ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОД СУШИ С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
УДК 556.048
МЕТОДИКА СЦЕНАРНОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ ВОДНОГО БАЛАНСА СЕВЕРНЫХ РЕЧНЫХ БАССЕЙНОВ В СВЯЗИ С ВОЗМОЖНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ КЛИМАТА1
© 2013 г. Е. М. Гусев, О. Н. Насонова
Институт водных проблем РАН 119333 Москва, ул. Губкина, 3 E-mail: sowaso@yandex.ru Поступила в редакцию 31.01.2012 г.
Разработана методика сценарного прогнозирования изменения составляющих водного баланса бассейнов северных рек в связи с возможным изменением климата. Методика основана на использовании модели тепло- и массообмена подстилающей поверхности суши с атмосферой SWAP. Для четырех климатических сценариев МГЭИК, соответствующих заданным сценариям экономического, технологического, политического и демографического развития человеческой цивилизации, рассчитаны прогностические варианты динамики метеорологических элементов в бассейне р. Северная Двина в XXI в., на основе которых были получены оценки возможного изменения осадков, испарения и стока с бассейна р. Северной Двины до 2063 г.
Ключевые слова: составляющие водного баланса, сценарии изменения климата, взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью суши, физико-математическое моделирование, глобальные базы данных, бассейны северных рек
DOI: 10.7868/S0321059613040044
Поступление пресной воды в Северный Ледовитый океан в виде речного стока с дренажной территории пан-Арктического бассейна составляет примерно 50% ее суммарного поступления [18]. Для других океанов это соотношение гораздо ниже, поскольку среди приходных составляющих пресных вод, как правило, доминируют осадки, выпадающие на поверхность океанов. Результаты использования климатических моделей в целом свидетельствуют о том, что прогнозируемое глобальное потепление в наибольшей степени будет сказываться именно на высоких северных широтах, приводя к увеличению в этой зоне осадков и усилению снеготаяния [24]. Вызванные этими факторами изменения гидрологического режима территории пан-Арктического бассейна могут оказать значительное влияние как на водно-солевой баланс самого Арктического бассейна, так и на водный баланс его дренажной территории, что скажется и на функционировании экосистем данного региона. В частности, арктические почвы играют важную роль в глобальном балансе дву-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 11-05-00015) и РАН (Государственный контракт № 74ОК/11-5).
окиси углерода и метана, потоки которых очень чувствительны к изменениям влажности и температуры почвы [31]. Это обстоятельство может определить и интенсивность обратной положительной связи климатических изменений и изменений окружающих экосистем. Влияние возможного изменения климата на гидрологический режим пан-Арктического бассейна может привести к значительным изменениям стока как во внутри-годовой динамике, так и в его годовых объемах [4, 17, 27, 33]. Оценка влияния глобального потепления на гидрологический цикл и динамику его составляющих в арктическом регионе только начинает проводиться. Полученные предварительные результаты неоднозначны и требуют дальнейших исследований, включающих в себя и разработку более точных методик оценки указанных изменений.
В связи с этим цель настоящей работы — построение методики сценарного прогнозирования изменения составляющих водного баланса бассейнов северных рек. Апробация предлагаемой методики проведена при исследовании возможных изменений (до 2063 г.) составляющих водного баланса одной из рек пан-Арктического регио-
на, а именно Северной Двины, расположенной в северной части Европейской части России (ЕЧР).
БАССЕЙН СЕВЕРНОЙ ДВИНЫ
Северная Двина (рис. 1а) — одна из крупных рек ЕЧР, принадлежащих пан-Арктическому бассейну. Площадь ее водосбора — 357 тыс. км2, средний годовой слой стока в устье реки — 309 мм. Начинается Северная Двина от слияния рек Сухоны и Юг. Наиболее крупные ее правые притоки — реки Вычегда и Пинега, левые — реки Вага и Емца.
Климат на территории бассейна Северной Двины довольно суровый. Средняя температура воздуха в январе составляет—13...—15°С (понижаясь в отдельные дни до —45°С), в июле 14—17°С.
Бассейн Северной Двины расположен в зоне избыточного увлажнения. Средняя годовая сумма осадков изменяется от 650 мм на севере до 800 мм на юго-западе. Средняя годовая величина испарения изменяется по территории, уменьшаясь в направлении с юга на север примерно с 550 до 400 мм. Северная Двина относится к рекам преимущественно снегового питания, хотя в теплый период года выпадает 65—70% годового количества осадков (значительное количество которых расходуется на испарение). Зимой осадков значительно меньше, но они формируют довольно большие снегозапасы к началу весеннего снеготаяния. Максимальные снегозапасы характеризуются значительной межгодовой изменчивостью.
