научная статья по теме МНОГОЛЕТНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМАОЗЕРА БОЛЬШОЕ МИАССОВО (ЮЖНЫЙ УРАЛ)В РЕЗУЛЬТАТЕ ПОТЕПЛЕНИЯ КЛИМАТА Геофизика

Текст научной статьи на тему «МНОГОЛЕТНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМАОЗЕРА БОЛЬШОЕ МИАССОВО (ЮЖНЫЙ УРАЛ)В РЕЗУЛЬТАТЕ ПОТЕПