CC BY
31
УДК 551.583:556.161
DOI 10.29003/m1771.0514-7468.2020_42_4/425-432
ВЗАИМОСВЯЗЬ КЛИМАТА И РЕЧНОГО СТОКА (НА ПРИМЕРЕ БОЛЬШОГО КАВКАЗА В ПРЕДЕЛАХ АЗЕРБАЙДЖАНА)
С.Э. Казымова1
Рассмотрены проблемы воздействия климатических изменений на водный режим рек Азербайджана; ввиду отсутствия сведений по испарению, влияние климата на сток рек рассчитано по атмосферным осадкам и температуре. Построены парные корреляционные связи между температурой воздуха и количеством осадков с учётом распределения этих зависимостей в регионе по трём районам исследований; для каждого района построены зависимости сточной модели и предоставлено их аналитическое определение. Анализ показал, что по всей территории Республики (при различных физико-географических условиях и на различных высотах) за последние годы наблюдается повышение годовых температур от +0,3°C до +1,7°С (в высокогорье градиент повышения температур больше). Повышение средней многолетней температуры по Республике составляет +0,9°C с 1991 г.
Ключевые слова: региональные изменения климата, температура воздуха, физико-географические условия, аномальные процессы, атмосферные осадки.
Ссылка для цитирования: Казымова С.Э. Взаимосвязь климата и речного стока (на примере Большого Кавказа в пределах Азербайджана) // Жизнь Земли. 2020. Т. 42, № 4. С. 425-432. DOI: 10.29003/m1771.0514-7468.2020_42_4/425-432.
Поступила 11.09.2020 / Принята к публикации 25.11.2020
RELATIONSHIP BETWEEN CLIMATE AND RIVER RUNOFF
(using the example of the Greater Caucasus on the Azerbaijan territory)
S.E. Kazymova Azerbaijan University of Cooperation
Problems of climate change impact on the water regime of the Azerbaijan rivers were considered. Precipitation (X), temperature (T) were analyzed and changes in river runoff were evaluated under different temperature scenarios of individual height limits. Paired correlations between air temperature and precipitation were built, taking into account the distribution of these dependencies in the region in three study areas. For each district, the constraints of the waste model were built and their analytical definition was provided. The effect of climatic changes on the water content of rivers is determined by a decrease in atmospheric precipitation, which is the main balance component of river runoff, and an increase in evaporation from the surface of their basins. However, due to the lack of information on evaporation, the impact of climate on river flow was calculated from atmospheric precipitation and temperature. An analysis of their trends showed that throughout the republic (under various physical and geographical conditions and at various altitudes) has been an increase in annual temperatures from +0.3°C to + 1.7°C in Ganja in recent years. The temperature increase gradient in the highlands is greater. The increase in the average long-term temperature in the republic is + 0.9°C since 1991.
1 Казымова Севиндж Э. - преподаватель кафедры экологии и географии Азербайджанского Университета Кооперации, г. Баку, [email protected].
Жизнь Земли 42(4) 2020 425-432 425
Keywords: regional climate change, air temperature, physical and geographical conditions, period, trend, abnormal processes, rivers, sea, precipitation.
Введение. Климатические изменения воздействуют на режимы годового стока рек. Изучение этой зависимости способствует оптимизации использования речных вод [8, 9, 10]. Всемирная Метеорологическая Организация (ВМО) предложила всем государствам-членам ВМО вести сравнительный анализ регионального изменения климата за период 1961-90 гг., обозначив его, таким образом, как эталонный для мониторинга изменений климата [11].
Принимая во внимание, что Азербайджан входит в число малообеспеченных по ресурсам речных вод стран мира, актуально исследование влияния климатических изменений на водные ресурсы, годовой сток рек, а также их режимы. С этой целью проведён анализ влияния на годовые стоки рек Большого Кавказа основных метеорологических показателей - температуры воздуха и осадков за период 1961-2016 гг.
