УДК 556.555.4:551.553(282.256.166.26)
Многолетние изменения теплового режима озера Большое Миассово (Южный Урал) в результате потепления климата
А. Г. Рогозин*, С. В. Гаврилкина*
Анализируется цикл продолжительности периода ледостава на примере типичного южноуральского озера, соответствующий 11-летнему циклу солнечной активности. Установлено, что амплитуда колебаний продолжительности периода ледостава постепенно уменьшается с уменьшением вклада циклической составляющей и увеличением влияния нерегулярного компонента; линейный тренд демонстрирует постепенное его уменьшение со скоростью около 0,3 сут/год. Наблюдается многолетний тренд существенного запаздывания установления ледостава (на 0,3 сут/год). Максимальная годовая температура придонного слоя воды с 1986 по 2011 г. увеличилась на 2,9°С со скоростью примерно 0,1°С/год, причем она изменяется циклически (период 5 лет) и мало зависит от цикла продолжительности ледостава. Полученные данные не только свидетельствуют о главенствующей роли естественных причин в наблюдаемом увеличении температуры воды в водоемах, но и позволяют сделать вывод об увеличении антропогенного вклада в потепление климата.
Ключевые слова: потепление климата, озера, Южный Урал, температура воды, многолетние изменения.
Введение
Глобальное потепление признано одним из важнейших факторов, влияющих на состояние гидросферы. Однако несмотря на заметное изменение в конце XX в. — начале XXI в. теплового режима водоемов, расположенных в зоне умеренных широт [2, 3, 5], тепловой режим большого числа водоемов во многих ландшафтно-климатических зонах России не исследован. В частности, отсутствуют данные о многолетней трансформации теплового режима водоемов на Южном Урале и сопутствующих этому процессу гидрологических явлениях. Цель настоящей работы — на примере оз. Большое Миассово, типичного для Южного Урала, определить влияние глобального потепления за последние 35 лет на его ледовый и термический ре жи мы.
Материал и методы исследований
Озеро Большое Миассово расположено в восточных предгорьях Ильменского хребта — одной из южных оконечностей Уральских гор, грани-
* Ильменский государственный заповедник Уральского отделения Российской академии наук; e-mail: rogozin57@ gmail.com.
чащей с лесостепью (55°10,39' с. ш., 60°17,31' в. д.), и входит в Кисегач-
Миассовскую озерную систему, связанную реками Миасс, Исеть и Тобол с Обью и Карским морем. Озеро классифицируется как стоково-приточное и характеризуется большой для Южного Урала площадью водосбора — до 311 км2 [1]. При этом удельный водосбор озера невелик — 13,4 км2. Согласно данным И. Н. Сорокина [1], удельный водообмен озера очень мал и составляет 0,10, по нашим данным [4], он равен 0,16, что связано с ничтожным модулем среднегодового стока с водосборной площади. Большое Миассово — типичный димиктический водоем с выраженной летней и зимней стратификацией, его максимальная глубина составляет 25 м при площади зеркала 11,4 км2, средней глубине 11,2 м и объеме водной массы 132,1 млн. м3 [4]. Озеро находится на территории Ильменского государственного заповедника Российской академии наук, поэтому все исследования проводятся его научными сотрудниками (стационарные наблюдения Росгидромета отсутствуют). Ежегодные данные о ледовых явлениях на
оз. Большое Миассово имеются с 1974 г., а с 1986 г. ведется мониторинг его термического режима. В качестве показателей изменения теплового режима озера выбраны продолжительность периода ледостава (ППЛ) и максимальная годовая температура придонного слоя воды (ТПС). Продолжительность периода ледостава определяется от момента установления ледового покрова на всей поверхности озера до полного освобождения озера ото льда в результате таяния и косвенно характеризует годовой теп-лозапас озера и общее влияние климата. Температуру придонного слоя воды мы считаем хорошим индикатором изменения термического режима, показывающим степень длительности и интенсивности поступления тепла в водную толщу. В отличие от температуры воды, измеряемой в поверхностном слое, ТПС мало зависит от суточных колебаний температуры воздуха, конвекции, волнового перемешивания и как более стабильный и инерционный параметр хорошо подходит для оценки многолетних изменений теп ло во го ре жи ма водое ма. Изме ре ния ТПС про води ли еже год но в период наибольшего прогрева придонного слоя воды на максимальной глуби не озе ра с помощью дис тан ци он ного термомет ра раз ных моде лей с точностью измерений 0,1 °С.
Результаты и их обсуждение
Пред став ля ло ин те рес вы яс нить осо бен нос ти мно голет него изме не ния температуры воздуха в районе исследований. Нами проведен анализ показателей потепления в регионе по данным метеостанции г. Миасс (Челябинская область). Рассмотрены тренды среднегодовой температуры воздуха, среднесуточной температуры воздуха в период прогрева открытой воды (апрель — сентябрь) — ТПВ и среднесуточной температуры в период охлаждения водоемов и ледостава (октябрь — март) — ТОВ. Все тренды оказались положительными, причем для первых двух показателей увеличение температуры отмечено только с середины 1980-х годов, а для последнего — с середины 1970-х годов. С 1974 по 2011 г. среднегодовая температура воздуха увеличилась на 1,2°С (угловой коэффициент 0,04°С/год), ТПВ — на 1,0°С (0,02°С/год), ТОВ — на 2,1°С (0,05°С/год). По полу чен ным дан ным мож но судить о ре ги о наль ном потеп лении кли ма-
та, которое более существенно проявляется в холодные месяцы (с октября по март). Анализ теплового воздействия атмосферы на тепловой режим водоемов показал, что, очевидно, не столько усиливался их прогрев в период открытой воды, сколько уменьшалась интенсивность охлаждения в подледный период. Автокорреляционный анализ не выявил каких-либо закономерностей в многолетних колебаниях указанных параметров, и с точки зрения статистики они выглядят случайными.
