Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физико-географическая характеристика территории карелии 10
1.1. Геологическое строение, рельеф, почвенный и растительный покров 10
1.2. Климат 13
1.3.Гидрография и ьодные ресурсы 17
1.4. Изученность водного баланса водосборов 24
Глава 2. Методы и материалы исследования 27
2.1. Методы исследования 27
2.2. Формирование рядов элементов водного баланса за период инструментальных наблюдений 55
2.2.1. Температура воздуха 35
2.2.2. Годовые осадки 39
2.2.3. Речной сток 'гЗ
2.2.4. Испаряемость и суммарное испарение 48
2.3. Метод корректировки осадков и уравнивания водного баланса 54
Глава 3. Закономерности колебаний элементов водного баланса территории карелии за период инструментальных наблюдений 62
3.1, Межгодовая изменчивость основных характеристик климата и водного баланса 63
3.2, Внутривековые колебания элементов климата и водного баланса 78
Глава 4. Возможные изменения элементов водного баланса территории карелии 93
4.1. Применение моделей взаимодействия атмосферы и океана для оценки изменений элементов водного баланса региона 93
4.2. Оценка изменений основных элементов водного баланса территории Карелии в 2000-2050 гг 99
Заключение 108
Библиографический список
Использованной литературы 111
Приложения 124
- Климат
- Формирование рядов элементов водного баланса за период инструментальных наблюдений
- Внутривековые колебания элементов климата и водного баланса
- Оценка изменений основных элементов водного баланса территории Карелии в 2000-2050 гг
Введение к работе
Изучение взаимосвязи и динамики элементов климата и водного баланса крупных регионов, оценка их изменчивости под влиянием естественных и антропогенных факторов представляет собой сложную научную задачу и имеет важное практическое значение для охраны водных объектов и их рационального использования.
Двойственная естественно-общественная сущность водных ресурсов, по Л. М. Корытному (1994), проявляется в том, что, с одной стороны, они выступают одним из важнейших элементов производительных сил (природные воды используются как сырье, технологическая и транспортирующая среда, энергоноситель); с другой стороны, вода является непременным и органичным компонентом природной среды, во взаимодействии с другими компонентами определяет динамику и качество среды, создает природные ландшафты, составляет основу живой материи. Основу функционирования многоотраслевого экономического комплекса Республики Карелия составляют полезные ископаемые, лесные и водные ресурсы. Поверхностные водные объекты являются основными источниками водоснабжения. Использование озер и рек в качестве приемников сточных вод с различным характером и степенью загрязнения является основным антропогенным фактором качественного изменения водных экосистем Карелии. Внутри- и межгодовая изменчивость режима природных вод, таким образом, во многом определяет как социально-экономический аспект использования водных ресурсов, так и тот естественный фон, на котором функционируют водные экосистемы.
Речной сток рассматривается как один из элементов системы регионального климата и водного баланса, поэтому наиболее рациональный подход к установлению закономерностей его колебаний во времени основан на исследовании изменчивости всех основных элементов системы с учетом их генезиса и пространственно-временной связанности. По К. П. Воскресенскому (1972), "математической моделью гидрологического цикла является уравнение водного баланса, выражающее общую закономерность накопления и расходования влаги в бассейне".
Особое место в этой проблеме занимает разработка методов оценки возможных в блихсайшем будущем изменений водного баланса территории при различных сценариях изменения климата и оценка экологических последствий таких изменений.
Объектом данного исследования является водный баланс административного района, а предметом - многолетние колебания элементов водного баланса и основных климатических факторов их формирования для территории Республики Карелия в ее административных границах.