Метеорологические показатели района исследований. Для рек южного склона Шеки-Закатальской зоны характерно преобладание снегового и дождевого многоводного режима с многочисленными селями и паводками. Наряду с дождевой, питание снеговой водой происходит, в основном, с марта по июль. В маловодный период, с июля по сентябрь, реки пополняются преимущественно за счёт подземных вод, а с сентября по ноябрь отмечается второй максимум, когда в питании рек значительную роль играет дождевая вода [1].
С. Рустамов делит реки северо-восточного склона Большого Кавказа в пределах Азербайджана на две группы - внутренней и внешней горных зон [2]. Реки внутренней зоны берут своё начало, в основном, от снеговых и, в небольшом количестве, ледниковых вершин Главного Кавказского хребта, расположенных на высоте более 2500 м; эти реки отличаются от рек внешней горной зоны особенностями режима. Реки внешней зоны имеют истоки на территориях, расположенных ниже 2500 м; они подпитывают-ся, в основном, дождевыми и подземными водами.
Анализ местных рек по источнику питания показывает, что снеговые воды составляют 38-40 %, дождевые - 30-35 %, а грунтовые - 32-35 %. В целом, водные ресурсы рек, протекающих через территорию Большого Кавказа, составляют 5,52 км3, или 53,6 % от местных водных ресурсов республики (т. е. ресурсы рек Большого Кавказа составляют чуть больше половины водных ресурсов Азербайджана). Ниже приведён анализ тренда температуры и осадков по 12 станциям, расположенным на Большом Кавказе в пределах Азербайджана. Динамика изменения температуры и осадков на обследованной территории Кавказа относительно многолетней нормы представлена на рис. 1 (станция Огуз) и рис. 2 (станция Закатала). На обеих станциях отмечается положительная динамика температуры с 1961 г. по 2016 г., притом количество осадков уменьшается.
В табл. 1 и 3 приведён сравнительный анализ температуры воздуха, а в табл. 2 и 4 - осадков для некоторых метеорологических станций. Если в 1961-90 гг. многолетняя норма температур на станции Закатала составляла 12,9°С, то в 1991-2016 гг. она была 13,7°С; рост температур составляет 0,8°С. Эта тенденция также отмечена на других станциях (см. табл. 1).
В табл. 2 показана разница осадков на различных станциях за период 1990-2016 гг. от многолетней нормы (1961-1990). Если в 1961-90 гг. количество осадков на станции Огуз составляло 917 мм, то в 1991-2006 гг. - 871 мм. Разница от многолетней нормы всего 46 мм.
Рис. 1. Динамика температуры и осадков Южного склона по отношению к многолетней норме (станция Огуз).
Fig. 1. The south slope temperature and precipitation dynamics in relation to the long-term mean annual standard (the Oghuz station).
Рис. 2. Динамика температуры и осадков Южного склона по отношению к многолетней норме (станция Закатала).
Fig. 2. The south slope temperature and precipitation dynamics in relation to the long-term mean annual standard (the Zaqatala station).
