7= 0.7. Максимальный среднемесячный сток УМАКС имеет меньшую тесноту связи с Рмлкс и 1 МАКС за исключением арктических рек восточной Европы - Rj—0.71. Зимний сток У3 имеет наименьшую тесноту связи с его климатическими факторами, рассматриваемыми в данной работе (табл.3.1).
Статистические связи вида /3.1/ практически не выявлены для рек бассейна Гудзонова залива (Ат2), западно-европейских арктических рек (Euj), а также стока реки Енисей (Yri) (табл.3.1). Основная причина отсутствия таких связей - сильная антропогенная трансформация водного стока данных рек, вследствие их использования в водном хозяйстве (глава 1). В наибольшей степени связь между стоком и климатическими факторами нарушает регулирование стока водохранилищами многолетнего и сезонного регулирования. В таком случае колебания речного стока в замыкающем створе реки определяются не климатическими причинами, а режимом регулирования водохранилища. В бассейне Гудзонова залива осуществляется активное регулирование стока каскадом водохранилищ на крупнейших реках данного района, также осуществляется межбассейновая переброска стока (глава 1). Сток норвежских рек значительно зарегулирован небольшими, но многочисленными водохранилищами и гидроузлами. На р. Енисей, а также на его крупнейшем притоке - р. Ангаре, расположены каскады крупнейших водохранилищ многолетнего регулирования. Они осуществляют значительную трансформацию, как годового стока, так и его составляющих — весеннего, летне-осеннего и зимнего стока (глава 2). Именно поэтому связи между стоком и его основными климатическими факторами крайне слабы для данных регионов.
Обращает внимание относительно слабая роль предиктора о чем свидетельствуют крайне низкие значения r(V/T ) (табл.3.1). В связи с этим была выполнена оценка погрешности определения параметров данных зависимостей.
Помещенные в табл.3.2 данные показывают, что в большинстве случаев оценки коэффициента регрессии а2 отличаются от 0 менее их удвоенной средней квадратической погрешности. Таким образом, оценки коэффициента регрессии а2 статистически недостоверно отличаются от 0. Это подтверждает, что является «слабым» предиктором и его учет нецелесообразен. Столь неодинаковая роль рассматриваемых факторов речного стока Р и 7 объясняется следующим. Роль осадков достаточно очевидна: чем больше осадком, тем выше речной сток. Это подтверждает высокие значения r(V/P) и статистически достоверные значения оценок а, в формулах /3.1/ - /3.9/. Роль температуры достаточно неоднозначна. С одной стороны, чем теплее год, тем выше потери на испарение в теплый сезон, и, следовательно, ниже сток. С другой стороны, в холодные годы при прочих равных условиях, длиннее период снегонакопления, выше глубина промерзания, но менее интенсивное весеннее снеготаяние. Детальный механизм формирования речного стока и роль его отдельных климатических факторов в условиях исследуемого региона будет рассмотрен в главе 4 на примере бассейна р. Северная Двина и используя концептуальную модель формирования речного стока Гидрометцентра РФ. По некоторым оценкам в районах с небольшим количеством снежного покрова сток зависит в гораздо большей степени от осадков, чем от температуры (1РСС, 2007). Исходя из полученных результатов, была предпринята попытка использовать в качестве предиктора только осадки. Если использовать только осадки, по всему рассматриваемому водосбору, то теснота зависимости V от Р характеризуется коэффициентом корреляции r(V/P), помещенным в табл.3.1. Эти величины незначительно меньше множественных коэффициентов корреляции R] при учете не только осадков, но и температуры, что дополнительно подтверждает «слабость» температур, как предиктора в данном регионе. С другой стороны, учет только осредненных осадков лишь в некоторых случаях позволяет достаточно точно рассчитывать сток. Например, в большинстве случаев для значений Угод коэффициент корреляции r(V/P) принял значение порядка 0.7. Значение r(V/P) для летне-осеннего стока Удо р. Лена равно 0.78 (табл.3.1).
Оценка влияния изменений годовой суммы осадков и среднегодовой температуры воздуха на водный режим
В настоящей работе дается поливариантная оценка, при котором возможное изменение характеристик речного стока оценивается для любых вероятных сочетаний систематического увеличения или уменьшения годовых осадков Р и температуры Т. Модульный коэффициент осадков КР и аномалия AT вычислялись для всего модельного года. При этом использовались искусственные модельные годы, образованные всеми возможными сочетаниями холодных и теплых периодов лет, входящих в расчетные выборки.
