CC BY
169
природная среда
УДК 551.461.22 ББК 26.221
С.М. Гордеева, В.Н. Малинин, Ю.В. Малинина
современные колебания морского уровня в кронштадте и их возможные изменения к концу столетия
Рассматривается крупномасштабная временная изменчивость морского уровня в Невской губе по Кронштадтскому футштоку за 1835-2007 гг. Показано отсутствие значимого тренда до 1946 г. и последующий рост уровня со скоростью 1,9 мм/год. Выявлено значительное влияние осредненной по северному полушарию температуры воздуха и Северо-Атлантического колебания на межгодовые колебания уровня. Предложена статистическая модель прогноза уровня в Кронштадте на конец XXI в. на основе прогностических оценок глобальной температуры воздуха для 6 сценариев изменения климата. При самом неблагоприятном сценарии ожидается повышение уровня на 1 м. Обсуждаются зоны возможного затопления территории Санкт-Петербурга для такого подъема уровня.
Ключевые слова:
глобальная температура воздуха, долгосрочный прогноз морского уровня, морской уровень, Северо-Атлантическое колебание, сценарий изменения климата, тренд, Финский залив.
Проблема изучения изменчивости и особенно долгосрочного прогноза морского уровня чрезвычайно важна с практической точки зрения. По мнению экспертов МГЭ-ИК, в зависимости от различных сценариев изменений климата к концу столетия уровень Мирового океана (УМО) может повыситься на 30-100 см [15, 16]. Если такое развитие событий станет реальностью, это грозит катастрофическим ущербом для инфраструктуры прибрежных территорий и возможно подтопление крупнейших городов: Лондона, Нью-Йорка, Токио, Санкт-Петербурга и др. Понятно, что рост морского уровня в конкретных районах океана в зависимости от локальных условий будет происходить разными темпами. Где-то - быстрее роста УМО, где-то - медленнее. Поэтому особый интерес представляет оценка вековых изменений морского уровня в Невской губе, где расположен крупнейший мегаполис северной Европы.
Морской уровень в Невской губе наилучшим образом характеризует Кронштадтский футшток, который можно отнести к пятерке старейших уровнемерных постов мира. Футшточная служба на Котлине появилась еще в 1707 г., однако результаты регулярных
наблюдений за уровнем в настоящее время известны только с 1806 г. (с перерывом на 1818-1834 гг.). Достаточно подробные сведения об истории и организации наблюдений за морским уровнем в Кронштадте и их характеристика приводятся в работах [1; 4; 5; 9], а непосредственно значения морского уровня (среднемесячные, среднегодовые, максимальные и минимальные) начиная с 1836 г., даются в работе [11] и на сайте Сервиса непрерывных измерений среднего уровня моря PSMSL1. Отметим также особое значение Кронштадтского футштока, который был принят в качестве реперного в Советском Союзе. Согласно введенной в 1977 г. Балтийской системе (БС), отсчёт абсолютных высот ведётся от нуля Кронштадского футштока. От данной отметки отсчитаны высоты опорных геодезических пунктов, а также морских, озерных и речных футштоков в пределах страны.
На рис. 1 приводится межгодовой ход уровня моря в Кронштадте за 1835-2007 гг. Нетрудно видеть, что характерной чертой межгодовой изменчивости уровня в Кронштадте является наличие однонаправленного линейного тренда, величина которого составляет 0,56 мм/год, а вклад его в
Среда обитания
Terra Humana
1835 1845 1855 1865 1875 1885 1895 1905 1915 1925 1935 1945 1955 1965 1975 1985 1995 2005
Рис. 1. Межгодовой ход уровня моря в Кронштадте за 1835-2007 гг.
дисперсию общего процесса, описываемый коэффициентом детерминации, равен 12 % (табл. 1). На фоне основного тренда можно выделить два промежутка времени, в течение которых временной ряд морского уровня имеет разную направленность. Прежде всего, это длительный период стояния морского уровня (1835-1945 гг.), когда тренд отсутствовал. Начиная с 1946 г. уровень начал довольно интенсивно расти со скоростью 1,9 мм/год, причем вклад его в дисперсию исходного ряда составляет 16 %.
Таблица 1
Оценки параметров основного и локальных трендов за разные промежутки времени для морского уровня в Кронштадте
Период Коэффициент детерминации, .И Величина тренда, Tr, мм/год Среднее значение уровня, см
1836-1945 0,001 0,06 -1,50
1946-2007 0,16 1,91 4,06
1836-2007 0,12 0,56 0,50
Рассмотрим факторы, вызывающие формирование тренда морского уровня в Кронштадте. В общем случае их можно представить в виде суммы эвстатических, стерических и деформационных факторов [6], т.е.