Таблица 1. Изменение температуры за период 1990-2016 гг. относительно нормы многолетних значений за 1961-1990 гг. по различным метеостанциям на территории Азербайджана
Table l.Temperature change over the period 1990-2016 regarding the mean annual standard of long-term values for 1961-1990 at various meteorological stations in Azerbaijan
Температура Метеостанции
Закатала Шеки Хачмас Куба Алтыа-гач Геокчай Шемаха Мерезе Габа-ла Огуз Минга-чаур
1961-1990 12,9 12,2 12,5 10,2 8,5 14,6 11,4 10,6 11,1 12,1 15
1991-2016 13,7 13 13,2 11,2 9,3 13,2 11,3 11,3 12,2 13,2 15,8
Разница 0,8 0,8 0,7 1 0,8 -1,4 -0,1 0,7 1,1 1,1 0,8
Таблица 2. Изменение количества осадков за периоды 1961-1990, 1990-2016 гг. по различным метеостанциям на территории Азербайджана
Table 2. Precipitation change over the 1961-1990 and 1990-2016 periods at various meteorological stations in Azerbaijan
Годы Метеостанции
Зака тала Шеки Хачмас Куба Алтыа-гач Геокчай Шемаха Мерезе Габала Огуз Мин-гачаур
1961-1990 958,9 807,5 306,8 522,1 548,7 466,7 630,8 421,1 1000,7 917,4 347,8
1991-2016 971 759,2 314,7 521,9 522,9 375,3 571,6 396,3 958,4 871,2 331,9
Разница 12,1 -48,3 7,9 -0,2 -25,8 -91,4 -59,2 -24,8 -42,3 -46,2 -15,9
Таблица 3. Разница между среднесезонными и среднегодовыми температурами на различных метеостанциях Азербайджана за периоды 1961-1990, 1991-2016 гг.
Table 3. Difference between average seasonal and mean annual temperature at various meteorological stations in Azerbaijan for 1961-1990 and 1991-2016 periods
№ п/п Станции Высота, м Сезоны
зима весна лето осень годовые
1 Шемаха 802 -0,28 -1,17 +0,7 -0,9 -0,4
2 Закатала 487 -1,3 -,01 + 1,1 + 1,6 + 1,0
3 Хачмас 27 +0,79 -0,1 +0,7 1,5 +0,7
4 Куба 550 +0,11 -0,52 + 1,9 +2,1 + 1,2
5 Огуз 582 + 1,04 -0,8 +0,6 + 1,6 +0,6
6 Габала 679 +0,4 -0,5 +0,8 1,7 +0,5
7 Шеки 637 + 1,1 -0,6 +0,6 + 1,3 +0,6
8 Геокчай 94 +0,4 -0,2 +0,9 + 1,5 +0,7
Таблица 4. Разница между среднесезонными и среднегодовыми осадками на различных метеостанциях Азербайджана за периоды 1961-1990, 1991-2016 гг.
Table 4. Difference between average seasonal and mean annual precipitations at various meteorological stations in Azerbaijan for 1961-1990 and 1991-2016 periods
№ Станция Высота, м Зима Весна Лето Осень Годовые
1 Шемаха 802 + 1,4 -6 -14,4 -52,9 -72,0
2 Закатала 487 +3,1 +78,9 +41,7 -110 + 13,2
3 Калвез 1567 -,6,0 +52 2.0 -42,0 -44,8
4 Хачмас 27 +4,0 +23,6 +3,2 -20,7 -10,0
5 Куба 550 +6,5 -11,1 + 1,5 -56,8 -60,0
6 Габала 679 -,1,8 + 178 -5,0 -86,6 +39,7
7 Шеки 637 -,3,1 +75,2 +45,3 -85,9 31,5
8 Геочай 94 +5,1 + 17,6 -22,7 -36,6 -30,5
9 Исмаиллы 549 +76,2 + 173 +29,7 +39,9 319
Анализ данных метеорологических станций, расположенных в районе исследования, показывает, что на всех станциях, кроме Шемахи, наблюдается повышение температуры. Среднегодовое повышение температуры по всем станциям составляет 0,9°С.
Анализ наблюдений, охватывающих 1961-2016 гг., показал, что в большинстве регионов осадки увеличиваются весной и уменьшаются осенью, за исключением Исмаиллы. Сезонные колебания и нормы температуры показаны на рис. 1, а сезонные колебания и нормы осадков - на рис. 2. Годовой температурный тренд неизменен в большинстве регионов. Весенние температуры снизились за последнее десятилетие по сравнению с предыдущими годами.
