CC BY
106
УДК 556.55:504.4
ББК 26.226.6 |
С.А. Кондратьев, М.М. Мельник, М.В. Шмакова, Е.Г. Маркова
водный режим водосбора чудско-Псковского озера под воздействием изменений климата*
Гидрологическая модель формирования стока, разработанная в Институте озероведения РАН, использовалась в качестве инструмента для оценки изменений характеристик водного режима водосбора реки Великая (основного притока Чудско-Псковского озера) под воздействием предполагаемых изменений климатических параметров. Сценарий ECHAM4/ OPYC_SRES A2 принят за основу будущих климатических изменений в изучаемом регионе. Результаты расчетов стока с водосбора позволяют предположить, что к концу XXI века произойдет смещение максимальных расходов весеннего половодья в более ранний период. Сократятся период снегонакопления и суммарный зимний снегозапас. Увеличение испарения в теплый период года, возможно, приведет к снижению летне-осенних расходов воды в притоках, летнего увлажнения водосбора и суммарного годового стока.
Ключевые слова:
водный режим, водосбор, климат, математическая модель, Чудско-Псковское озеро.
Чудско-Псковское озеро делится на три основные части: Чудское озеро с площадью акватории 2 611, Псковское озеро - 708 и соединяющее их Теплое озеро - 236 км2. Общая водосборная площадь составляет ~44 245 км2, из которых 26% находится в Эстонии, 67% - в России и 7% - в Латвии. Схема водосбора Чудско-Псковского озера с указанием основных элементов гидрографической сети, населенных пунктов и пунктов мониторинга Росгидромета приведена в [5]. Экосистема Чудско-Псковско-го озера очень чувствительна к внешним воздействиям [6, с. 409]. Однако, если оценке внешней нагрузки на водоем уделялось значительное внимание, то возможные воздействия климатических изменений до недавнего времени не изучались.
Целью настоящего исследования является количественная оценка возможных изменений стока с водосбора Чудско-Псков-ского озера с учетом его внутригодовой изменчивости в результате предполагаемых изменений климата в XXI в.
Основным объектом исследований настоящей работы является река Великая с площадью водосбора 25 200 км2 или 58% общей площади водосбора озера - наиболее крупный приток обеспеченный достаточным количеством наблюдений за гидрологическим режимом. Со значительной долей уверенности можно сказать, что условия формирования стока с водосбора Великой аналогичны стокообразованию на всем водосборе озера [4, с. 8].
В качестве инструмента для расчетов стока с водосбора р. Великая при изменяющихся климатических параметрах использовалась гидрологическая модель системы
«водосбор-водоем», разработанная в Институте озероведения и верифицированная на ряде водных объектов Северо-запада России [2, с. 151]. Модель описывает накопление и таяние снега, увлажнение почв зоны аэрации, испарение с поверхности водосбора, формирование стока с разделением на быструю и медленную составляющие. Шаг расчетов по времени составляет 1 месяц. В процессе моделирования водосбор представляется в виде однородной имитирующей емкости, накапливающей поступающую воду и затем постепенно ее отдающей. Значения параметров модели задавались на основе опыта предшествующего моделирования стока в бассейне Чудско-Псковско-го [4, с. 31]. В качестве входной информации об осадках и температуре воздуха принимались данные государственного мониторинга на сети Росгидромета. Верификация модели проводилась по данным измерений расходов воды в створах Опочка и Пятоно-во и подтвердила адекватность модели реальным процессам. Результаты верификации представлены в работе [4, с. 33].
Основой для проведения расчетов по моделям и создания прогностической оценки возможных изменений стока с водосбора Онежского озера в XXI в. выбран сценарий изменений климатических параметров ECHAM4/OPYC_SRES Л2, рассчитанный по модели общей циркуляции атмосферы и океана за период с 1990 г. по 2100 г. Данные получены у Международного Центра Климатических данных [7]. На рис. 1 представлена динамика предполагаемых изменений осадков и температуры воздуха за период с 1990 по 2100 гг. в соответствии с выбранным сценарием.
* Настоящее исследование выполнено при поддержке РФФИ проект 12-05-00702-а.
Анализ прогностической информации об осадках и температуре воздуха и ее сравнение с данными фактических измерений на метеостанции г. Псков за период 1990-2010 гг. показал, что сценарий достаточно адекватно описывает динамику среднегодовых значений осадков R и температуры воздуха Т за период наблюдений. Однако значения среднемесячных измеренных слоев осадков на водосборе Онежского озера существенно отличаются от результатов расчета по модели общей циркуляции атмосферы для того же периода. Поэтому нельзя сравнивать результаты расчетов гидрографов стока по гидрологической модели, выполненные по данным измерений климатических параметров и по рассмотренному сценарию без дополнительной корректировки, так как в этом случае различия в исходных данных являются основной причиной различия между результатами моделирования. Для адаптации сценария ECHAM4/OPYC_SRES А2 к условиям изучаемого водосбора использован метод корректировки среднемесячных значений модельных климатических параметров. Метод основан на использовании соотношений, связывающих значения измеренных климатических параметров и рассчитанных по модели общей циркуляции атмосферы [3, с. 89]. На рис. 2 приведены откорректиро -ванные прогностические оценки внутриго-
за -25 ■ 20 15 ■ 10 ■ Б
О --5 -10 -15 ■ 1990
Т. °С
Рис. 1. Динамика изменений осадков Я (а) и температуры воз/духа Т (Ь) за период с 1990 по 2100 гг. в соответствии с выбранным сценарием для водосбора Чудско-Псковского озера.
