Оценка возможных изменений речного стока в XXI веке под влиянием глобального потепления климата на территории Восточно-Европейской равнины

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 зека, количественная оценка климатических изменений речного стока приобретает особую актуальность на фоке имеющегося и возрастающего дефицита водных ресурсов л 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 атмосференекоторую регулярность в этом отношении внесла фундаментально разработанная номенклатура СДСВ (SRE8−2000), вошедшая з IPCC-20G1. Во-вторых, применяли различные модели — в отдельности и в ансамблях. Климатические модели постоянно совершенствуются, появляются новые или модифицируются ранее разработанные. Со времени выхода в свет третьего оценочного доклада МГЭИК (IPCC-2001) произошла смена поколений моделей общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО). В рамках подготовки доклада IPCC-2007 был организован проект по анализу расчетов климата с помощью МОЦАО, CMIP3 (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, А1 В и В1 в соответствии с номенклатурой МГЭИК (SRES-2000).

Гидрологические последствия глобального потепления климата на территории России с помощью нового поколения МОЦАО («модели СМ1РЗ») исследованы в ГГИ (2007, 2008). Были использованы 3 МОЦАО из комплекта CMIP3 и получены оценки 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, Печорь: и Сев. Двины. Другая значимая разработка по оценке изменений речного стока в XXI зеке на основе реализаций 13 МОЦАО CMIP3 сделана в ГГО им. А. И. Воейкова (2008) для крупных регионов России и водосборов, в т. ч. Балтийского, р. Волги, ЕТР в целом, северного и южного склона Восточно-Европейской равнины. Аналогичные ■-•оценхк 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 ВосточноЕвропейской 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 2°х2° для сравнимости результатов численного моделирования. Использована также база станционных данных по ежесуточным величинам осадков и температур базисного периода 1961;1989гг. (667 5 метеостанций, работающих в системе международного обмена информацией). Эта база данных также организована по сетке 2°х2° 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 бананса (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 2001 г.

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 промежуточных 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 № 012.06.3 969 ПН-06 «Закономерности гидрологических процессов в водных объектах суши», гранта по НШ 4964.2008.5, грантов РФФИ № 07−05−939 и № 09−05−13 562, 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, 7.

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 «Молод! науковщ —географ!чнш наущ» (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.

Основные выводы диссертационного исследования.

1) Изменения среднего годового стока («нормы») на середину XXI в. в общих чертах имеют зональное распределение: в области избыточного увлажнения возможно как его повышение, так и понижение. Южнее повсюду статистически значима тенденция понижения стока, относительно плавно усиливающаяся к югу, вплоть до катастрофических размеров (снижение водности в 2 раза). В конце XXI века эта закономерность в целом сохраняется, география изменений несколько трансформируется за счет расширения северной «зоны неопределенности» и южной зоны катастрофического снижения водности.

2) Коэффициент вариации (Cv) годового стока на основной части территории в середине XXI века оценивается в пределах от 1,0 до 1,2 современных значенийна северной окраине возможно небольшое снижение его значений — в пределах 0,9−1,0 от современных. К концу XXI века тенденция увеличения Cv захватывает практически всю территорию Восточно-Европейской равнины, в среднем Cv достигает величин от 1,0−1,2 до 1,2−1,4 современных значений, а на равнинах Северного Кавказа 1,4−1,6.

3) Повторяемость критически маловодных лет в области избыточного увлажнения практически не изменится к середине XXI века, а местами может даже снизиться. К концу XXI века повторяемость маловодных лет возрастает здесь примерно в 2 раза, за исключением северо-восточных окраин, где она останется неизменной или может снизиться. Южнее 55° с.ш. повторяемость маловодных лет в середине XXI века возрастет — преимущественно в 2 раза (до 4−5 раз в засушливых районах). В конце XXI века эта тенденция будет усиливаться.

4) Максимальные снегозапасы (Smax) на Восточно-Европейской равнине будут повсеместно снижаться к середине XXI века, кроме северо-восточных территорий (примерно к северо-востоку от линии Петербург-Оренбург). На юге и западных окраинах Smax снижается в 2 раза, на остальной части снижение в 1,2−1,5 раза. Для конца XXI века тенденция снижения несколько усиливается на всей территории Восточно-Европейской равнины.

5) Изменения слоя весеннего половодья в XXI веке географически распределены примерно таким же образом, но области сильного снижения занимают более обширные территории, а на западных и южных окраинах снижение в конце XXI века возможно в 3−5 раз. При неблагоприятном варианте потепления здесь весеннее половодье может исчезнуть как фаза водного режима, а холодный период года будет представлять собой последовательность снего-дождевых паводков.

6) Сильное увеличение Cv слоя весеннего половодья на середину XXI века ожидается на западных-юго-западных и северо-восточных окраинах европейской территории РФ — в 1,5−2,5 раза. На остальной территории ЕТР Cv будет находиться, в диапазоне 0,5−1,5 от современных значений.

7) Комбинация изменений среднемноголетних величин слоя весеннего половодья h и Cvh дает разнообразные оценки вероятности критически маловодных половодий. Общий итог сводится к следующему: за исключением северо-восточных окраин ЕТР фонового повышения вероятности аномально многоводных половодий в.

134 середине XXI века не ожидается. На северо-востоке возможно увеличение этой вероятности до 2 раз.

8) Наиболее значимое влияние климатических изменений речного стока на хозяйственную деятельность на европейской части ЕТР — тенденция к снижению водных ресурсов. В средней полосе это может быть заметным или весьма ощутимым в зависимости от напряженности водохозяйственного баланса. В уязвимом положении здесь могут оказаться промышленно развитые и густо населенные области. На южной половине ЕТР можно уверенно прогнозировать повсеместное ухудшение водообеспеченности, особенно в основных сельскохозяйственных областях из-за ожидаемого роста потребностей в воде в связи с усилением засушливости климата. Негативные последствия общего снижения водности рек усугубляются здесь сильным увеличением повторяемости критически маловодных лет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.