Р.Н. Махмудов, изучая климатические изменения в Республике [7, 12], проанализировал распределение температуры и осадков на различных высотах (ниже 0, 0-200 м, 201-500 м, 501-1000 м, 1000 м) за 2007-18 гг. Автор показывает, что во все годы, кроме 2011 г., температура росла: в 2010, 2012, 2014 гг. увеличение составило +1,3°С, а в 2018 г. - даже +1,6°С. 428
Кроме того, градиент увеличения температуры на высоте более 1000 м выше 1,2°С. В количестве атмосферных осадков значительных отклонений от многолетних норм не наблюдается. Однако (по Р.Н. Махмудову) в диапазоне высот 201-500 м годовые количества осадков однозначно уменьшаются. Р.Н. Махмудов отмечает, что во всех интервалах высот по отдельным годам осадки изменяются кроме высоты интервала 201-500м.
Наибольшее увеличение осадков в 2016 г. было на высотах 501-1000 м (+151 мм). По сравнению с многолетней нормой среднее увеличение осадков составляет +70 мм, уменьшение - в диапазоне 201-500 м (-23,2 мм), а максимальное увеличение - в диапазоне 501-1000 м (+171 мм) [6].
Для определения влияния климатических изменений на осадки, выпадающие на северо-восточный и южный склон Большого Кавказа в пределах Азербайджана, установлена парная корреляционная связь между температурой воздуха и слоем средних многолетних осадков. Следует отметить, что, поскольку метеорологическая и гидрологическая станции находятся на различной высоте, сначала установлена связь между атмосферными осадками и высотой. Статистический анализ связей обнаружил более чёткое выделение трёх районов на данной территории, и по итогам проведённого анализа при установлении связей территория подразделена на три района (рис. 3):
1) северо-восточный склон Большого Кавказа;
2) склон Южный-1 Большого Кавказа;
3) склон Южный-2 Большого Кавказа.
Рис. 3. Гидрографическая картосхема Большого Кавказа в пределах Азербайджана. Fig. 3. The hydrographic map of the Greater Caucasus on the Azerbaijan territory.
Влияние климатических изменений на режим рек определяется уменьшением атмосферных осадков, являющихся основным балансовым компонентом стока реки, и увеличением испарения с поверхности бассейна рек [3, 4]. Однако ввиду отсутствия сведений инструментального наблюдения испарения, возможные влияния на сток рек рассчитаны на основании изменений атмосферных осадков и температуры. С этой целью между средним многолетним показателем слоя стока реки (У, шш) и средним многолетним показателем атмосферных осадков (X, шш) нами рассмотрена следующая связь: У=/(Х).
Такая связь показывает изменение стока реки в зависимости от осадков для всех выделенных районов. Ниже приведено аналитическое выражение указанной связи для северо-восточного склона Большого Кавказа:
У=0,101 X0-44 (г=0,72). (1)
Аналитическое выражение связей для двух остальных территорий, расположенных на южном склоне, выглядит следующим образом.
Для склона Южный-1 Большого Кавказа (Шеки-Закатала):
У=0,19Х0,39 (г=0,91). (2)
Для склона Южный-2 Большого Кавказа (Горный Ширван):
у=0,091Х°'46 (г=0,81). (3)
Первый район охватывает бассейны всех рек, от Гусарчая (включительно) до Ата-чая. Средний многолетний показатель атмосферных осадков на данной территории, в зависимости от высоты, обладает монотонным ростом, а средний градиент составляет 50 мм на каждые 100 м.
Зависимость среднего многолетнего показателя атмосферных осадков на данной территории от температуры воздуха можно выразить следующим образом:
х=37,3 (13,6-Т)1'28. (4)
Для двух остальных районов данная зависимость выражается в следующем порядке:
Для склона Южный-1 Большого Кавказа:
х=236,5 (13,9-Т)0,92. (5)
Для склона Южный-2 Большого Кавказа:
х=223,4 (14,5-Т)0,33. (6)
С помощью последних связей для интервалов высоты от 400 м до 4400 м можно вычислить значение среднего многолетнего слоя осадков, выпадающих на территорию Большого Кавказа, на основании любого среднего многолетнего значения температуры воздуха.
