О динамике Санкт-Петербургских наводнений в различные климатические периоды и оценке изменений уровня Финского залива при ожидаемом глобальном потеплении Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ГЕОГРАФИЯ

УДК 504.38

А. А. Павловский, Г. В. Менжулин

0 ДИНАМИКЕ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИХ НАВОДНЕНИЙ В РАЗЛИЧНЫЕ КЛИМАТИЧЕСКИЕ ПЕРИОДЫ

И ОЦЕНКЕ ИЗМЕНЕНИЙ УРОВНЯ ФИНСКОГО ЗАЛИВА ПРИ ОЖИДАЕМОМ ГЛОБАЛЬНОМ ПОТЕПЛЕНИИ

Экстремальные природные явления гидрометеорологического происхождения, к которым относятся наводнения, ежегодно наносят существенный ущерб как глобальной экономике, так и народному хозяйству нашей страны. Согласно данным ООН, экономические потери от экстремальных явлений гидрометеорологического происхождения составляют 70% суммарного ущерба от воздействия природных катастроф и стихийных бедствий. Например, в США в течение периода 1980-2005 гг. произошло 12 наводнений, не связанных с тропическими циклонами, ущерб от которых составлял более

1 млрд долларов. Общая сумма ущерба от данных наводнений составила 55 млрд долларов (http://www.ncdc.noaa.gov). Существуют опасения, что существующая ситуация, вследствие влияния происходящих изменений глобального климата, может обостриться в ближайшем будущем. Подтверждением этому служит тот факт, что в последние десятилетия отмечается увеличение общего количества экстремальных гидрометеорологических явлений как во всем мире, так и в России. В конце XX — начале XXI в. на большей части территории России наблюдалось увеличение максимальных расходов в периоды половодья. В 2001-2005 гг. во многих экономических районах России повторяемость высоких и катастрофических наводнений увеличилась на 15% по сравнению с последним десятилетием прошлого века [1, 2].

Начиная с основания Санкт-Петербурга, невские наводнения оказывают негативное влияние на его население и наносят существенный ущерб экономике города. Во время наводнения 1824 г. было разрушено 324 дома, повреждено 3257 разных строений (половина из всех имевшихся). Из 94 судов, стоявших в гавани, удалось спасти только 12. Утонуло 3600 голов скота, испорчено 900 тысяч пудов муки и т.д. Общий ущерб достигал весьма значительной для того времени суммы — около 20 млн рублей, погибли 208 человек (по другим данным — 569 человек). Во время наводнения 1924 г. почти 2/3 территории Ленинграда оказались под водой. Частично или полностью были также затоплены Лахта, Лисий Нос, Стрельна, Петродворец, Ломоносов, Сестрорецк и в особенности Кронштадт. Экономике города был нанесен большой урон: повреждено свыше 5000 домов, снесено 19 мостов, выброшено на берег более 100 судов, разрушено

2 млн м2 мостовых, под канализационной системой образовалось около 3000 провалов и т. д. 15 000 семей были вынуждены временно покинуть свои жилища. К счастью, число человеческих жертв было незначительным [3].

© А. А. Павловский, Г. В. Менжулин, 2010

В Санкт-Петербурге за наводнение принят подъем воды выше 160 см над нулем Кронштадтского футштока. Наводнения делятся на опасные (161-210 см), особо опасные (211-299 см) и катастрофические (300 см и выше) (http://www.meteo.nw.ru/).

Считается, что первое упомянутое в письменных источниках наводнение относится к 1061-1064 гг., временам киевского князя Изяслава Ярославовича. По косвенным историческим данным установлено, что значительные подъемы воды в устье Невы происходили в 1300, 1540-1541, 1555, 1594 и 1691 гг. Наиболее крупные наводнения произошли в 1824 (7 (19) ноября, 421 см выше ординара), 1924 (23 сентября, 380 см), 1777 (10 (21) сентября) 321 см), 1955 (15 октября, 293 см), 1975 (29 сентября, 281 см) гг. (http://www.semiotic.ru/).

