Многолетние колебания стока р. Лена и распространения речных вод на шельфе моря Лаптевых

Многолетняя изменчивость речного стока является частью сложной, находящейся в состоянии относительного равновесия, единой системы природных процессов. Для исследования закономерностей, определяющих поведение этой системы важно учитывать как гидрологические, так и атмосферные процессы. Естественные климатические колебания, усиленные антропогенным воздействием, привели к увеличению температуры воздуха на Земном шаре с 18 60 на 0.6 °С, причем наибольшая интенсивность этих изменений зафиксирована для высоких широт Северного полушария [1, 2, 3, 4]. В этой связи анализ вопросов многолетней изменчивости стока рек на базе гидрометеорологических данных, вобравшей в себя наблюдения в течение последнего столетия, становится особенно актуальным в настоящее время и является одной из задач, поставленных в диссертационной работе. Именно, речной сток интегрирует влияние обширных водосборных бассейнов и, следовательно, является единым индикатором значительных пространственных изменений. На территории бассейнов рек, впадающих в море Лаптевых, увеличение температуры оказывает первостепенное воздействие не только на основные метеорологические составляющие круговорота воды (испарение и осадки), но и на состояние подстилающей поверхности, которая сложена преимущественно многолетнемерзлыми породами. Результаты моделирования потенциального отклика речных водосборов Арктического региона на потепление климата показывают, что наибольшему воздействию подвергается мощность деятельного слоя [5, б]. При анализе профилей температуры в многолетнемерзлых породах, Лахенбрух и Маршалл [7] обнаружили потепление в течение последних десятилетий от 2 6 до 4 °C на обширных территориях Аляски. В бассейне Лены наблюдается увеличение продолжительности безморозного периода и увеличение температуры почвы на глубинах, по крайней мере, до 2 м [8, 9]. Кане и др. [10] провели исследование реакции динамики деятельного слоя на увеличение температуры почв. Результаты модельных экспериментов показали, что в летний период глубина протаивания пород увеличивается в среднем на 2 0−40 см. Увеличение глубины слоя сезонного протаивания во многом определяет величину подземного питания и сказывается, в первую очередь, на водном режиме маловодного периода [8, 11, 12]. Этот процесс в последнее время рассматривают как одну из причин значительного увеличения зимнего стока Сибирских рек: Лена -25%, Енисей — 40%, Обь — 15% [8, 11, 13]. Однако, убедительные доказательства увеличения подземного стока в зимний период, основанные на материалах наблюдений, отсутствуют, а механизм, определяющий столь значительные изменения сезонного зимнего стока крупнейших рек Сибири, остается дискуссионным. В этой связи, особенно важным представляется исследование сезонного стока рек бассейна моря Лаптевых в условиях изменений климатических стокообразующих факторов, основанное непосредственно на анализе данных наблюдений, а не на результатах моделирования. Использование материалов по температуре воздуха и осадкам, накопленных за последнее столетие на территории исследуемого района, позволяет выявить тенденции в многолетних колебаниях этих элементов, и далее посредством статистических методов и метода водного баланса проанализировать значимость этих изменений для стоковых рядов. 7.

Пресноводный баланс CJIO является одним из наиболее чувствительных к глобальным изменениям климата компонентов [14, 15, 16, 17]. Основные составляющие его пресноводного бюджета: водообмен с Атлантическим и Тихим океаном, речной сток, образование и таяния льда, влагообмен с атмосферой. Речной сток выступает в качестве основного источника пресных вод в CJIO и оценивается приблизительно в 330 0 км3/год или 10% от мирового речного стока [18, 19]. Для морей Сибирского шельфа основным источником распреснения является сток Енисея (603 км3/год), Оби (530 км3/год), Лены (520 км3/год), который в сумме составляет почти половину всего материкового стока в CJIO. По данным Антонова [2 0], годовой слой материкового стока в море Лаптевых в среднем составляет 155 см. Следствием большого материкового стока является формирование в обширных районах моря резкого скачка плотности на границе раздела речных и морских вод и существование специфической термохалинной циркуляции. Режим распространения речных вод в морях российской Арктики является весьма сложным многофакторным процессом. Несмотря на большое число публикаций, которые в основном относятся к 50-м — 80-м годам XX века, до настоящего времени этот процесс остается недостаточно изученным. В настоящей работе проводятся исследования межгодовой изменчивости распространения материковых вод в море Лаптевых в зависимости от преобладающего режима атмосферной циркуляции.