Ъ(^ = + Тестер) + Т^деф) (1
К эвстатической компоненте относятся составляющие водного баланса: испарение, осадки, приток речных вод, водообмен через Датские проливы. Стерические колебания обусловлены изменениями плотности морской воды за счет соответствующих изменений температуры и солености. Отметим, что межгодовыми изменениями объема воды моря за счет плотностных колебаний уровня обычно пренебрегают в виду их малости [3; 17].
К деформационным изменениям морского уровня относятся, прежде всего, вертикальные движения земной коры. Известно, что побережье Балтийского моря испытывает значительные вертикальные смещения, связанные с геодинамикой Фенноскандинавско-го щита. На основе водного нивелирования было установлено, что наибольшее поднятие испытывает побережье Ботнического залива (5-9 мм/год), а побережье южной Балтики, наоборот, опускается со скоростью 11,5 мм/год [13]. Кронштадт попадает в зону тектонической стабильности, по данным работы [13] принимается, что вертикальная скорость земной коры здесь отсутствует. Эти результаты подтверждали выбор Кронштадтского футштока в качестве отсчетной поверхности Балтийской системы высот.
Однако наблюдения последних лет, в частности, в рамках проекта BIFROST (Baseline Inferences for Rebound Observations, Sea Level, and Tectonics), основанного на использовании GPS-техники и спутника последнего поколения GRACE [19], показали, что восточная часть Финского залива поднимается со скоростью 2-4 мм/год. Прямо противоположный вывод сделан российскими геологами [10], которые обнаружили, что на акватории Невской губы существует блок интенсивных погружений, состоящий из более мелких блоков разной активности, скорость современных движений которых в настоящее время составляет от -0,1 до -8,5 мм/год. Поскольку на настоящий момент нельзя однозначно ответить, какова вертикальная скорость земной коры в районе Кронштадта, то будем считать ее условно равной нулю.
С целью анализа эвстатических факторов запишем уравнение водного баланса моря в следующем виде:
AV = Q6 + U + P - E - F, (2)
где ДУ - внутригодовые изменения (приращения) объема моря, Q - суммарный приток речных вод, U - приток подземных вод, Р - количество осадков, выпавших на акваторию моря, Е - испарение с поверхности моря, F - результирующий водообмен через Датские проливы, складывающийся из вноса североморских вод (F+) и выноса балтийских вод (F'), причем последний преобладает. Отметим, что вековой тренд УМО может оказать влияние на формирование тренда в
Кронштадте только через приток воды через Датские проливы, величина которого входит в уравнение водного баланса.
Оценки компонентов водного баланса за различные продолжительные моменты времени [3; 17] свидетельствуют о значительном превышении притока пресных вод через поверхность моря (речной сток и осадки) над его оттоком (испарение). В результате результирующий поток воды через Датские проливы всегда направлен в Северное море. Следовательно, тренд УМО не может оказывать заметное влияние на формирование тренда уровня Балтийского моря.
Отметим, что близкий характер формирования тренда в морском уровне присущ также для других длиннорядных станций, расположенных на побережье моря. Например, величина тренда в уровне моря в Стокгольме (рассчитанная по данным [14]) за период 1935-1945 г. равна Тг = 0,22 мм/год, а за период 1946-2007 гг. она в три раза выше (Тг = 0,65 мм/год) .
Очевидный вывод: именно эвстатичес-кие компоненты оказывают определяющее влияние на формирование трендов в морском уровне Балтики. Повсеместный рост морского уровня с середины 40-х г. ХХ в. вызван усилением притока речных вод и осадков к морю, особенно ярко проявившимся в эпоху потепления климата, начиная с середины 70-х гг. Поэтому осреднен-ная по северному полушарию температура воздуха Тсев может оказывать воздействие на долгопериодную изменчивость морского уровня в Кронштадте.
Для временной изменчивости этой характеристики в течение 1941-1975 гг. отмечалось слабое похолодание (Тг = -0,074оС/10 лет), в то время как после 1976 г. начался интенсивный рост температуры (Тг = 0,252 оС/10 лет) [6]. На рис. 2 приводится сопоставление аномалий &Гса по данным архива HadCRUT3 [12] и морского уровня в Кронштадте. Нетрудно видеть, что при похолодании северного полушария уровень в Кронштадте слабо понижался, а при потеплении, наоборот, начал довольно быстро расти. Вследствие этого отмечается соответствие направленности локальных трендов для периода относительного похолодания (1941-1975 гг.) и интенсивного роста температуры (1976-2005 гг.).