Невские наводнения уже более трех столетий привлекают к себе пристальное внимание исследователей. По данной проблеме выполнено большое количество теоретических и прикладных научных исследований. По современным представлениям, механизм возникновения невских наводнений состоит в том, что циклоны, пересекающие Балтийское море с юго-запада на северо-восток, формируют особого рода «медленную» нагонную волну и увлекают ее в направлении устья Невы, где она встречается с естественным течением реки. Подъем воды усиливается из-за мелководья и пологости дна в Невской губе, а также сужающегося к дельте Невы Финского залива. Также вклад в наводнения делают сейши, ветровые нагоны и другие факторы [3].

За трехвековую историю существования Санкт-Петербурга было предложено много разнообразных теорий, объясняющих природу наводнений следует и способов защиты города от них. Среди планов защиты территории города от наводнений следует отметить план директора департамента водных коммуникаций Б. К. Миниха (1-я половина XVIII в.), план директора Петербургского института путей сообщения П. Д. Базена (1я половина XIX в.), план военного инженера Э.И.Тилло (http://www.semiotic.ru/). В 1979 г. было начато строительство Комплекса защитных сооружений (КЗС) Санкт-Петербурга от наводнений, представляющего собой совокупность дамб, водопропускных и судопропускных сооружений, расположенных поперек вершины Финского залива от г. Ломоносова до г. Сестрорецка (поселок Горская), через остров Котлин. Согласно Распоряжению Правительства РФ № 1854-р от 29 декабря 2006 г., завершить строительство КЗС планируется в 2012 г.

В соответствии с законом Санкт-Петербурга «О Генеральном плане Санкт-Петербурга. .. » установлены следующие горизонты высоких вод при наводнениях: для 1% обеспеченности-----+ 345 см в Балтийской системе (далее — БС) в естественных усло-

виях и +190 см БС при наличии защитных сооружений; для 10% обеспеченности — + 238 см БС в естественных условиях и + 153 см БС при наличии защитных сооружений.

Следует отметить, что с вводом в эксплуатацию защитных сооружений от наводнений будет защищено побережье Невской губы и острова дельты Невы, при этом для прибрежных территорий Курортного района Санкт-Петербурга, активно развивающихся в настоящее время, данная проблема по-прежнему останется острой.

Интересна историческая динамика невских наводнений. Отметим, что в настоящее время существует несколько каталогов петербургских наводнений. В данном исследовании был выбран каталог наводнений, приведенный на сайте, посвященном реке Неве и Невской губе (http://www.nevariver.ru/). В каталоге присутствуют записи о 339 наводнениях: с 1691 по 16 ноября 2008 г.

Весь временной период наблюдений до 2008 г., был разделен нами на климатические периоды продолжительностью в 30 лет. На рис. 1 представлена динамика количества

наводнений принятых градаций в различные периоды. Отметим тот факт, что в последнее тридцатилетие общее количество наводнений было максимальным за всю историю наблюдений и составило 63, что более чем на 40% выше по сравнению с предыдущим периодом 1949-1978 гг. Кроме того, в последнее тридцатилетие более чем на 30%, по сравнению с периодами XIX и XX вв., возросло количество «особо опасных наводнений». Катастрофических наводнений в последний период не происходило.

Годовой ход количества наводнений в период 1979-2008 гг. также существенно отличается от средней динамики за прошлые периоды. Максимум повторяемости наводнений в последнее тридцатилетие сместился с осени на зиму, в несколько раз возросло их количество особенно в январе (рис. 2, табл. 1). Представленные примеры наводят на мысль, что причину подобных существенных изменений в общем количестве и годовой динамике невских наводнений, произошедших в последний период, следует искать в закономерностях глобальных и региональных изменениях климата.