ІІель исследования - установить закономерности многолетних колебаний основных составляющих водного баланса территории Карелии за период инструментальных наблюдений и разработать методы оценки их возможных изменений в перспективе.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- сформировать непрерывные ряды годовых осадков, речного стока и температуры воздуха в целом для территории Карелии за период максимально возможной продолжительности;
оценить применимость известных методов для расчета испаряемости и испарения, уточнить их для исследуемой территории и получить расчетным путем хронологические ряды испаряемости и суммарного испарения для исследуемой территории;
разработать методы корректировки измеренных осадков и уравнивания водного баланса региона;
выявить и статистически оценить детерминированные тенденции в ходе сформированных рядов, их квазипериодические компоненты и случайные составляющие, установить взаимосвязь и согласованность колебаний основных климатических характеристик и составляющих водного баланса;
- разработать схему стыковки моделей глобального климата (МГК) и модели
регионального водного баланса, выбрать и обосновать критерии
адекватности МГК, выполнить оценку возможных изменений элементов
водного баланса территории при различных сценариях изменения
глобального климата.
В соответствие с задачами определились основные методы исследования -метод водного баланса и метод вероятностно-статистического анализа временных рядов. Для решения отдельных задач привлекались элементы * кластерного и дисперсионного анализа, а также методы математического . моделирования временных рядов.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
- разработан и впервые применен для территории Карелии метод уравнивания
водного баланса для скользящих 15-летий с одновременной корректировкой
измеренных осадков и расчетом суммарного испарения;
предложена эмпирическая формула для расчета испаряемости за годовые и многолетние интервалы времени для водосборов Карелии и Северо-Запада России, а также для Кольского полуострова;
установлена нелинейная зависимость выборочных коэффициентов вариации годовой температуры воздуха и речного стока от соответствующих норм; выявлены особенности флуктуации гидрометеорологических рядов в различные фазы квазициклических колебаний;
установлено, что для условий избыточного увлажнения ведущим климатическим фактором, определяющим знак и величину аккумуляционной составляющей водного баланса водосборов, является температура приземного воздуха, впервые для территории Карелии в целом получено уравнение связи годовой аккумуляции с температурой воздуха и осадками;
разработан и апробирован для территории Карелии способ стыковки данных моделей глобального климата и модели регионального водного баланса.
Полученные результаты будут использованы для оптимизации мониторинга регионального климата и гидрологического режима; как информационная и методическая основа для построения комплексных моделей природных экосистем, а также для проверки адеквагности и сравнения результатов численных экспериментов различных моделей глобального и регионального климата. Предложенное уравнение связи испаряемости и температуры воздуха может быть использовано как региональная формула для уточнения годовых и многолетних значений испаряемости и суммарного испарения, их расчета для неизученных водосборов, уточнения карт норм основных составляющих водного баланса региона.
Основные результаты получены автором в рамках научно-исследовательских тем, выполняемых в Институте водных проблем Севера Карельского научного центра РАН (ИВПС КарНЦ РАН), а также при выполнении исследований по проектам Российского фонда фундаментальных исследований и по грантам INTAS 97-1277 "Detection and Modelling of Greenhouse Warming in the Arctic and sub-Arctic"( 1998-2000 гг.) и INTAS 00-614 "Development of an information system for high latitude climate data, analysis and numerical simulations of climate change -Climate Data Access System (CLIMAS)" (2002-2003 гг.).
Достоверность результатов работы обоснована использованием современных методов анализа данных и привлечением большого объема данных стандартных наблюдений. Информационную основу исследований составили результаты инструментальных наблюдений на сети станций и постов Северо-Западного межрегионального территориального управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Росгидромета, ведомственных постов, а также государственной системы гидрометеорологических наблюдений Финляндии. Использование данных по моделированию климата стало возможным благодаря численным экспериментам на модели ЕСНАМ4, выполненным проф. Л. Бенгтссоном (Метеорологический институт Макса Планка, Германия) и к. ф.-м. н. С. И. Кузьминой (Международный центр по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена, Санкт-Петербург).
Результаты исследований по теме диссертации были представлены на 8 научных конференциях, в том числе международных: «Финно-угорский мир: состояние природы и региональная стратегия охраны окружающей среды» (Сыктывкар, 1997 г.); «Поморье в Баренц-регионе: экология, экономика, культура» (Архангельск,
9 2000 г.; в соавторстве с Л. Е. Назаровой), «Управление северными речными
бассейнами» (Финляндия, Оулу, 2001 г.; в соавторстве с Н. Н. Филатовым и Л. Е.