Таким образом, целью работы является исследование многолетних колебаний годового и сезонного стока рек бассейна моря Лаптевых в условиях изменения состояния основных стокообразующих факторов и оценка степени влияния многолетних колебаний речного стока на термохалинную структуру восточной части моря Лаптевых. 8.

Основные задачи работы вытекают из ее цели и заключаются в следующем: исследовать многолетние колебания метеорологических стокообразующих факторов на территории рек бассейна моря Лаптевых;

— исследовать многолетние колебания годового и сезонного стока рек бассейна моря Лаптевыхоценить влияние трендов в изменениях температуры воздуха и осадков на формирование речного стокаисследовать многолетние закономерности распространения речных вод на устьевом взморье Лены.

Методика исследования включает приемы статистического и генетического анализа, а также использование географо-гидрологического подхода при обобщении данных по территории. Анализ большого объема исходной гидрометеорологической информации предполагает применение количественных критериев оценки временной изменчивости рядов, в качестве которых использовались статистические критерии внутрирядной однородности, обобщенные на случай автокоррелированной во времени и асимметричной гидрологической информации. Оценка степени влияния изменений в многолетнем ходе метеорологических факторов на формирование речного стока основана на воднобалансовом подходе.

Методика исследования распространения речных вод на шельфе моря Лаптевых основана на количественной оценке теплои солесодержания морских вод в разных слоях и районах приустьевой области с последующим сравнением этих величин с объемами речного стока. Техническая реализация расчета интегральных характеристик тепла и соли морских вод проводилась на основе геоинформационной системы моря.

Лаптевых, созданной автором в рамках настоящей работы. В 9 качестве программного обеспечения для создания и работы с ГИС использована группа программ ArcGis, разработанная ESRI.

На защиту выносятся следующие положения:

1) утверждение о незначительном влиянии повышения среднегодовой температуры воздуха на территории Восточной Сибири на формирование годового и сезонного стока воды рек бассейна моря Лаптевых;

2) антропогенное воздействие как основной фактор увеличения зимнего стока на 30% на замыкающем створе р. Лена с 1970 года;

3) режим воздействия многолетних колебаний водности р. Лена на термохалинную структуру шельфовых вод имеет неоднозначный характер и определяется преобладающим режимом атмосферной циркуляции над СЛО;

4) утверждение о незначительном влиянии увеличившегося зимнего стока на термохалинный режим морских вод приустьевой области.

Структурно работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 118 наименований, 25 рисунков и 11 таблиц, а также приложения из 5 таблиц и 5 6 рисунков. Объем работы без учета приложения составляет 12 0 страниц.

Первый раздел работы посвящен анализу физико-географических условий формирования стока рек бассейна моря Лаптевых и носит обзорный характер. В первом подразделе рассмотрены климатические факторы формирования стока и их особенности для разных районов исследуемой территории. Проанализировано влияние аномалий климатических вариаций, выраженных в увеличении температуры воздуха в высоких широтах Северного полушария, на гидрологические процессы в районе, где характерно повсеместное распространение.

10 многолетнемерзлых пород. Динамика сезонноталого слоя, морфология мерзлой зоны и их влияние на формирование стока рассматриваются во втором подразделе. Третий подраздел посвящен описанию особенностей геологического строения, в частности областям сильного проявления карста. Несмотря на то обстоятельство, что территория Восточной Сибири освоена довольно-таки слабо в силу своей удаленности от Центральной России, здесь активно развивается горнодобывающая промышленность и комплекс сопутствующих ей производств, оценке влияния которых на экосистему Лены посвящен четвертый подраздел. В пятом подразделе приведена физико-географическая характеристика устьевой области р. Лены с акцентом на район устьевого взморья и шельфа моря Лаптевых.

Второй раздел посвящен анализу стационарности основных климатических стокообразующих факторов (осадки и температура воздуха) на территории водосборных бассейнов рек Лена, Оленек, Анабар, Яна. В первом подразделе рассмотрены вопросы целесообразности применения в расчетах на территории водосборного бассейна Лены метеорологических элементов уникальной всемирной базы данных общего доступа, созданной в рамках совместного проекта ЫСЕР и ЫСАБ.- даны рекомендации по ограничению использования данных по атмосферным осадков. Во втором подразделе описаны статистические методы оценки стационарности временных рядов с точки зрения анализа гидрометеорологической информации. Результаты расчета критериев однородности и случайностианализ стационарности рядов на основании полученных оценок и исследование направленных тенденций в колебаниях температуры воздуха, осадков приведены в третьем подразделе.

В третьем разделе диссертации освещены вопросы многолетней изменчивости годового и сезонного стока рек.