Однако при этом стохастическая связь для пери-
ода похолодания полностью отсутствует, в то время как для периода потепления она уже является значимой на уровне а = 0,05 (г = 0,35).
Спектральный анализ межгодовых колебаний морского уровня показал, что частотная структура временного ряда носит сложный характер, причем вклад самой большой цикличности не превышает 0,04% от дисперсии исходного процесса. Фактически это означает, что межгодовая изменчивость уровня может быть представлена в виде разложения из суммы трендовой и случайной компонент.
Формирование случайных колебаний уровня зависит в основном от характера атмосферной циркуляции. При этом следует различать локальные и «планетарные» факторы. К локальным факторам относятся параметры циклонической/ан-тициклонической активности над данным районом и преобладающие ветра того или иного направления. Основным «планетарным» фактором, на наш взгляд, является Североатлантическое колебание (САК), характеризующее геострофический зональный перенос в атмосфере в умеренных широтах с акватории Северной Атлантики на европейский континент. Естественно, чем выше индекс САК, тем более интенсивным является атмосферный перенос. В этом случае следует ожидать повышение уровня на восточном побережье Балтики и, в частности в районе Кронштадта. Именно это нам и демонстрирует рис. 3, на котором дается сопоставление сглаженных по пятилетиям уровня моря и индекса САК. Корреляция между указанными характеристиками составляет г = 0,72.
Наиболее широко распространенным способом сверхдолгосрочного прогнозирования являются модели общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО),
Среда обитания
Terra Humana
годы
Рис. 3. Сопоставление скользящих пятилетних средних уровня моря в Кронштадте hКр(1) и индекса САК (2).
которые позволяют на основе различных сценариев климата рассчитывать гидрометеорологические характеристики на много десятилетий вперед. В климатических сценариях учитываются различные факторы экономического развития человечества и в связи с этим тот или иной рост эмиссии углекислого газа в атмосферу. Таким образом, в конечном итоге именно эмиссия С02 определяет сценарии изменения климата, рассчитываемые по МОЦАО. В Третьем и Четвертом оценочных докладах МГЭИК [15; 16] приводятся возможные оценки изменений глобальной приповерхностной температуры воздуха и УМО на конец XXI в. (2090-2099 гг.) по сравнению с концом ХХ в. (1980-1999 гг.), полученные по комплексу из 16 основных МОЦАО для 6 сценариев выбросов С02 (табл. 2).
В работе [7] показано, что очень близкие прогностические оценки УМО могут быть получены с помощью очень простой статистической модели без использования
комплекса МОЦАО. В ее основе лежит линейная зависимость УМО от глобальных оценок температуры воздуха, которая характеризуется коэффициентом детерминации, равным В2 = 0,73. Выполненные расчеты для 6 сценариев выбросов парниковых газов, представленные в табл. 2, свидетельствуют, что оценки возможного роста УМО по статистической модели весьма близки к результатам численного моделирования климата на основе использования сложных и дорогих МОЦАО.
Очевидно, имеет смысл использовать аналогичный подход и для прогноза уровня в Кронштадте. При этом, конечно, следует иметь в виду, что поскольку он в значительно меньшей степени обусловлен глобальными процессами, то ошибки его прогноза будут выше. Довольно интенсивная положительная связь с коэффициентом корреляции г = 0,75 отмечается для 11-летних сглаженных средних значений аномалий осредненной по северному полушарию температуры воздуха АТсев и НКр. Это позволило рассчитать линейное уравнение регрессии
к, = 17,78АТ + 3,39. (3)
Кр ’ сев ’ ' '
Коэффициент детерминации данной зависимости равен В2 = 0,56, т.е. она описывает 56 % дисперсии исходного ряда, а средняя квадратическая ошибка модели а = 2,7 см. Итак, по формуле (3), используя прогностические оценки температуры воздуха на конец XXI в. из табл. 2 можно вычислить приближенные оценки возможных изменений уровня в Кронштадте для пяти
Таблица 2
Возможные оценки изменений глобальной температуры воздуха, УМО и уровня моря в Кронштадте на конец XXI в. (2090-2099 гг.) по сравнению с концом ХХ в. (1980-1999 гг.)