Назаровой), на XIII международном симпозиуме «Северные исследовательские
водосборы» (Финляндия, Саариселькя, 2001 г.; в соавторстве с Н. Н. Филатовым,
А. В. Семеновым и Л. Е. Назаровой), на IV международном Ладожском
симпозиуме (Новгород, 2002 г.). Основные положения и результаты исследования
докладывались на заседании Президиума Карельского НЦ РАН (2001 г.), на
заседании кафедры гидрологии суши РГГМУ (2003 г.), а также на заседаниях
Ученого совета ИВПС КарНЦ РАН в 1999-2003 гг.
По результатам исследований опубликовано 8 научных статей, в основном в соавторстве с д. г. н., проф. Н. Н. Филатовым и гл. гидрологом Л. Е. Назаровой (ИВПС КарНЦ РАН). Личный вклад автора состоял в освещении вопросов, непосредственно связанных с решением поставленных в диссертации задач.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений; изложена на 132 страницах, включает 24 рисунка, 12 таблиц, 8 приложений и библиографический список использованной литературы из 109 наименований.
Климат
По генетической классификации Б. П. Алисова (1969) исследуемая территория относится к западному району атлантико-арктической зоны умеренного пояса. Основные черты климата Карелии обусловлены географическим положением и связанным с этим количеством поступающей солнечной радиации, преобладанием западного переноса воздушных масс атлантического и арктического происхождения, географической близостью Баренцева, Белого и Балтийского морей. В целом климат Карелии умеренно континентальный с чертами морского. В течение года преобладает интенсивная циклоническая деятельность (прохождение циклонов наблюдается в течение 215-235 дней в году, в ноябре и декабре - до 22-26 дней (Карельская АССР..., 1986). Большая лесистость территории, обилие болот и озер, всхолмленный рельеф местности - эти местные климатические факторы, которые определяют значительную изменчивость метеорологических элементов даже на небольших расстояниях.
Географическое положение Карелии в значительной степени определяет количество поступающей солнечной энергии и тепловой баланс территории. По оценкам Л. Е. Назаровой (2000) годовой приход прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность при ясном небе составляет от 3800 на севере до 4600 МДж/м2 на юге, сумма рассеянной радиации составляет соответственно 960 и 1130 МДж/м2 в год. Наибольшее количество суммарной радиации приходится на июнь (540-630 МДж/м2), наименьшие - на декабрь (25-30 МДж/м2 на юге, уменьшаясь к северу до нуля). Радиационный баланс для года положительный (1170-1340 МДж/м2)
Норма годовой температуры воздуха повышается от 0 на севере до 3-4 С на юге. Январь является самым холодным на всей территории (-9-13 С), вблизи крупных водных объектов и на островах Ладожского и Онежского озер февраль холоднее января на 0,2-0,5 С. Самый теплый месяц - июль, среднемноголетняя температура которого равна 14-15 (на севере) и 16-17 С (в центральной части и на юге). Абсолютный минимум и максимум температуры воздуха равны соответственно -54 (Олонец, январь 1940 г) и +36 С (Пудож, июль 1972 г).
Переход средней суточной температуры воздуха через 0 С (начало весны) происходит во второй-третьей декаде апреля, полное очищение от снега обычно происходит в конце апреля - начале мая, однако в северных районах в отдельные годы снежный покров может сохраняться до третьей декады мая. Характерны возвраты холодной погоды, нарушающие общий ход весны и на некоторое время приостанавливающие вегетацию большинства растений. На севере заморозки до -2 С встречаются иногда до 20 июня, а в южных районах, на торфяниках и в низинах -до 12 июня.
Летний сезон продолжительностью 2,5-3,5 месяца наступает на юге Карелии в конце мая - середине июня, на севере - со второй половины июня. Переход среднесуточной температуры выше 10 С происходит в конце мая на юге и в первой половине июня - на севере территории, начинается период активной вегетации растительности продолжительностью в среднем 75-115 дней, а в отдельные годы от 43 до 132 дней. Сумма летних температур выше 10 С составляет 900-1600 С, уменьшаясь с юга на север.