дового распределения среднемесячных значений Я и Т, полученные с учетом данных измерений с наложением смоделированного тренда их изменений в XXI веке и осред-ненные для интервалов времени 1990-2010, 2011-2050 и 2051-2100 гг.
Количественная оценка изменения среднегодовых значений Я и Т в соответствии с выбранным сценарием представлена в табл. 1. Данные свидетельствуют о возможном повышении годового слоя осадков и среднегодовой температуры на изучаемой территории соответственно, на 50 мм/год и 2,58 °С во второй половине XXI в. по сравнению с периодом 1990-2010 гг.
Нетрудно заметить, что в настоящем столетии ожидается существенное потепление в зимний период (рис. 2Ь). Увеличение средних январских температур во втором периоде прогноза составит 4,8 °С. Июльские температуры возрастут на 0,15 и 2,1 °С, соответственно указанным выше периодам. Важной особенностью процесса потепления явится смена знака среднемесячной температуры воздуха в ноябре, декабре, январе и марте (2051-2100) по сравнению с периодом инструментальных наблюдений (1990-2010), что существенно скажется на процессах формирования снежного покрова, снеготаяния и формирования стока. Возмож но значительное внутригодовое перераспределение осадков (рис. 2а). До 216%
100 30 80 - П. ммумес а
70 - / ч-'
60 ■ 50 -40 - ч // ,7 У -1990 — — —34011 -2010 -2050 'чГ \ \ \\ 1 \л
30 - .....2051 2100
20 ■
10 -
т,°с Ь
-1990 2010
— — -2011 2050
.....2051 2100
V
Рис. 22. Среднемесячные откорректированные значения осадков Я (а) и температуры воздуха Т (Ь) для водосбора 'Чудско-Псковского озера, осредненные за рассматриваемые интервалы времени.
возрастут зимние осадки. Осенние и весенние осадки увеличатся на 13%, а уменьшение летних осадков достигнет 11% по отношению к периоду тестирования модели.
Откорректированные данные об осадках и температуре воздуха в периоды 1990-2010, 2011-2050 и 2051-2100 использовались в качестве входной информации при моделировании стока с водосбора Онежского озера. Выполненные на основе гидрологической модели расчеты позволяют оценить изменения как внутригодовой, так и межгодовой динамики гидрологических характеристик изучаемого водосбора (водного эквивалента снежного покрова, испарения, увлажнения почв зоны аэрации, стока) с учетом возможного потепления в совокупности с изменени-
ем осадков в XXI в. Результирующая оценка возможных изменений значений суммарного зимнего снегозапаса, суммарного испарения с поверхности водосбора, минимального летнего увлажнения почв зоны аэрации и годового слоя стока с водосбора в результате предполагаемых изменений климата также приведена в табл. 1. Внутригодовые изменения рассматриваемых характеристик проиллюстрированы на рис. 3.
Возможное возникновение положительных температур воздуха в ноябре приведет к тому, что выпадающие осадки не будут формировать снежный покров в осенний период, как это было в период 1990-2010, а пойдут на увлажнение почвы и формирование стока. Сокращение продолжительности
Таблица 1
Осредненные значения температуры воздуха и осадков, а также рассчитанные характеристики водного режима водосбора р. Великая за период наблюдений (1990-2010) и рассчитанные на перспективу до 2100 г.
Интервал времени 1990-2010 2011-2050 2051-2100
Слой осадков R, мм/год 692,0 *71*7,0 *742,0
Среднегодовая температура Т, °С 5,9 6,2 8,5
Зимний снегозапас X, мм 1*70,0 182,0 53,0
Суммарное испарение Е, мм/год 425,0 448,0 496,0
Минимальное летнее увлажнение почв зоны аэрации W, мм 480,0 4*7*7,0 4*75,0
Слой стока Y, мм/год 26*7,0 269,0 246,0
-15« 2010
— 2011 .2050 -----20Ы -2100
10 11
-1990-2010
---3011 20М
■2051-2100
Рис. 3. Снегозапас X {а), суммарное испарение Е с поверхности водосбора, (Ь), влажность почв зоны аэрации ]¥ (с), слой стока Ус водосбора р. Великая озера ((I), рассчитанные для рассматриваемых
интервалов времени.