Анализ колебаний продолжительности периода ледостава с 1974 по 2011 г. показывает, что на уровне значимости р < 0,01 существуют две значимые отрицательные автокорреляции со сдвигом 5 лет (-0,38, р = 0,004) и 6 лет (-0,10, р = 0,007), т. е. каждые 5—6 лет наблюдаются максимумы или минимумы ППЛ (рис. 1). Это позволяет утверждать, что в колебании ППЛ присутствует примерно 11-летняя цикличность. Для выявления состав ля ю щих цик ла ППЛ был при ме нен ме тод се зон ной де ком по зи ции. Сглаженный тренд-цикл (рис. 1) подтверждает наличие колебаний ППЛ с периодом около 11 лет (1977—1988—1999 гг.), причем их амплитуда постепенно уменьшается. После 1999 г. период сокращается до 7 лет (1999—2006 гг.). Если рассмотреть циклическую составляющую и нерегулярный компонент ряда, то можно обнаружить, что первая имеет отрицательный, а второй — положительный тренд.
Увеличение вклада нерегулярного компонента может означать, что неупорядоченность колебаний ППЛ в рассмотренном временном ряду постепенно увеличивается, что, возможно, соответствует повышению общей неустойчивости климата. Кроме того, уменьшение доли циклической составляющей приводит к наблюдаемому уменьшению амплитуды и постепенному затуханию колебаний ППЛ. Что же касается общей тенденции много-лет него изме не ния ППЛ, то ли ней ный тренд (рис. 1) де мо нстри рует его постепенное уменьшение со скоростью около 0,3 сут/год (тренд статистически значим на уровне р < 0,057).
сут
1 — ППЛ; 2 — экспоненциально сглаженный тренд-цикл;
3 — линейный тренд. Вертикальные пунктирные линии обозначают максимумы ППЛ.
Рис. 1. Многолетняя динамика продолжительности периода ледостава на оз. Большое Миассово.
140
130_
160
150
180
170
1979
1988
1989
1999
1999
2006
2009
Нами был рассчитан кален дар ный сдвиг сро ков уста нов ле ния льда от 1 ноября и сроков полного освобождения водоемов ото льда от 20 мая. Установлено на-ли чие мно голет него трен да (статис ти чес ки значим на уровне р < 0,068) существенного запаздывания ледостава на 0,3 сут/год, в то время как осво бож де ние ото льда происходит в те же сроки или немного позднее, что и 37 лет назад (со сдвигом 0,08 сут/год; рис. 2; тренд статис ти чес ки значим на уровне р < 0,544, т. е. фактически отсутствует).
Рис. 2. Многолетняя динамика сдвига сроков схода льда и начала ледостава на оз. Большое Миассово.
1 — сдвиг сроков ледостава от 1 ноября и его линейный тренд (3); 2 — сдвиг сроков схода льда от 20 мая и его линейный тренд (4).
Изме не ние сро ков и длительности ледовых явлений при водит к сме не терми чес-ко го ре жи ма озе ра, что подтверждается динамикой ТПС, которая с 1986 по 2012 г. изменялась в пределах от 5,6 до 10,4°С. Линейный тренд параметра за этот пе ри од со ста вил 2,9°С, а его угловой коэффициент — 0,1°С/год (рис. 3; тренд значим на уровне р < 0,0001). Расчет авто кор ре ляци он ной функ ции по ка зал, что макси маль ные и на и более зна-чи мые кор ре ля ции на блю-даются со сдвигом 1 год (0,41, р = 0,024) и 5 лет (0,39, р = 0,013). В первом случае очевидна зависимость ТПС от прогрева водной тол щи в пред ы дущий год, во втором — мы имеем все тот же цикл, но не 11-летний (как в случае с ППЛ), а 5-летний (максимумы и ми ни мумы по вто ря ют-ся каждые 5 лет). При рас-че те кор ре ляции Пир со на (оба параметра имеют нормаль ное рас пре де ле ние) уста нов ле но, что меж ду ППЛ и ТПС имеется небольшая статистически значимая связь (г = -0,28). Во-первых, это означает вполне ожидаемую взаимо-за ви си мость мно голет ней
динамики ТПС и ППЛ. Во-вторых, слабый характер зависимости может свидетельствовать о том, что величина ППЛ, хотя и связана с внутриводо-емными термическими процессами и влияет на многолетнее повышение ТПС, во многом определяется макроклиматическими явлениями.
Следует отметить, что цикл ППЛ соответствует известному 11-летнему циклу солнечной активности со сдвигом на 1 год, т. е. через год после минимума солнечной активности наблюдается максимум ППЛ и наоборот. С одной стороны, это свидетельствует о главенствующей роли естественных причин не только в потеплении климата, но и в повышении температуры
Рис. 3. Мно го лет няя ди на ми ка мак си маль ной тем пе-рату
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.