Сценарий выбросов СДСВ Ансамбль из 16 мод куляции атмосфе (елей общей цир-эы и океана [16] Статистическая модель [7] Статистическая модель (3)
Вероятный диапазон роста температуры на конец 2090-2099 гг., оС Вероятный диапазон роста УМО на конец 2090-2099 гг., м Вероятный диапазон роста УМО на конец 20902099 гг., м Вероятный диапазон роста уровня в Кронштадте на конец 2090-2099 гг., м
Сценарий В1 ,9 2, - 0,18 - 0,38 0,12 - 0,31 0,11 - 0,43
Сценарий А1Т ,8 3, - ,4 0,30 - 0,45 0,15 - 0,41 0,16 - 0,59
Сценарий В2 1,4 - 3,8 0,20 - 0,43 0,15 - 0,41 0,16 - 0,59
Сценарий А1В ,4 4, - ,7 0,21 - 0,48 0,18 - 0,47 0,21 - 0,69
Сценарий А2 ,4 ю - о, 2, 0,23 - 0,51 0,21 - 0,58 0,27 - 0,87
Сценарий А^1 ,4 ю - ,4 2, 0,26 - 0,59 0,26 - 0,68 0,34 - 1,05
основных сценариев выбросов парниковых газов. Для любого сценария уровень в Кронштадте будет повышаться, причем при самом неблагоприятном сценарии уровень может подняться на 1 м.
Отметим, что на основе региональной климатической модели RCAO, ограниченной северной Европой, проводились расчеты роста уровня для двух сценариев «А2» и «В2». Показано, что 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 [18]. Эти результаты полностью соответствуют аналогичным оценкам для указанных в табл. 2 сценариев.
Кроме того, приближенный экспертный прогноз роста уровня может быть дан на основе экстраполяции трендов. Как было показано выше, величина тренда с 1946 г. составляет Тг = 1,9 мм/год, причем с 1976 г. она несколько увеличилась и
равна Tr = 2,3 мм/год. При условии стационарности современных климатических условий к концу столетия уровень в Кронштадте может вырасти примерно на 20 см по сравнению с его началом. Эта оценка нижнего предела роста уровня также вписывается в результаты для большинства сценариев, приведенных в табл. 2.
С точки зрения устойчивого развития территории мегаполиса Санкт-Петербург при принятии управленческих решений целесообразно учитывать, прежде всего, самый неблагоприятный сценарий роста морского уровня в Невской губе. Как следует из табл. 2, это сценарий A1FI, когда уровень в Кронштадте может повыситься до 1 м. А.А. Павловским и Г.В. Менжулиным составлена схема возможного затопления территории Санкт-Петербурга при среднем многолетнем подъеме уровня Финского залива на один метр (рис. 4) [8]. Было выявлено, что в целом площадь затопления составит 1362 гектаров: в Приморском районе это 816 га, в Кронштадском - 259, в Курортном - 223, в Петродворцовом - 64
ЛЕНИНГРАДСКАЯ
МИНСКИЙ ЗА/ІИВ
,11 i-.'-t: РАДСКАЯ
ромиио Санкт-Пстеосаога
Границо литоримовои
ЛЕНИНГРАДСКАЯ
Плоиадь, го
ЛЕНИНГРАДСКАЯ
М ЮбОООО|
Рис. 4. Схема возможного затопления территории Санкт-Петербурга при возможном повышении
уровня моря к концу столетия на 1 м [8].
Среда обитания
Terra Humana
га. В зону затопления попадают прибреж- при прохождении «наводненческих» цик-
ные территории, имеющие высокое при- лонов над Финским заливом ворота в ство-
родное и историко-культурное значение. рах будут на несколько часов опускаться и
Практически полностью могут оказаться тем самым препятствовать возникновению
затопленными особо охраняемые природ- наводнения в устье Невы. Однако при этом
ные территории (ООПТ) «Юнтоловский нагонная волна будет отражаться от дамбы
заказник» и «Западный Котлин» - места и распространяться вдоль побережья за-
обитания редких видов растений, трасс лива. Расчет наводнения 15 октября 1955 г.
перелета, гнездований и стоянок птиц [8]. (293 см) при условии закрытия ворот КЗС,
В заключение отметим, что на фоне ве- выполненный К.А. Клеванным на основе
кового роста морского уровня чрезвычайно гидродинамической модели морского уров-
опасным становится рост наводнений в ус- ня [2], показал, что нагонная волна распро-
тье Невы. Так, если в начале XVIII-го века страняется главным образом по направле-
число наводнений составляло 5 за 10 лет, то в нию Сестрорецк-Зеленогорск, где ее высота
последние три десятилетия ХХ-го столетия составляет 275-280 см. Вероятно, для особо
равно почти 15 за 10 лет, т.е. увеличилось в экстремальных циклонов высота нагонной
три раза. Учитывая, что комплекс защитных волны может быть еще выше. Однако, это
сооружений вокруг города уже построен, то предмет специального исследования.