Непродолжительная осень наступает на севере уже в последних числах августа, а на юге - в середине сентября, с довольно резким переходом среднесуточной температуры через 10 С в сторону отрицательных. В связи со сменой летнего типа циркуляции на зимний преобладают юго-западные и западные потоки воздуха. Осень является и дождливым периодом, в годовом ходе наблюдается второй максимум осадков. Относительная влажность воздуха возрастает до 80-90 %. Уже в первой половине сентября начинаются заморозки.
Продолжительная и довольно прохладная зима (115-135 дней со среднесуточной температурой ниже -5 С) начинается во второй декаде ноября, когда средняя суточная температура воздуха устойчиво переходит через О С в сторону отрицательных значений. С первых чисел ноября температура воздуха быстро понижается, а со второй половины месяца в Карелии повсеместно устанавливается снежный покров.
Наиболее существенное влияние на гидрологический режим и водный баланс как территории в целом, так и отдельных водных объектов и водосборов оказывают атмосферные осадки. Территория Карелии относится к зоне . избыточного увлажнения, и годовое количество измеренных осадков составляет от 550 до 750 мм, увеличиваясь с севера на юг. На крайнем северо-востоке вдоль побережья Белого моря, а также на подветренных склонах годовая сумма осадков составляет 450-500 мм. По оценкам Ц. А. Швер (1984), значения нормы осадков, исправленные принятыми видами поправок, изменяются в пределах Карелии от 600 до 800 мм. В отдельные годы количество осадков существенно отличается от среднемноголетних значений: в сухие годы выпадает 350-450, а в очень влажные -до 900 мм. Внутригодовое распределение осадков неравномерно, наибольшее их
Формирование рядов элементов водного баланса за период инструментальных наблюдений
Принцип воднобалансового подхода требует сведений о действительных суммах осадков как в пунктах наблюдений, так и в пределах всей расчетной территории, а следовательно, обязательного исключения систематических и оценки случайных погрешностей измеренных значений. Проблема нарушения однородности и связанной с этим необходимости корректировки осадков инициировала большое количество исследований, результаты которых приведены в работах А. П. Бочкова, Л. Р. Струзера (1976), Ц. А. Швер (1976, 1984), В. С. Голубева, Г. А. Плиткина, Р. Л. Кагана и др., а также обобщены в многочисленных практических рекомендациях. Наиболее рациональным приемом корректировки считается введение в величину измеренных осадков поправок на приведение дождемерных наблюдение к осадкомерным (Кі), на ветровой недоучет (/Г?) и на смачивание (К3) (Методические указания...,1984; Методы изучения..., 1981). Значения коэффициентов варьируют по территории Карелии в небольших пределах, и в среднем для годовых сумм осадков составляют #/=1,05, К2=1,25 и Ку=\,\\ (Научно-прикладной...,1988). Коэффициенты К] и К3 учтены в опубликованных климатических справочниках, коэффициент К2 рекомендуется учитывать при расчетах водного баланса. Однако возможность применения указанного коэффициента связана со следующими методическими затруднениями. Значение К2 для месяцев (года) рекомендуется рассчитывать в зависимости от среднемесячной (среднегодовой) скорости ветра, вида осадков, доли осадков, выпадающих с интенсивностью не выше 0,03 мм/мин, от их общей суммы (Рекомендации по расчетам..., 1989; Методические указания..., 1984). Отсутствие такой детальной информации за ретроспективный период не позволяет выполнить корректировку полученного нами 154-летнего ряда годовых сумм осадков в соответствии с указанными методами. Кроме того, простое умножение каждого значения годовой суммы на один и тот же коэффициент априорно подразумевает неизменность режима ветра и осадков для каждого года.
Методика оптимального уравнивания (разнесения невязок) водных балансов речных водосборов внутри периода (месяца, года) и для многолетнего периода предложена В. Г. Андреяновым и В. И. Бабкиным (1972, 1976). Наш подход в целом согласуется с предложенным методом и заключается в том, что объективная корректировка измеренных осадков должна быть основана на использовании уравнения равновесного водного баланса с учетом генетических связей его элементов (Назарова, Сало, Филатов, 2001).