11 бассейна моря Лаптевых на базе анализа обширных материалов наблюдений. Распределение станций по территории, продолжительность наблюдений кратко описаны в первом подразделе. Во втором подразделе проведен анализ пространственной однородности многолетних колебаний стока на базе сравнения разностных интегральных кривых годовых расходоввыделены районы с синхронными колебаниями стока. В третьем подразделе проведен анализ стационарности временных рядов годового стока, стока в отдельные гидрологические сезонысделаны выводы об антропогенном характере причин нестационарности большинства стоковых рядов. В четвертом подразделе описаны методы расчета элементов водного баланса и на основе метода водного баланса исследована реакция однородных районов формирования стока на положительный тренд в рядах метеорологических стокообразующих факторовсделаны выводы об определяющем влиянии смены эпохи атмосферной циркуляции на изменения запасов влаги бассейна.

В четвертом разделе представлены закономерности распространения речных вод на шельфе моря Лаптевых. Первый подраздел посвящен описанию исследований в этой области и носит обзорный характер. Описание использованных в расчетах данных и обоснование расчетных методов приведено во втором подразделе. В третьем подразделе выделено два основных режима распространения речных вод в поверхностном слое приустьевой области, которые определяются условиями атмосферной циркуляции над СЛО. В четвертом подразделе исследована роль материкового стока в формировании термического режима придонного слоя в летний период. В первой части подраздела приведена характеристика субаквальной зоны моря Лаптевых, как природного объекта, наиболее чувствительного к вариациям термического режима.

12 придонного слоя. Во второй части показаны механизмы, влияющие на формирования термического режима придонного слоя и роль речного стока в этих процессах. В последнем подразделе исследовано влияние зимнего стока Лены на содержание соли и тепла в верхнем слое моря в приустьевой областисделаны выводы о том, что солевой и термический режим морских вод в зимний период слабо зависит от динамики зимнего стока, даже увеличившегося по абсолютному значению на 30%.

В заключении приведены научные результаты работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на международной конференции «Climate drivers of the North», г. Киль, Германия (2002) — на международной конференции «Экстремальные криосферные явления: фундаментальные и прикладные аспекты», г. Пущино, Россия (2002) — на итоговой сессии Ученого Совета РГГМУ (2002) — на научном семинаре в Центре морских геонаук при Кильском Университете, Германия (2001) — на итоговой сессии лаборатории морских и полярных исследований им. Отто Шмидта, г. Санкт-Петербург (2001) — на международной летней школе «Динамика жидкости в прибрежных морях, озерах и закрытых водоемах» в г. Аоста, Италия (2001), на шестом рабочем совещании по проекту «Система моря Лаптевых» г. Санкт-Петербург (2000) — на научных семинарах кафедры гидрологии суши РГГМУ.

Работа поддерживалась стипендией Президета Российской Федерации для обучения за рубежом и грантами совместной российско-германской лаборатории полярных и морских исследований им. Отто Шмидта в рамках научно-исследовательских проектов: Термический режим придонного слоя моря Лаптевых и его влияние на подводную мерзлоту.

2001;2002 гг.), Вертикальный обмен в условиях стратифицированной жидкости: влияние на формирование гидрологического и ледового режимов и перераспределение взвешенных седиментов (2000;2001 гг.).

Работа проводилась в период с 1999 по 2002 год на кафедре гидрологии суши гидрологического факультета РГГМУ под научным руководством профессора, доктора географических наук A.M. Владимирова, которому автор выражает глубокую признательность за постоянное внимание и поддержку. Консультации и замечания сотрудников кафедры гидрологии суши, в особенности проф., д.г.н. A.M. Догановского и доц., к.г.н. A.B. Сикана, весьма способствовали успешному завершению работы над диссертацией. Автор выражает искреннюю признательность за обсуждения работы и критические замечания сотрудникам Арктического и антарктического НИИ к. ф.- м. н. И. А. Дмитренко, С. А. Кириллову, Е. И. Поляковой, А. П. Лисицину, E.H. Абрамовой, А. П. Макштаса, Е. Е. Талденкову. Большая помощь в сборе материала для исследований была оказана В. А. Грибановым. Значительная часть исследований была выполнена в рамках стипендии президента Российской Федерации, которая позволила использовать технологическую и научную базу Центра морских геонаук при Кильском университете (г.Киль, Германия). Этому в значительной мере способствовали сотрудники международного отдела РГГМУ В. М. Архангельский и A.M. Богуш. Автор выражает признательность за обсуждения результатов работы и ценные замечания немецким коллегам докторам философии Е. Холеману, 1 К. Вегнер, А. Херцих, Р. Хефу, Х. Кассенс, Т. Мюллер-Лупа и Х.Бауху. Неоценимая техническая поддержка во время подготовки диссертации была оказана лабораторией полярных и морских исследований им.