Список литературы:
1. Абалакин В.К., В.И. Богданов, Ю.Д. Буланже, М.Ю. Медведев, К.А. Тайбаторов, Г.А. Трошков. Изме-
нение уровня Балтийского моря по наблюдениям с 1777 г. на Кронштадтском футштоке // Доклады РАН. Т. 359. - 1998, № 2. - С. 249-250.
2. Аверкиев А.С., Клеванный К.А. Расчет экстремальных уровней воды в восточной части Финского залива // Метеорология и гидрология. - 2009. № 11. - C. 59-69.
3. Балтийское море. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Том 3 / Под ред. Ф.С. Терзиева, Н.П.
Гоптарева, В.И. Калацкого, А.И. Симонова. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. - 450 с.
4. Богданов В.И. Основные результаты исследований истории Кронштадского футштока (к 300-летию Российского флота) // Известия РГО. Т. 128. - 1996, № 3. - С. 57-63.
5. Буланже Ю.Д., Богданов В.И., Лазаренко Н.Н. Проблема Кронштадтского футштока // Записки по гидрографии. - 1990, № 222. - С. 50-55.
6. Малинин В.Н. Межгодовые изменения климата и уровня Мирового океана / Докл. российско-британской конф. «Киотский протокол: экономические аспекты». - СПб.: Даниэль, 2006. - С. 68-80.
7. Малинина Ю.В. К оценке возможного ущерба от возможного повышения уровня океана в XXI столетии // Ученые Записки РГГМУ. -2010, № 13 (в печати).
8. Павловский А.А., Менжулин Г.В. О динамике Санкт-Петербургских наводнений в различные климатические периоды и оценка изменений уровня Финского залива при ожидаемом глобальном потеплении // Вестник СПбГУ. Сер. 7 - 2009, вып. 2. - С. 71-83.
9. Состояние уровнемерных наблюдений и проблема Кронштадтского футштока / ред. Ю.Д. Буланже, В. И.
Богданов, И.С. Грамберг, Н.Н. Лазаренко. - М., 1986.
10. Ядута В.А. Новейшая тектоника Санкт-Петербурга и Ленинградской области // Минерал. - 2006, №1(5).
11. Bogdanov V. I., M. Yu. Medvedev, V. A. Solodov, Yu. A. Trapeznikov, G. A. Troshkov, A.A. Trubitsina. Mean Monthly Series of Sea Level Observations (1777-1993) at the Kronstadt Gauge / Reports of the Finnish Geodetic Institute. 2000:1. - Kirkkonummi, 2000.
12. Brohan P., Kennedy J.J., Harris I., Tett S.F.B., Jones P.D.. Uncertainty estimates in regional and global observed temperature changes: a new dataset from 1850 // J. Geophysical Research. - 2006, № 111. D12106, doi:10.1029/2005JD006548.
13. Ekman M. A consistent map of the postglacial uplift of Fennoscandia // Terra Nova. - 1996, № 8. - P.158-165.
14. Ekman M. The World’s Longest Sea Level Series and a Winter Oscillation Index for Northern Europe 17742000 // Small Publications in Historical Geophysics. № 12 - Summer Institute for Historical Geophysics, Aland Islands, 2003.
15. IPCC. Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change // Eds. Houghton, J.T. et al. - Cambridge; New York: Cambridge university press, 2001. - 881 p.
16. IPCC. Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Intergovernmental Panel on Climate / Change Fourth Assessment Report Climate Change 2007 // Eds.Bernstein L. et al. - Cambridge; New York: Cambridge University Press, 2007. - 940 р.
17. Malinin V.N., A.V. Nekrasov, S.M. Gordeeva. Inter-annual variability of Baltic sea water balance components and sea level // Boreal Environmental Research. V. 7. - 2002. N.4. - P. 399-404.
18. Meier H.E.M., Broman B., Kjellstrom E. Simulated sea level in past and future climates of the Baltic Sea // Climate Research. Vol. 27. - 2004, №1.
19. Scherneck, H.-G., Johansson, J., Koivula, H., van Dam, T., and Davis, J. Vertical crustal motion observed in the BIFROST project // J. of Geodyn. - 2003, № 35. - Р. 425-441.
1 Permanent Service for Mean Sea Level (PSMSL -Сервис непрерывных измерений среднего уровня моря) - http://www.psmsl.org