С учетом формул (2.13) и (2.14) запишем уравнение водного баланса исследуемой территории для его составляющих, представленных 15-летними скользящими средними значениями, в следующем виде
Из уравнений (2.15)-(2.17) следует, что при корректировке осадков будут изменяться и значения суммарного испарения, при этом должно выполняться условие равенства нулю правой части уравнения (2.15).
Процедура корректировки измеренных осадков и уравнивания водного баланса выполняется итерационным способом по схеме (рис. 2.8) следующим образом. Для каждого 15-летнего периода по значениям измеренных осадков и температуре воздуха по формулам (2.16) и (2.17) рассчитывают испаряемость Е0 и суммарное испарение Е. Затем по уравнению (2.15) рассчитывают водный баланс и вычисляют невязку Л. Анализ показал, что ее величина имеет отрицательный знак, то есть измеренные значения осадков являются заниженными.
Поскольку для каждого периода уравнение (2.15) , должно быть сбалансированным, исходную величину осадков увеличивают на величину Л и снова повторяют расчет по схеме. При достижении А=0 расчет завершают и принимают в качестве скорректированных те значения осадков и суммарного испарения, для которых невязка баланса равна нулю.
Расчет по 154-летнему ряду ЭВБ Карелии показал, что для корректировки осадков и суммарного испарения достаточно 3-4 итераций. Начальная невязка баланса составляла от -92 до -188 мм, причем меньшие значения соответствуют периоду после 1955 года, когда на станциях начали применяться осадкомеры Третьякова и введена действующая ныне единая методика измерения и введения поправок. Сравнение измеренных и исправленных осадков (табл. 2.6) показывает, что при корректировке по предложенной схеме достигается уравнивание рядов ЭВБ не только в их средних значениях, но и в коэффициентах линейных трендов. Последнее означает, что основные детерминированные составляющие рядов также полностью согласованы (сбалансированы). Этого не наблюдается при использовании рядов осадков, исправленных на все виды поправок, включая поправку на ветровой недоучет.
Как следует из данных табл. 2.6, увеличение годовых осадков и суммарного испарения после корректировки составляет в среднем соответственно 8 и 2 % по отношению к вычислениям по осадкам, исправленным в соответствие с рекомендациями.
Рассчитанные средние многолетние значения осадков (725 мм), речного стока (321 мм) и суммарного испарения (406 мм) хорошо согласуются с данными, приведенными на уточненных картах соответствующих норм (Швер, 1976; Раунер, 1972; Методы изучения...,1981). Объективная оценка качества корректировки осадков выполнена на основе сравнения с независимыми данными, полученными Р. Хейно (Heino, 1994).
Внутривековые колебания элементов климата и водного баланса
Вероятностно-статистический анализ длинных рядов температуры воздуха и основных элементов водного баланса выполнен на основе методических подходов, аналогичных примененным в предыдущем разделе. Отметим следующие особенности исследуемых в данном разделе рядов и принятые нами допущения при рассмотрении уравнения водного баланса. Во-первых, для всех хронологических рядов каждое значение представляет собой выборочное среднее, отнесенное к середине соответствующего 15-летнего интервала осреднения. Во-вторых, уравнение водного баланса (3.1) для сглаженных данных допустимо считать равновесным, включающим только три составляющие - осадки, сток и суммарное испарение. В-третьих, величина аккумуляции для каждого 15-летнего периода может быть принята равной нулю. Количественное подтверждение обоснованности указанных допущений получено следующим образом. На основе хронологических рядов годовых значений ЭВБ за период 1950-1999 гг., рассмотренных в предыдущем разделе, были рассчитаны сглаженные значения составляющих водного баланса и оценена величина и знак аккумуляционной составляющей для каждого скользящего 15-летия (приложение 6). Из данных расчета следует, что величина аккумуляции изменяется от -31 до +39 мм. В относительных единицах это составляет от -4,5 до +5,3 % средней суммы осадков за соответствующие 15-летние периоды, причем в 80 % случаев относительная величина аккумуляции не выходит за пределы интервала ±3 %. Как было показано во второй главе, погрешность расчета средней по территории Карелии годовой суммы осадков для различных расчетных периодов составляет 3-12 %, стока - 8-15 % и суммарного испарения - 4-11 %. Таким образом, величина аккумуляционной составляющей не превосходит погрешности определения составляющих ЭВБ и обоснованно может не учитываться при анализе. Рассмотрим особенности внутривековых колебаний гидрометеорологических элементов территории Карелии за период 1854-1992 гг. В целом для всех динамических рядов характерна полицикличность, нестационарность и отсутствие монотонности (рис. 3.6 и 3.7). Если для относительно коротких рядов нестационарность, обусловленная вкладом долгопериодного естественного фона изменчивости- не проявляется и не идентифицируется обычными методами статистического анализа, то при увеличении длины ряда усиливается вклад низкочастотной составляющей как нестационарного фона процесса (Румянцев, Трапезников, Григорьев, 2001).