Otto Шмидта. Всем перечисленным лицам автор выражает глубокую и искреннюю благодарность.

По результатам диссертационного исследования опубликовано 11 печатных работ:

1. Межгодовая изменчивость распространения речных вод на шельфе моря Лаптевых в условиях различной атмосферной циркуляции // Доклады Академии Наук.- 2002. Т.38 6. № 1. (в соавторстве с Дмитренко И. А., Кириллов С. А., Грибанов В. А., Кассенс X.).

2. Межгодовая изменчивость термического режима придонного слоя воды в условиях различной атмосферной циркуляции // Материалы международной конференции «Экстремальные криосферные явления: фундаментальные и прикладные аспекты».-2002. С.72−73. (в соавторстве с Дмитренко И. А., Кириллов С.А.).

3. Роль баротропных колебаний уровня моря в формировании режима течений восточной части моря Лаптевых // Доклады Академии Наук.-2001.-Т.377. № 1. С. 101−107. (в соавторстве с Дмитренко И. А., Хьюлеманн Й., Кириллов С. А., Кассенс X.).

4. Закономерности распространения речных вод на шельфе моря Лаптевых // Материалы Итоговой сессии Ученого Совета РГГМУ.- 2002. С. 73−75 (в соавторстве с Дмитренко И. А., Кириллов С.А.).

5. Роль речного стока в межгодовой изменчивости распространения припайного льда в Российской Арктике // Метеорология и гидрология.- 2000. № 3. С.85−94. (в соавторстве с Дмитренко И. А., Волков Д. Л., Грибанов В. А., Д. Кассенс X.).

6. Термический режим придонного слоя моря Лаптевых и процессы, его определяющие // Криосфера Земли.- 2001. Т. 5.

3. С.23−29. (в соавторстве с Дмитренко И. А., Хьюлеманн Й., Кириллов С. А., Грибанов В. А., Кассенс X.).

7. The Laptev Sea shelf hydrography under the variable atmospheric forcing during summer // Proceedings of the Climate Drivers of the north: International Conference, Kiel, Germany, May 8−11, 2002 (в соавторстве с Dmitrenko I.A., Kiri1lov S.A.).

8. The drivers of Siberian Arctic shallow seas hydrography within the scale of seasonal and inter annual variability // Proceedings of the Climate Drivers of the north: International Conference, Kiel, Germany, May 8−11, 2002 (в соавторстве с Dmitrenko I.A., Holemann J., Kirillov S.A., Eicken H., Kassens H.).

9. Wind-forced currents as a linkage between the Laptev Sea (Siberia) and the Arctic Ocean // Proceedings of the American Meteorological Society 11th Conference on Interaction of the Sea and Atmosphere and Sixth Conference on Polar Meteorology and Oceanography, San Diego, California, USA, 2001. (в соавторстве с Dmitrenko I. A., Holemann J.A., Kirillov S.A., Eicken H., Kassens H.).

10. Dynamics of currents in the eastern Laptev Sea in the terms of fractal analysis of the ADCP records // Fifth Workshop on Russian-German Cooperation: Laptev Sea System.-Koln, 1999 (в соавторстве с Dmitrenko I.A., Gribanov V.A., Volkov D.L., Kassens H.).

11. The role of hydrometeorological factors in the interannual variations of the fast' ice ex-tent in the Laptev Sea // Fifth Workshop on Russian-German Cooperation: Laptev Sea System.- Koln, 1999 (в соавторстве с Dmitrenko I. A., Holemann J.A., Kirillov S.A., Kassens H.).

Основные результаты данной главы сводятся к следующему:

1. На основе данных многолетних летних океанографических наблюдений выделено два основных режима распространения речных вод на шельфе моря Лаптевых, связанных с циклонической и антициклонической атмосферной циркуляцией [118];

2. В условиях циклонического режима циркуляции речной сток вызывает распреснение поверхностного слоя пропорционально его объему. Нагонные ветра препятствуют распространению линзы речных вод на север (даунвелинг поверхностных вод), а вовлечение нижележащих соленых вод ослаблено из-за статичности пресноводной линзы [118]. Динамика речного стока практически не оказывает влияние на термический режим придонного слоя морских вод.

