CC BY
66
УДК 551.583+551482.215.7+519.6 В.И. Кузин, Н.А. Лаптева СГГ А, Новосибирск
МОДЕЛИРОВАНИЕ КЛИМАТИЧЕСКОГО РЕЧНОГО СТОКА ДЛЯ СИБИРСКОГО РЕГИОНА
V.I. Kuzin, N.A. Lapteva
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
MODELLING OF THE CLIMATIC RIVER RUNOFF FOR THE SIBERIAN REGION
The paper is dedicated to the study of some aspects of the hydrological processes influence to the climatic system. In particular, the role of the Arctic Ocean as well as the influence of the Siberian rivers discharge to the climatic changes is discussed. The linear reservoir hydrological discharge model constructed as part of the regional climatic model for the Siberian region is presented in the paper. The comparison of the simulated river runoff with the climatic data is also discussed.
Введение.
Глобальный гидрологический цикл, в атмосфере и океане играет важнейшую роль в определении климатического состояния на Земле. Атмосфера переносит на материки около 40 тыс. куб. км в год пресной воды. Над материками в этот объем добавляется еще 71 куб. км за счет испарения и транспирации растений. После выпадения осадков над материками сбалансированный возвратный сток c материков в океан, очевидно, составляет 40 куб. км и состоит в основном из речного стока и существенно меньшего количества стока грунтовых вод. Океан переносит эту воду с помощью механизма «конвеерного пояса» [1] из высоких и средних широт в тропические зоны, где они поступают в атмосферу за счет испарения. Атмосферные процессы переносят эту воду в средние и высокие широты, где она выпадает в виде осадков на океаны и материки и цикл повторяется. Для климата материков этот цикл имеет первостепенное значение, поскольку это связано с поступлением влаги на их поверхность и регулирует увлажненность почвы. Это является причиной того, что ряд программ Всемирной программы изменений климата WCRP и Программы глобальных изменений Global Change включают в себя обязательным разделом исследование гидрологического цикла и его изменений (проект Global Energy and Water Experiment - GEWEX). Особый интерес в последнее время уделяется региональным характеристикам гидрологического цикла и, в частности, в средних широтах.
Настоящая статья посвящена рассмотрению некоторых аспектов влияния стока Великих Сибирских рек на климатические изменения. В ней обсуждаются результаты расчетов, проведенные по климатической модели речного стока.
1. Роль Сибирских рек в гидрологическом цикле.
Основным компонентом упомянутого во введении «конвеерного пояса» является глубокая конвекция, происходящая в Лабрадорском и Гренландском морях, формирующая опресненную глубинную Атлантическую воду, которая распространяется в глубинных районах Атлантического океана на юг далее в Индийский и Тихий океаны в рамках реализации механизма глобального оборота воды. Причиной конвекции является вынос плотной холодной поверхностной воды из Арктического бассейна. Северный Ледовитый океан, составляя 5 процентов площади Мирового океана и 1.5 процентов объема, привносит в Мировой океан 10 процентов объема всей пресной воды около 10 тыс. куб. км в год [2]. Изменение потока пресной воды из Арктического бассейна может вызвать нарушение условий глубокой конвекции и, как результат, нарушение глобального гидрологического цикла. Существенным источником поступления пресной воды в верхний слой Северного Ледовитого океана, создающего условия для формирования льда является речной сток. В этой связи роль речного стока является важным фактором, влияющим на процессы переноса пресной воды. Основной вклад здесь дают Великие Сибирские реки, которые дают около 80 % всего объема воды по сравнению с поступлением от реки МакКензи и притоком распресненной воды через Баренцев пролив. Наибольший сток 603, 520 и 530 куб. км в год имеют реки Енисей, Лена, Обь соответственно.
В связи с этим, можно констатировать факт, что роль Сибирских рек в формировании климатической системы Земли весьма велика и для адекватного воспроизведения как регионального, так и глобального климата необходима разработка совместной атмосферной и гидрологической климатической модели.
2. Климатическая модель речного стока.
Разрабатываемая модель является линейной резервуарной моделью. Модель составлена из линейных резервуаров в ячейках сетки. Это означает, что скорость стока из ячейки линейно зависит от притока и пропорциональна наклону в ячейке и обратно пропорциональна расстоянию между центрами ячеек. Скорость изменения стока из ячейки или каскада ячеек в простейшем варианте модели Калинина-Милюкова [4, 6] определяется на основе последовательного решения обыкновенных дифференциальных уравнений.
В конкретной реализации модели использовалась структура, предложенная в институте Макса Планка в Гамбурге [6]. В этом подходе поток воды на суше разделяется на три составляющие: поверхностный сток, грунтовый сток, речной сток. В каждой ячейке производится учет процентного содержания болот и озер.
2. Результаты моделирования.