Для оценки однородности рядов температуры воздуха и ЭВБ территории Карелии каждый из них ряд был разбит на две выборки, длина первой (1854-1923 гг.) составила 70 лет, второй (1924-1992 гг.) - 69 лет. Статистическая оценка значимости различия выборочных средних и дисперсий выполнена по критерию Стьюдента и по критерию Фишера соответственно. Как показали расчеты (см. приложение 7), гипотеза об однородности рядов по дисперсии не опровергается при уровне значимости 2а=10 %. Исключением является ряд годовых осадков, для которого эмпирическое значение F-статистики значительно превышает теоретическое при 2Й=1 %. Следовательно, ряд годовых осадков с высокой степенью достоверности (99 %) является неоднородным по дисперсии. В то же время для всех 139-летних рядов осредненных по территории элементов климата и водного баланса выявлена существенная неоднородность по выборочным среднимпри высоком уровне значимости (2сс=1 %), которая, в свою очередь, обусловливает наличие значимых линейных трендов в рядах. Расчет по методу наименьших квадратов показал, что для периода 1854-1992 гг. уравнения линейного тренда для исследуемых рядов имеют следующий вид (Филатов, Сало, 1996; Сало, 1997):Т = 0,822 + 0,006% Р = 687 + 0,224% Е0 = 364 + 0,416% Е = 349+ 0,315% R = 328 -0,101% где / - время с дискретностью один год.
Таким образом, для исследуемой территории выявлены значимые положительные тренды в рядах температуры воздуха (0,6 С/100 лет), осадков (22 мм/100 лет), суммарного испарения (32 мм/100 лет), и отрицательный - для речного стока (-10 мм/100 лет). По абсолютной величине и знаку коэффициенты линейного тренда основных составляющих водного баланса полностью согласованы. Из приведенных выше уравнений следует, что увеличение суммарного испарения на протяжении рассматриваемого 139-летнего периода происходило более интенсивно, чем увеличение осадков. Это обусловлено ростом годовой температуры воздуха, и, следовательно, потенциально возможного испарения (испаряемости), величина которого, вместе с осадками, определяет суммарное испарение с территории. При этих условиях поверхностный сток, величина которого зависит от разности осадков и испарения, имеет тенденцию к снижению. Таким образом, выявленные тенденции изменения рядов метеорологических и гидрологических элементов, определяющих структуру
Оценка изменений основных элементов водного баланса территории Карелии в 2000-2050 гг
Для оценки возможных изменений основных характеристик климата и ЭВБ территории Карелии были использованы данные объединенной численной модели глобального климата для системы океан-атмосф:ра-суша, разработанной в Метеорологическом институте Макса Планка (Гамбург, Германия). Детальное описание модели, получившей индекс ECHAM4/OPYC3, дано в работе (Bengtsson, 1997). В основе трехмерной модели лежит система математических уравнений движения (уравнения Навье-Стокса в упрощенной форме), термодинамики для воздуха і водяного пара и уравнение состояния. Пространственное разрешение сосіавляег 2,8 х 2,8 по широте и долготе и 19 уровням до 30 км (до высоты 10 ГПа . ;\о вертикали для всего Земного шара. Минимгль.-ю возможный временной шаг модели составляет 24 минут. Выходными данными модели являются хронологіческие ряды основных гидрометеорологических характеристики, в том числе атмосферного давления, температуры воздуха в приземном слое и на 10 уровнях в слое 0-30 км, осадков, облачности, относительной влажности, составляющих радиационного баланса, характеристик ветра у земли и на высотах. Численные эксперименты были выполнены в Метеорологическом институте