Почвы на территории бассейна подзолистые, дерново-подзолистые и болотно-подзолистые. Леса преимущественно хвойные, занимают ~ 80% водосбора.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ СЦЕНАРНОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ ВОДНОГО БАЛАНСА СЕВЕРНЫХ РЕЧНЫХ
БАССЕЙНОВ В СВЯЗИ С ВОЗМОЖНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ КЛИМАТА
В основу методики решения указанной задачи были положены: модель взаимодействия подстилающей поверхности суши с атмосферой Soil Water—Atmosphere—Plants (SWAP) [6], разработанная авторами настоящей работы и адаптированная под использование для расчета речного стока и других составляющих водного баланса бассейнов северных рек; глобальные базы данных по характеристикам подстилающей поверхности суши, а именно: параметрам почвы, растительного покрова и геоморфологическим характеристикам рассматриваемой территории, подвергшимся уточнению на
основе оптимизации наиболее важных параметров; сценарные прогнозы изменения метеорологических характеристик в районе рассматриваемых бассейнов в XXI в., основанные на изменении выброса парниковых газов и аэрозолей в атмосферу в соответствии с тем или иным сценарием социального-экономического развития человеческой цивилизации.
Модель взаимодействия подстилающей поверхности суши с атмосферой SWAP
Предварительные результаты построения методики моделирования гидрографа стока северных рек, основанной на использовании LSM (Land Surface Model) модели тепло- и влагообме-на подстилающей поверхности суши с атмосферой SWAP, изложены в [6, 11, 22, 23]. Сама модель SWAP представлена, в частности, в [6, 21]. В ее основу положено физико-математическое описание процессов тепло- и влагообмена, происходящих в системе грунтовые воды — почва — растительный/снежный покров — приземный слой атмосферы, а также описание трансформации гидрографов стока воды как в процессе ее движения в русловую сеть по элементам поверхности речного бассейна, так и в самой русловой сети. Модель позволяет рассчитывать составляющие водного и теплового балансов наземных экосистем и речных бассейнов, имеющих разные пространственные масштабы и находящихся в различных природных условиях. Необходимое при проведении расчетов информационное обеспечение модели SWAP включает в себя приземную метеорологическую информацию с временным разрешением меньше суток (обычно 3-часовую) и характеристики подстилающей поверхности: параметры почвы и растительного покрова, топографические характеристики бассейна. Для модельных расчетов была проведена схематизация бассейна Северной Двины (до стоковой ст. Усть-Пинега) в виде совокупности 62 ячеек с пространственным разрешением 1° х 1° (рис. 1б).
Обеспечение модели SWAP метеорологической
информацией для адаптации модели и оценки эффективности модельного расчета стока Северной Двины в современный период
Метеорологической информацией, определяющей верхнее граничное условие при решении поставленной задачи, послужили 3-часовые данные стандартных наблюдений метеорологических станций, расположенных в бассейне Северной Двины: температура и влажность воздуха, атмосферное давление, скорость ветра, атмо-
40
44
48
52 в.д., град
с.ш., град 65
64
(б)
▼ 7
• 2
63
62
61
60
59 _
38 40 42 44 46 48 50 52 54 56
в.д., град
Рис. 1. Бассейн р. Северная Двина (а) и его схематизация (б). 1 — стоковая ст. Усть-Пинега, 2 — метеорологические станции [11].
сферные осадки, облачность [11]. При этом для расчета составляющих водного баланса за 1967— 1998 гг. использовались непосредственно данные наблюдений, для расчетов последующего периода (до 1963 г.) была разработана соответствующая методика (приведенная ниже), также в какой-то степени использующая метеорологическую информацию за 1967—1998 гг. Необходимые 3-часовые значения приходящей коротковолновой радиации в местах расположения метеорологических станций вычислялись по методике, разработанной А.Б. Шмакиным (ИГ РАН) [34]. Исходной информацией при этом служили данные о приземном давлении, географической широте места, солнечном склонении, а также сред-немноголетние месячные значения коэффициента прозрачности атмосферы [16]. Далее полученные значения солнечной радиации при безоблачном небе корректировались с учетом общей облачности [6]. Значения приходящей длинноволновой радиации были рассчитаны по методике, изложенной в [7].
Интерполяция метеорологических элементов в центры ячеек бассейна реки осуществлялась с использованием процедуры кригинга [10].
Подготовка данных по параметрам подстилающей поверхности
Параметры растительного покрова и почвы, а также топографические характеристики бассейнов были взяты из глобальных баз данных, как и в [6, 10, 22, 23]. При создании базы данных о растительном покрове, адаптированной под модель SWAP за основу была принята глобальная база данных из проекта Second Global Soil Wetness Project (GSWP-2) [10, 36, 23]. При этом использовалась классификация типов подстилающей поверхности International Geosphere-Biosphere Programme (IGBP), включающая в себя 17 типов поверхности суши. База данных была скорректирована для устранения грубых несоответствий и ошибок, а также дополнена рядом специфических параметров, необходимых для работы с моделью SWAP. Подробности указанной корректировки, а также перечень параметров растительного покрова, используемых в модели SWAP, приведе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.