Таблица 1. Годовая динамика количества наводнений в Санкт-Петербурге

в различные периоды

Период Месяцы За год

XII I И III IV V VI VII VIII IX X XI

1691-1708 1 1 1 — 4

1709-1738 5 2 — 1 — — — — 1 5 5 9 28

1739-1768 8 1 — — — 1 1 — 1 3 9 9 33

1769-1798 1 1 — — — — 1 — 2 2 6 3 16

1799-1828 2 — 1- — — — — — — 3 — 1 7

1829-1858 2 — 1 — — 1 1 — 1 6 10 4 26

1859-1888 9 5 1 — — 3 3 1 4 5 10 11 52

1889-1918 4 2 1 1 1 — — 1 2 6 7 16 40

1919-1948 1 2 1 1 — — — — 3 4 12 8 33

1949-1978 9 3 — 1 — 1 — — 1 4 9 9 37

1979-2008 11 19 4 3 4 12 10 63

Всего 52 35 9 7 1 6 6 2 16 43 81 80 339

Основным прямым показателем происходящих в настоящее время изменений климатической системы является увеличение средней глобальной температуры приземного воздуха, как в целом за год, так и в отдельные сезоны. Согласно последним данным, в течение прошлого столетия глобально осредненная температура приземного воздуха увеличилась более чем на 0,6°С. Наибольших значений современное потепление достигло в последние 25-30 лет: +0,17°С/десятилетие. В Европе аномалии средней годовой температуры приземного воздуха более чем в два раза превышают средние глобальные [2].

В северо-западном регионе России и Европы также отмечаются значительные аномалии температуры приземного воздуха. Не является исключением и Санкт-Петербург, что показывает проведенный нами анализ исторической динамики температуры приземного воздуха. При таком анализе в качестве основного источника метеорологической информации нами использовались данные по метеостанции Санкт-Петербург из архива мирового центра данных «А» ^СБС) и других источников. Ряды наблюдений месячных и годовых значений температуры приземного воздуха представлены для периода 1752-2008 гг.

На графике динамики годовой температуры приземного воздуха в Санкт-Петербурге, начиная с последней четверти XIX в., четко прослеживается положительная

Количество наводнений

Л

э

о.

0

С

2

О

о

о

со

Ф

3

л

ш

о

2

о

03

03

2

СЧ

г

2

о

о

7

ш

2

0

о

со

Л

X

т

5

от

сб

Он

а

ю

Он

0)

ё

с

Ен

Й

X

сб

О

«

5

6

3

а

:«

5

X

0)

X

5

И

03

X

О

и

н

и

си

Т

5

П

О

а

о

со

о

ю

о

43-

о

со

о

см

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

Рис. 2. Годовая динамика количества наводнений в Санкт-Петербурге.

тенденция (рис. 3). Это хорошо демонстрирует кривая 11-летней скользящей средней, на которой четко просматривается как потепление 30-х годов XX в., вызванное повышенной прозрачностью атмосферы, так и современное антропогенное потепление.

На рис. 4 представлен годовой ход температуры в Санкт-Петербурге в различные климатические периоды. График для периода 1979-2008 гг. лежит значительно выше остальных, особенно для зимних и весенних месяцев. В июле значения средней температуры для периодов 1979-2008 гг. и 1919-1948 гг. практически неотличимы, в августе же период 1919-1948 гг. даже теплее на 0,1°C, что обусловлено поступлением большего количества солнечной радиации. В целом можно сказать, что зимне-весенняя составляющая современного потепления намного более выражена, чем летне-осенняя. Данный вывод хорошо согласуется с общей тенденцией регионального и глобального потепления.

Оценки связи между количеством наводнений в Санкт-Петербурге и аномалиями средней месячной температуры приземного воздуха в Северном полушарии представлены в табл. 2. Данные по температурным аномалиям почерпнуты из базы данных лаборатории климатических исследований метеослужбы Великобритании (http: //www.cru.uea.ac.uk/).