Макса Планка для контрольного периода (1850-2000 гг.) и на перспективу до 2100 года. В качестве сценариев использовались оценки возможного изменения (увеличения) парниковых газов, принятые при разработке и проверке известной модели глобального циркуляционного механизма IPCC (Houghton J.T. и др., 1995). В первом случае (сценарий G) предполагается удвоение содержания углекислого и других парниковых газов в атмосфере Земли к 2100 году. Во втором сценарии (GA) дополнительно учитывается прямой эффект влияния аэрозолей техногенного происхождения на радиационный баланс атмосферы. Увеличение двуокиси углерода считается наиболее значимым антропогенным фактором, влияющим на темпы глобального потепления в ближайшем будущем. В то же время, как отмечает Ю. А. Израэль (1979), "повышение содержания аэрозолей в атмосфере ведет, как правило, к обратному эффекту - возможному похолоданию из-за отражения части падающего солнечного излучения. Кроме того, аэрозольные частицы могут влиять на климат и косвенным путем, способствуя образованию облачности ".
В качестве исходной информации для оценки возможных изменений основных характеристик климата и ЭВБ территории Карелии были использованы рассчитанные по модели ECHAM4/OPYC3 ряды температуры воздуха и осадков по месяцам за контрольный (1950-2000 гг.) и предстоящий (2000-2050 гг. по сценариям G и GA) периоды в узлах сетки (рис. 4.1). Выполненный нами предварительный анализ показал, что модельные данные достоверно воспроизводят месячные нормы и годовые значения температуры воздуха, а также годовые суммы осадков; однако степень соответствия модельных и фактических месячных норм осадков для территории Карелии нельзя признать удовлетворительной (Филатов, Назарова, Сало, 2001). Этот недостаток характерен для расчетных схем многих моделей, как это следует из работы Г. С. Голицына и В. П. Мелешко с соавторами (2000), выполнившими оценку изменения водного и теплового баланса на водосборе Ладожского озера по 14 различным МГК, в том числе по модели ЕСНАМ4.
Следовательно, по данной модели можно оценить возможные изменения элементов регионального водного баланса для интервалов осреднения не менее одного года.
С учетом соотношений между характеристиками климата и ЭВБ территории Карелии (раздел 2.3) разработана схема сопряжения МГК с имитационной моделью регионального водного баланса (рис. 4.2), входными параметрами для которой служат ряды годовой температуры (Тм) и осадков {Рм) модели ECHAM4/OPYC3 в узлах сетки и осредненные по скользящим 15-летиям.
Проверка адекватности модели выполнена для контрольного периода 1957-1991 гг. (годовая температура воздуха) и 1963-1991 гг. (осадки). Подготовка данных состояла в выборе оптимального количества узлов методом перебора для включения в уравнение (4.4) и его параметризации по первой половине контрольного периода. По второй половине периода, включающей независимые данные, была выполнена оценка адекватности (табл. 4.1). Несмотря на ограниченную длину выборок, степень соответствия сравниваемых модельных и фактических рядов температуры воздуха и осадков достаточно высокая, регрессия объясняет более 50 % общей дисперсии фактических данных относительно модельных (коэффициент детерминации равен 0,55-0,56). Это объясняется тем, что при сглаживании (в данном случае по скользящим 15-летиям) значительно уменьшается доля высокочастотных компонент и случайных составляющих исходных рядов.
В окончательном виде уравнения множественной регрессии получены для всего контрольного периода в следующем виде (указаны объем выборки, коэффициент множественной регрессии и СКО уравнения связи):