В связи с воздействием региональных климатических изменений на территории Большого Кавказа ожидается уменьшение осадков на всех интервалах высот [4].
Для оценки влияния климатических изменений на речные стоки использовали два различных способа. При первом способе выявлены парные регрессионные связи между осадками и температурой: х=/(Т), после чего из связи У=/(Х) определяется сток реки и изменения, которые могут возникнуть в соответствии с изменением атмосферных осадков при различных температурных сценариях.
При втором способе выявляли совокупную корреляцию между температурой, осадками и стоком: у=/(Х,Т), на основании которой получили совокупные регрессионные уравнения. Данные, использованные в совокупных регрессионных уравнениях, накоплены за 60 лет и считаются репрезентативными для большинства инструментальных наблюдений [5]. Эти связи обладают достаточно высоким коэффициентом корреляции >0,8. 430
Связь У=/(Х,Т) для трёх регионов, выделенных на Большом Кавказе, имеет следующее выражение.
Для северо-восточных склонов Большого Кавказа:
У=0,26х-6,9£+62(Я=0,79). (7)
Для склона Южный-1 Большого Кавказа:
У=0,19х-16Л+57 (Я=0,81). (8)
Для склона Южный-2 Большого Кавказа:
У=0,31х - 14,и+33 (Я=0,81) , (9)
где У - сток воды, Х - осадки, Т - температура воздуха, Я - коэффициент корреляции.
Данные уравнения дают возможность вычислить средние многолетние значения стока на основании средних многолетних значений температуры и атмосферных осадков в выделенных районах для всей территории Большого Кавказа в пределах Азербайджана. На точность расчётов влияют длительность наблюдаемых периодов и количество отведённых интервалов по высоте [7]. Чем их больше, тем точнее вычисления.
Анализ сезонных расходов воды местных рек показывает, что в зимний маловодный период в большинстве из них расход воды возрастает [1, 6]. При снижении годового стока в зимний маловодный период наблюдается его увеличение, а в весенние и летние месяцы - уменьшение. В некоторых реках наблюдается увеличение стока и в осенний сезон.
В реках Карачай-Рюк, Чходурмаз-устье, Эйричай-исток, Балакенчай-Балакен, Эй-ричай-Баш-Дашагыл, Хармидорчай-Халтан, Кудъялчай-Кузун зимний и осенний сезонные стоки увеличиваются, а в остальные времена года - уменьшаются. Это происходит, в основном, за счёт таяния снежного покрова в верхней части бассейна в результате повышения зимних температур. Разумеется, распределение снега по бассейну и снижение ресурсов снеговой воды способствует уменьшению весенне-летнего половодья. Увеличение осеннего стока в некоторых случаях связано с выпадением дождей в этот сезон. В некоторых же случаях наблюдается уменьшение максимального расхода воды в половодье. Как правило, в реках Велвеличай-Нохюрдузу, Кудъялчай-Хыналыг, Тала-чай-Закатала зимний сток растёт. В пункте же Алиджанчай-Каябашы, наоборот, наблюдается наибольшее увеличение весеннего и летнего стока. Это связано, в первую очередь, с более высоким расположением источника питания реки, зоны формирования её стока.
Заключение. 1. Анализ трендов основных климатических показателей - осадков и температуры - показал, что по всей территории Республики Азнрбайджан, в различных физико-географических условиях и на различных высотах в последние годы (1991-2016) среднегодовые температуры возросли до 0,94°С (1991-2019). При этом в высокогорье > 1000 м градиент повышения температуры более значительный.
2. Выявлено влияние региональных климатических изменений на режим местных рек. Так, в большинстве из них наблюдаются увеличение зимнего стока и уменьшение продолжительности периода весенне-летнего половодья, а также максимальные расходы воды.