3. В условиях антициклонического режима циркуляции речной сток приводит к интегральному осолонению поверхностного слоя воды вследствие вовлечения нижележащих соленых вод за счет динамического эффекта распространения речной линзы и апвелинга морских вод под действием сгонных ветров. Компенсационное течение, вызванное движением речных вод и усиленное реверсивными течениями, приводит к осолонению и увеличению теплосодержания придонного слоя [118] .

4. Термохалинный режим приустьевой зоны моря Лаптевых в зимний период слабо зависит от динамики зимнего стока, даже увеличившегося по абсолютному значению на 3 0%.

Заключение

.

Для исследования многолетних колебаний стока рек бассейна моря Лаптевых привлечены обширные натурные данные по метеорологии, гидрологии и океанологии. Основная часть материалов охватывает период, не достигающий столетия, в течение которого не обнаружено общей для всех элементов тенденции к изменению естественного режима, но выявлены определенные направленные изменения для отдельных характеристик, которые сводятся к следующему:

1) Эмпирические данные свидетельствуют, что для территории исследуемого района характерно повышение среднегодовой температуры воздуха с 197 6 года. Этот процесс в значительной мере отразился на стационарности рядов среднегодовой температуры воздуха продолжительностью 65−80 лет, и является причиной того, что для 60% исследованных рядов гипотеза о временной однородности по выборочному среднему опровергается при 5% уровне значимости. В многолетних колебаниях сумм годовых осадков выделен период повышенного выпадения осадков с середины шестидесятых годов до настоящего времени, который обусловлен сменой циркуляционных эпох по типизации Вангенгейма-Гирса, а именно периодом усиления формы макропроцесса Е.

2) На основе анализа элементов водного баланса, а также исследования структуры рядов статистическими методами показано, что повышение температуры воздуха не отразилось на процессе формирования годового стока воды крупных водосборов, по крайней мере, до 90-х годов прошедшего столетия.

3) Изменения суммарных влагозапасов крупных речных бассейнов: Алдана, Вилюя, вернего течения Лены до ст. Солянка, характеризуются общими для всех трех районов тенденциями. Период уменьшения влагозапасов речных бассейнов до середины б 0-х годов и следующий за ним до настоящего времени период накопления запасов влаги обусловлен особенностями многолетней динамики осадков. Полизональность этого процесса свидетельствует о крупномаштабных изменениях в системе атмосферных процессов и совпадает со сменой преобладающей эпохи атмосферной циркуляции.

4) Анализ временной структуры рядов речного стока бассейнов крупных и малых рек в летний и осенний сезоны свидетельствует об отсутствии нарушений естественного режима. В осенний и, особенно, зимний сезон, когда реки переходят преимущественно на подземное питание, наиболее вероятные причины, вызывающие нарушение внутрирядной однородности стоковых рядов, связываются с факторами, обуславливающими изменения уровней подземных вод дренируемых реками горизонтов. В силу того, что большинство рек исследуемой территории характеризуются стационарными колебаниями водности в маловодный период, сделан вывод об отсутствии значимых изменений естественного режима подземного питания больших и малых рек бассейна моря Лаптевых вследствие деградации многолетнемерзлых пород.

5) Единственной причиной, вызвавшей направленные изменения, а именно увеличение на 30%. зимнего стока одной из крупнейших рек мира Лены, является водохозяйственное регулирование стока ее левого притока реки Вилюй, сток которой на замыкающем створе вырос в 8.5 раз.

6) Солевой и термический режим морских вод приустьевой области р. Лены в зимний период слабо зависит от динамики.

108 зимнего стока, даже увеличившегося по абсолютному значению на 30%.

7) Влияние многолетних колебаний водности Лены в летний сезон на морские воды приустьевой области имеет неодназначный характер и определяется режимом атмосферной циркуляции над арктическим бассейном в соответствии с классификацией Прошутинского и Джонсона.

8) В условиях циклонического режима циркуляции (19 641 971, 1980;1983, 1989;1993) речной сток вызывает распреснение поверхностного слоя пропорционально его объему. Нагонные ветра препятствуют распространению линзы речных вод на север (даунвелинг поверхностных вод), а вовлечение нижележащих соленых вод ослаблено из-за статичности пресноводной линзы. Термический режим придонного слоя практически не зависит от динамики речного стока в этот период.

9) В условиях антициклонического режима циркуляции (1972;1979 и 1984;1988) речной сток приводит к интегральному осолонению поверхностного слоя воды вследствие вовлечения нижележащих соленых вод за счет динамического эффекта распространения речной линзы и апвелинга морских вод под действием сгонных ветров. Компенсационное течение, вызванное движением речных вод и усиленное реверсивными ветровыми течениями, приводит к осолонению и увеличению теплосодержания придонного слоя.