Таблица 2. Коэффициенты корреляции (r) между аномалиями средней температуры воздуха в Северном полушарии и количеством наводнений (р — доверительная вероятность)

Месяц: Зима Весна Лето Осень

XII I II III IV V VI VII VIII IX X XI

г 0,00 0,41 0,20 0,22 -0,04 0,15 -0,10 -0,01 -0,06 0,10 0,06 0,16

Р <0,8 0,999 0,98 0,99 <0,8 0,9 <0,8 <0,8 <0,8 0,8 <0,8 0,95

Анализ показал, что между аномалиями средней температуры воздуха в Северном полушарии и количеством невских наводнений с января по март существует тесная корреляция: коэффициенты корреляции (г) с доверительной вероятностью (р) > 0, 98 (по ^критерию Стьюдента). Особенно высокие значения доверительной вероятности характерны для января (0,999), февраля (0,98) и марта (0,99). Значение р для ноября составляет 0,95, для мая 0,9. В остальные месяцы р много меньше 0,8. Полученные статистически значимые положительные коэффициенты корреляции для периода январь-март позволяют предположить, что развитие глобального потепления оказывает существенное влияния на процессы атмосферной циркуляции, приводящие к изменениям сроков и траекторий прохождения атлантических циклонов.

Известно, что интенсивность циклогенеза в Северо-Атлантическом регионе в большой степени связана с градиентом атмосферного давления между севером и югом Северной Атлантики с центрами в районе Исландии (минимум) и в районе Азорских островов (максимум). Обычно этот индекс вычисляется как разность нормированных значений давления. Пространственные особенности и временная изменчивость МАО обычно определяются по полю давления на уровне моря. Несмотря на то, что взаимосвязь между центрами действия атмосферы проявляется в течение всего года, амплитуда колебания максимальна в зимний сезон, когда атмосфера динамически наиболее активна. Поэтому наиболее часто используются значения индекса МАО, осредненного за зимний сезон: с декабря по февраль или с декабря по март.

Наиболее тесная статистическая связь между месячными значениями количества невских наводнений и индекса МАО наблюдается в январе, феврале (р = 0,999) и

77

Рис. 3. Вековой ход средней годовой температуры приземного воздуха в Санкт-Петербурге (ежегодные значения —тонкие линии, 11-летние скользящие средние — утолщенные линии).

78

Месяцы

1769-1798 -о—1799-1828 -а—1829-1858 -х—1859-1888 1889-1918 -е—1919-1948 —|—1949-1978--------1979-2008

Рис. 4- Годовой ход средней температуры приземного воздуха в Санкт-Петербурге в различные периоды.

Таблица 3. Коэффициенты корреляции (г) между индексом NAO и количеством наводнений (р — доверительная вероятность)

Месяц Зима Весна Лето Осень

XII I II III IV V VI VII VIII IX X XI

г 0,01 0,24 0,20 0,13 0,06 0,03 0,03 0,14 0,01 0,16 0,10 0,06

р <0,8 0,999 0,999 0,98 <0,8 <0,8 <0,8 0,98 <0,8 0,99 0,9 <0,8

марте (р = 0, 98). В осенние месяцы зависимость ниже: в сентябре (р = 0, 99), октябре (р = 0, 9), ноябре (р < 0, 8). В летние месяцы отмечается значимый, на уровне 0,98, коэффициент корреляции для июля (табл. 3).

На рис. 5 представлена динамика количества наводнений и индекса МАО (декабрь-март), а также их 31-летние скользящие средние за период 1691-2008 гг. (http://www.nevariver.ru/; http://www.cru.uea.ac.uk/). Сглаженная динамика количества наводнений и индекса МАО хорошо согласуется между собой: г = 0, 54 (р = 0, 999). Отметим, что между аномалиями средней температуры приземного воздуха в Северном полушарии и значениями индекса МАО за период декабрь-март существует тесная статистическая зависимость: г = 0, 30 — 0, 41, при р = 0, 999 (табл. 4).