Для того чтобы оценить роль каждого из рассматриваемых климатических факторов, среди искусственных модельных лет были выбраны годы с экстремально низкой и высокой температурами Т при близких к норме осадках, а также с экстремально низкими и высокими осадками Р при близкой к норме температуре. В частности, для водосбора р. Сысола — п. Первомайский выбранные сочетания холодных и теплых периодов характеризуются значительными аномалиями среднегодовой температуры воздуха АТ= -3.2 С и АТ=3.4С при Кр«1. Гидрографы стока, соответствующие ходу метеорологических элементов в эти годы, представлены на рис. 4.8, линии 1 и 2. В целом различия между ними не столь велики.
Приведенные результаты дают лишь общее представление о возможных гидрологических последствиях систематического изменения средней годовой температуры и годовой суммы осадков. Для более детального поливариантного прогноза возможных изменений водного режима, вызванных вероятными изменениями климата, использовалась следующая процедура. По средней годовой температуре выделялись годы, характеризуемые как холодные (АТ -2 С), средние (-2С АТ 2С) и теплые (АТ 2С). Значения АТ=-2С и АТ=2С приблизительно соответствуют обеспеченностям 90% и 10%. По значению годовой суммы осадков годы считались сухими (КР 0,8), средними (0,8 КР 1,2) или влажными (КР 1,2). Значения Кр=0,8 и КР=1,2 также приблизительно соответствуют обеспеченностям 90% и 10%. Таким образом, рассматривались 9 вариантов погодных условий модельного года: холодный и сухой, теплый и влажный и т.д. Для каждого варианта подбирались 20 — 25 искусственных модельных лет с соответствующими значениями AT и КР. Соответствующий каждому искусственному модельному году ход суточных колебаний температуры и осадков использовался в качестве метеорологического входа модели формирования талого и дождевого стока. Таким образом, для каждого из девяти вариантов метеорологических условий модельного года были получены 20-25 гидрографов. По результатам моделирования для каждого варианта вероятного изменения климата были рассчитаны средние значения среднего годового расхода воды Qj-, среднего расхода воды за холодный период Qxn, за теплый период Qm, за период весеннего половодья Оп и максимального расхода воды QMAKC- ДЛЯ водосбора р. Сысола до п. Первомайский эти характеристики представлены в табл.4.3. По строкам сверху вниз представлено изменение температуры от холодного к теплому году, по столбцам слева направо - изменение сумм осадков от сухого к влажному году, обозначения: «х» - холодный, «ср» - средний по температуре (осадкам), «т» - теплый, «с» - сухой, «в» - влажный годы.
Изменения климата в арктическом регионе неизбежно приведут к изменению водного сток рек бассейна Северного Ледовитого океана. Изменения притока речных вод повлияет на соленость в поверхностном слое Северного Ледовитого океана, формирование ледового покрова, экспорт пресных вод в северную Атлантику и на термогалинную циркуляцию (см. введение). Исследование (Steele et al, 1998) показало, что недавние изменения в поверхностном слое Северного Ледовитого океана связаны со стоком Сибирских рек в Северный Ледовитый океан. Изменения в экстремальных гидрологических явлениях на северных реках изменят биологическую продукцию и биоразнообразие в арктических экосистемах. Поэтому оценка изменения стока крупнейших северных рек является крайне важным исследованием не только в масштабах бассейна Северного Ледовитого океана, но и для всего земного шара в целом IPCC, 2007).
При оценках климатических изменений стока в региональном масштабе используются региональные климатические модели (Nillson, 2007) совместно с гидрологическими моделями. Одна из последних научных работ такого плана посвящена влиянию климатических изменений на сток рек Скандинавии (Ekstrom et al., 2007; Beldring et al., 2006). В данной работе используются оценки изменения климатических характеристик на конец XXI века для сценария А2, полученные с помощью региональной климатической модели ШИНАМ. Выход данной модели далее был приведен к более мелкому масштабу («даунскейлинг») и подставлен в физико-математическую модель формирования стока НВМ (Beldring et al., 2003).
Поскольку данная глава посвящена оценке климатических изменений стока крупнейших рек бассейна Северного Ледовитого океана, то ниже более подробно описываются методы глобальной оценки изменений водного стока рек, а также приводятся оценки изменения стока арктических рек крупнейших в данной области исследований. За последнее десятилетие разработано ряд крупномасштабных моделей для применения на обширных территориях (Nilsson et al., 2007). В основном это водно-балансовые модели, представляющие из себя простые модели, трансформирующие осадки и испарение в сток для каждой ячейки. Одно из первых исследований по вводно-балансовым моделям было опубликовано в работе (Vorosmarty et al., 1989). Данные модели рассчитывают речной сток, используя климатический вход, такой как осадки и температуру воздуха. Расчет стока в таких моделях проводится отдельно для каждой ячейки, чаще всего 0.5 х 0.5.