3. По всем трём указанным районам в отдельности получено аналитическое выражение для оценки осадков и стоков рек в зависимости от изменения температуры воздуха и высоты.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вердиев Р.Т. Водные ресурсы рек Восточного Кавказа и условия изменения климата. Баку: Изд-во БГУ, 2002. 224 с.
2. Рустамов С.Т., КашкайР.М. Водные ресурсы в Азербайджанской ССР. Баку: Элм, 1989. 182 с.
3. Иманов Ф.А. Влияние изменений водно-климатических ресурсов в бассейне р. Куры. Баку: Изд-во БГУ, 2009. С. 202-208.
4. Сафаров С.Г. Современная тенденция изменения температуры воздуха и атмосферных осадков в Азербайджане. Баку: Элм, 2000. 300 с.
5. Сафаров С.Г. Особенные изменения климата на территории Азербайджана в зимнем сезоне // Метеорология и гидрология. 2003. № 5. С. 44-53.
6. Махмудов Р.Н. Современные климатические изменения и опасные гидрометеорологические явления. Баку: НАА, 2018. 231 с.
7. Махмудов Р.Н. Влияние климатических изменений на речной сток Азербайджана // Метеорология и гидрология. 2016. № 9. С. 63-69.
8. Первое национальное сообщение Азербайджанской Республики по Рамочной Конвенции ООН об изменении климата. Баку: Изд-во ООН, 2000. 88 с.
9. Изменения климата. Физическая научная основа. IV доклад об оценке МГЭИК, WMO, UNEP. Женева, 2007. 163 с.
10. Клиге Р. Глобальные изменения режима гидросферы. Материалы VII Всероссийского гидрологического съезда. СПб: Росгидромет, 2014. С. 101-110.
11. Climate Change 1995. The Science of Climate Change. Summary for Policymakers. Geneva: WMO, 1996. 56 p.
12. Mahmudov R.N. Regional Climate changes and Hydrometeorological hazards in Azerbaijan // Science without borders. V. 4. Austria, Innsbruck, 2019. P. 435-442.
REFERENCES
1. Verdiev R.T. Water resources of the Rivers of the East Caucasus and crop production. 224 p. (Baku, Publishing House of BSU, 2002) (in Russian).
2. Rustamov S.T., Kashkay R.M. Water resources in the Azerbaijan SSR. 182 p. (Baku: Elm, 1989) (in Russian).
3. Imanov F.A. Water-climatic resources in the basin of the river Kury. P. 202-208 (Baku: Publishing House of BSU, 2009) (in Russian).
4. Safarov S.G. The modern trend is to change the temperature and atmospheric precipitation in Azerbaijan. 300 p. (Baku: Elm, 2000) (in Russian).
5. Safarov S.G. Climate and territory of the Special Treason region of Azerbaijan in the winter season. Meteorology and hydrology. 5, 44-53 (2003) (in Russian).
6. Makhmudov R.N. Modern climatic changes and special hydrometeorological phenomena. 231 p. (Baku: NAA, 2018) (in Russian).
7. Makhmudov R.N. Influence of climatic changes on the river reserve of Azerbaijan. Meteorology and hydrology. 9, 63-69 (2016) (in Russian).
8. The primary national opinion of the Republic of Azerbaijan on the UN Framework Convention on Climate Change. 88 p. (Baku, UN Publishing House, 2000) (in Russian).
9. Climate Change. Physical scientific basis. IV Report IPCC. 163 p. (Geneva: UNEP, 2007). (in Russian).
10. Clige R. Global hydrospheres. Materials of the VII All-Union Hydrological Congress. P. 101110 (S.-Petersburg: Roshydromet, 2014) (in Russian).
11. Climate Change 1995. The Science of Climate Change. Summary for Policymakers. 56 p. (Geneva: WMO, 1996).
12. Mahmudov R.N. Regional Climate changes and Hydrometeorological hazards in Azerbaijan. Science without borders. 4, 435-442 (Austria, Innsbruck, 2019).