Таблица 4. Коэффициенты корреляции (г) между аномалиями средней температуры воздуха в Северном полушарии и индексом NAO (р —доверительная вероятность)

Месяц Зима Весна Лето Осень

XII I II III IV V VI VII VIII IX X XI

г 0,30 0,34 0,33 0,41 0,05 0,12 -0,03 0,01 -0,07 0,05 0,13 0,16

Р 0,999 0,999 0,999 0,999 <0,8 0,8 <0,8 <0,8 <0,8 <0,8 0,9 0,95

Кроме увеличения общего количества наводнений и смещения максимума их повторяемости в годовом ходе происходящие изменения климата могут привести к существенному повышению уровня Мирового океана и Балтийского моря, а тем самым к увеличению горизонтов высоких вод при наводнениях. В течение XX в. средний уровень Мирового океана увеличился на 0,17 м. Подъем уровня происходил в среднем со скоростью 1-2 мм/год. В последние два десятилетия скорость подъема значительно увеличилась и составила 2, 6 ± 0, 7 мм/год [4, 5].

Проблема повышения уровня Балтийского моря в XXI в. привлекает к себе внимание исследовательских коллективов стран региона. В настоящее время развивается крупный междисциплинарный проект «SEAREG», посвященный получению долгосрочных модельных оценок изменения гидрологического режима Балтийского моря и его возможных социально-экономических последствий. Прогностический период 2071-2100 гг., контрольный— 1961-1991 гг. (http://www.gsf.fi/projects/seareg/). В данном проекте при расчетах используется региональная климатическая модель HIRLAM (RCAO), разработанная в Центре Россби SMHI (Шведский метеорологический и гидрологический институт). В качестве исходной информации для модели RCAO, ограниченной Северной Европой, используются данные расчетов по двум глобальным климатическим моделям (HadAM3H и ECHAM4/OPYC3). Модельные расчеты проводились применительно к двум сценариям выбросов парниковых газов в XXI в.: «A2» и «В2», рекомендованных IPCC. Прогнозируемое увеличение средней глобальной температуры приземного воздуха в период 2071-2100 гг. при данных сценариях составляет: 3,3-3,4°C для «A2» и 2,4-2,6°C для «В2» [3, 6, 7].

Количество наводнений

Индекс МАО

Количество наводнений

Индекс ІЧАО 0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

-0.2

-0.4

Годы

Рис. 5. Динамика количества наводнений за год, индекса МАО, осредненного за декабрь-март, и их 31-летние скользящие средние. На нижнем графике сплошная линия — скользящее среднее количества наводнений, пунктирная линия — индекса МАО.

Расчетные оценки показывают, что наибольшее увеличение уровня моря произойдет в южной и восточной части Балтики. При реализации «благоприятного» сценария эмиссии парниковых газов «В2» повышение уровня моря в районе Санкт-Петербурга на конец XXI в. составит 37 см. В случае, если реализуется «неблагоприятный» сценарий «А2», подъем уровня восточной части Финского залива составит 84 см [8].

Приведенные модельные оценки показывают, что расчетные горизонты высоких вод при наводнениях в Санкт-Петербурге, 1% и 10% обеспеченности, могут существенно увеличиться в течение XXI в. Также может увеличиться и величина подъема воды под влиянием ветрового нагона. В регионе Санкт-Петербурга прогнозируется существенное увеличение средней скорости ветра в зимний (до 18%) и весенний (до 15%) периоды при менее значительных изменениях в осенний (до 5%) и летний (до — 5%) периоды [9]. Модельные оценки изменения речного стока в Финский залив также показывают тенденцию к его увеличению в период декабрь-март. В целом годовой сток Невы может увеличиться до 25% [10,11].