холодного периода с отрицательными температурами воздуха приведет к сокращению сроков накопления снегозапасов и снижению их значений, несмотря на увеличение зимних осадков (рис. 3а). Если в период инструментальных наблюдений значения максимальных снегозапасов на водосборе составляли около 170 мм водного эквивалента, то по результатам расчетов следует ожидать их уменьшения до 53 мм в 2051-2100 гг., т. е. на 69% по отношению к исходному периоду.
Существенное возрастание температуры воздуха может явиться причиной возрастания суммарного испарения. Согласно выполненным расчетам, слой суммарного испарения может возрасти с 425 мм/год для периода 1990-2010 гг. до 448 и 496 мм/год, т.е. на 5,4 и 17%, соответственно, для периодов 2011- 2050 и 2051-2100 гг. Возможное будущее изменение внутриго-довой динамики суммарного испарения приведено на рис. 3b.
Потепление в ноябре будет способствовать небольшому (до 0,6%) возрастанию осенне-зимнего увлажнения почв зоны аэрации на водосборе, глубина которой принималась равной 2 м (рис. 3с). Снижение летних осадков в совокупности с возрастанием температуры воздуха и испарения, возможно, приведет к снижению значений влажности почв на водосборе р. Великая и Чудско-Псковского озера в летний период 2011-2050 и 2051-2100 гг., соответственно, на 0,3 и 10% по отношению к интервалу времени 1990-2010 гг.
Можно также предположить, что к концу XXI в. произойдет смещение максимальных расходов весеннего половодья в более ранний период (рис. 3d) за счет предполагаемого потепления. Наличие положительных температур воздуха в декабре и январе явится причиной увеличения стока в этот период до 145% по отношению к исходному периоду инструментальных наблюдений.
Список литературы
[1] Георгиевский В.Ю., Ежов А.В., Шалыгин А.Л., Шикломанов И.А., Шикломанов А.И. Оценка влияния возможных изменений климата на гидрологический режим и водные ресурсы рек бывшего СССР // Метеорология и гидрология. - 1996, № 11. - С. 89-99.
[2] Кондратьев С.А. Формирование внешней нагрузки на водоемы: проблемы моделирования. — СПб.: Наука, 2007. - 253 с.
[3] Кондратьев С.А., Бовыкин И.В. Влияние возможных климатических изменений на гидрологический режим системы водосбор-озеро // Метеорология и гидрология, 2003. - № 10. - С. 86-96.
[4] Кондратьев С.А., Голосов С.Д, Зверев И.С., Рябченко В.А., Дворников А.Ю. Моделирование абиотических процессов в системе водосбор-водоем (на примере Чудско-Псковского озера). - СПб., Нестор-История, 2010. - 116 с.
[5] Кондратьев С.А., Мельник М.М., Шмакова М.В., Маркова Е.Г., Ульянова Т.Ю. Метод расчета внешней нагрузки на Чудско-Псковское озеро с Российской территории водосбора // Общество. Среда. Развитие. - 2010, № 1. - С. 183-197.
[6] Псковско-Чудское озеро. / Под ред. Т. Тимм, А. Раукас, Ю. Хаберман, А. Яани. — Тарту: Eesti Loodusfoto, 2012. - 495 с.
[7] Deutsches Klimarechenzentrum (DKRZ). - Интернет-ресурс. Режим доступа: www.dkrz.de/daten
Существенное увеличение суммарного испарения в летне-осенний период года приведет к снижению расходов воды (до 37% в среднем с июля по ноябрь) и, возможно, к небольшому снижению (7,9%) суммарного годового стока на изучаемой территории.
Таким образом, на основе анализа полученных результатов расчетов можно заключить, что если предполагаемые изменения климатических параметров в XXI в. на водосборе Чудско-Псковского озера будут происходить в соответствии со сценарием ECHAM4/OPYC_SRES A2, то вряд ли можно ожидать существенных изменениям годового стока с водосбора и, соответственно, притока в озеро. Это достаточно адекватно соответствует выводам, сделанным сотрудниками Государственного гидрологического института для данного региона [1, с. 95], где северо-запад России не упоминается в числе регионов с существенными изменениями годового стока в ближайшем будущем. Выполненные в настоящей работе расчеты показывают небольшое снижение суммарного годового стока к концу XXI в., несмотря на предполагаемое возрастание годового слоя осадков. Причиной может являться рост суммарного испарения в результате потепления, которое будет компенсировать возрастание слоя осадков.
По нашему мнению, наиболее важные изменения водного режима водосбора (с точки зрения воздействия на будущую хозяйственную деятельность в регионе) связаны с внутригодовым перераспределением рассчитанных по гидрологической модели характеристик. Это возможное снижение зимних снегозапасов, существенное внут-ригодовое перераспределение стока за счет смещения весеннего половодья в более ранний период и снижение меженного стока, а так же увеличение осеннее - зимнего и уменьшение летнего увлажнения почв зоны аэрации на водосборе.