При проведении численных экспериментов по климатической модели речного стока было выбрано разрешение, соответствующее разрешению в региональной климатической модели ЕСБ1Ь, разработанной в ИВМиМГ СО РАН, и составляющее 0.3*0.3 градуса по широте и долготе соответственно. Модель речного стока покрывает Сибирский регион по
долготе от Урала до Дальнего Востока и по широте от Северного Казахстана до Северного Ледовитого океана. В модели учитывались бассейны рек: Обь -Иртыш, Пур, Ангара - Енисей, Лена, Индигирка, Колыма, Анадырь, Амур. Данные климатической модели о рельефе поверхности были откорректированы с учетом однозначности направления стока из каждой ячейки сетки. Ячейки поверхностного и грунтового стока представлялись в модели как отдельные резервуары, а ячейки речного стока задавались как каскад резервуаров. Учет болот и озер осуществлялся на основе обработки массива глобального распределения болот и озер [7, 8].
Для выбранного варианта модели стока необходимо задание следующих входных параметров: осадки; испарение, переходы из жидкой в твердую фазы и обратно, инфильтрация в почву. Эти данные были взяты из расчетов климатической модели ИВМ РАН. В качестве контрольных данных использовались климатические данные годовых расходов сибирских рек Атласа Арктики [9] и данные о среднемесячных стоках полученных постами Гидрометслужбы на створах Обь-Салехард, Енисей-Игарка и Лена-Кюсюр. Длина рядов составляла период 1936 - 1990 гг. Данные для каждого месяца были осреднены за указанный период и полученные значения для каждого месяца были приняты за климатические значения.
600
500 -
400 -300 -200 -100 -0 -
3
Рис. 1. Годовые расходы по рекам, км
Обь-Салехард Енисей-Игарка Лена-Кюсюр
Ш Среднеклиматические данные □ Данные моделирования
Рис. 1 дает сравнение данных моделирования с данными, полученными осреднением данных расходов на створах Обь - Салехард, Енисей - Игарка, Лена - Кюсюр. Результаты анализа годовых стоков
говорят о хорошем качестве воспроизведения суммарных годовых осадков в климатической модели ИВМ РАН.
Далее, представляет интерес рассмотреть поведение гидрографа в течение климатического года в сравнении с данными измерений. На рис. 2 представлен годовой ход гидрографа для трех бассейнов. Можно видеть, что модельные и измеренные годографы имеют большие различия, как в амплитудах, так и в фазах. Так амплитуда годографа для Оби на створе Салехарда меньше климатических данных на 25 %, а наступление весеннего половодья опережает по фазе реальные на 0.5 месяца. В то же время, для Енисея амплитуда весеннего максимума существенно занижена при совпадении фаз. Для Лены рассчитанная амплитуда максимума втрое меньше с отставанием по фазе на два месяца. Отклонения в годовом ходе годографа для бассейнов Сибирских рек соотносятся с отклонениями, полученными по данным реанализа на основе модели Института Макса -Планка [10]. Эти различия требуют дальнейшего анализа. Одной из возможных причин отклонений в фазах весенних паводков является недостаточно адекватное описание структуры и скорости таяния снежного покрова.
Рис. 2. Сравнение месячных среднеклиматических расходов и результатов моделирования, км3: а - Обь - Салехард; б - Енисей - Игарка; в - Лена -
Кюсюр
Авторы выражают благодарность Е.Н. Володину за любезно предоставленные результаты расчетов по климатической модели ИВМ РАН, Д.А. Буракову и А.А. Фоменко за полезные обсуждения.
Работа поддержана программой ОМН РАН 1.3.9.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Broecker W.S. The great ocean conveyor / W.S. Broecker / Oceanoraphy. - 1991. -Vol. 4, No. 2, Р.79-89.
2. Иванов В.В. Водный баланс и водные ресурсы Арктического региона / В.В. Иванов / Труды ААНИИ. - 1976. - Т. 323, С. 4-24.
3. Бабкин В.И. Циклонические осадки и сток Оби и Енисея в маловодные и многоводные годы / В.И. Бабкин, А.Н. Постников / Метеорология и Гидрология. - 2003. -№ 12, С.79-85.
4. Бураков Д.А. К оценке параметров линейных моделей стока / Д.А. Бураков / Метеорология и гидрология. - 1989. - № 10, С. 89-95.
5. Кучмент Л.С. Математическое моделирование речного стока / Л.С. Кучмент / -Л.: Гидрометеоиздат, 1972. - 190 с.
6. Hagemann S. Hydrological discharge model / S. Hagemann, L. Dumenil / Technical report № 17, MPI, Hamburg. - 1998. - 42 p.
7. Cogley J.G. GGHYDRO - Global Hydrographic Data, Release 2.1 / J.G. Cogley / Department of Geography, Trent University, Peterborough, Ontario, Canada. - 1994.
8. Matthews E., Fung I. Methane emissions from natural wetlands: Global distribution, area, and environmental characteristics of sources / E. Matthews / Global Biogeochem. Cycles 1. -1987. - № 1.
9. Атлас Арктики / Под ред. А.Ф. Трешникова. - М.: ААНИИ, 1985. - 204 с.
10. Hagemann S. Validation of the hydrological cycle of ECMWF and NCEP reanalyses using the MPI hydrological discharge model / S. Hagemann, L. Dumenil / J. Geophys. Res. -2001. - Vol. 106, p. 1503-1510.
© В.И. Кузин, Н.А. Лаптева, 2008