Основываясь на данных модельных расчетов и топографической съемке масштаба 1:2000, в системе автоматизированного проектирования А^оСАБ была составлена схема возможного затопления территории Санкт-Петербурга при среднем многолетнем подъеме уровня Финского залива на один метр (рис. 6). Выявлено, что в целом площадь затопления составит 1362 гектаров: в Приморском районе это 816 гектаров, в Кронштадском — 259 га, в Курортном — 223 га, в Петродворцовом — 64 га. В зону затопления попадают прибрежные территории, имеющие высокое природное и историко-культурное значение. Практически полностью могут оказаться затопленными особо охраняемые природные территории (ООПТ) «Юнтоловский заказник» и «Западный Котлин» — места обитания редких видов растений, трасс перелета, гнездований и стоянок птиц. Частично в зону затопления попадает ценнейший рекреационный ресурс северного побережья Финского залива — пляжи Курортного района, ООПТ «Глады-шевский заказник», памятник природы «Комаровский берег». Объекты исторического и культурного наследия общероссийского значения, попадающие в зону частичного затопления, — это парк «Дубки», парк «Ближние Дубки», усадебный комплекс Стен-бок-Ферморов, парк Свято-Троицкого кладбища, Нижний парк дворцово-паркового ансамбля Петродворца, парк «Александрия», дворцово-парковый ансамбль Знаменской дачи, дворцово-парковый ансамбль Михайловской дачи, дача Верещагина с парком и др.

Проведенный анализ исторической динамики наводнений в Санкт-Петербурге показал, что период 1979-2008 гг. был аномальным как по общему количеству наводнений, так и по максимуму их повторяемости в годовом ходе. По всей видимости, данные изменения являются следствием регионального и глобального потепления климата. В подтверждение этого были получены значимые коэффициенты корреляции между аномалиями средней температуры воздуха в Северном полушарии и количеством наводнений, были найдены значимые статистические зависимости между индексом МАО и количеством наводнений, а также между аномалиями средней температуры воздуха в Северном полушарии и индексом МАО.

Модельные оценки изменения гидрометеорологического режима Финского залива показывают, что проблема затопления и подтопления территорий города, особенно незащищенных комплексом защитных сооружений, может обостриться уже в ближайшем будущем. Игнорирование процессов изменения гидрологических характеристик Невской губы и Финского залива при принятии управленческих решений сегодня способно привести к существенным экономическим потерям в перспективе. Это особенно

82

Рис. 6. Схема затопления территории Санкт-Петербурга при подъеме среднего многолетнего уровня Финского залива на один метр.

касается формирования новых территорий в акватории Финского залива и Невской губы, запланированных по Генеральному плану Санкт-Петербурга 2005-2025 гг.

В заключение важно отметить, что современные изменения климата затрагивают практически все сферы деятельности общества. В этой связи представляются крайне необходимыми получение обоснованных оценок возможных последствий глобального потепления и разработка адаптационных мер для устойчивого развития территории крупнейшего мегаполиса Северной Европы — Санкт-Петербурга.

Литература

1. Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Техническое резюме. Росгидромет. М., 2008.

2. IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change). Climate Change 2007 — Impacts, Adaptation, and Vulnerability // Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2008.

3. Нежиховский Р. А. Река Нева и Невская губа. Л., 1981.

4. Church J. A. et al. Estimates of the regional distribution of sea level rise over the 1950-2000 period // Journal of Climate. 2004. Vol. 17.

5. Holgate S. J. On the decadal rates of sea level change during the twentieth century //

Geophysical Research Letters. 2007. N 34.

6. Dosher R. et al. The development of the regional coupled ocean-atmosphere model RCAO. Boreal // Environment Research. 2002. 7.

7. Meier H. E. M., Doscher R., Faxen T. A multiprocessor coupled ice-ocean model for the Baltic Sea: Application to the salt inflow // Journal of Geophysical Research. 2003. 108(C8).

8. Meier H. E. M., Broman B., Kjellstrom E. Simulated sea level in past and future climates of the Baltic Sea // Climate Research. 2004. Vol. 27, N1.

9. Raisanen et al. GCM driven simulation of recent and future climate with the Rossby Centre coupled atmosphere — Baltic Sea regional climate model RCAO // RMK N101, SMHI, SE Norrkoping, Sweden, 2003.

10. Graham L. P. Modelling runoff to the Baltic Sea // Ambio. 1999. 28.

11. Van der Hurk B. J. J. M., Graham L. P., Viterbo P. Comparison of land surface hydrology

in regional climate simulations of the Baltic Sea catchment // Journal of Hydrology, 2002. 255.

Статья поступила в редакцию 25 января 2009 г.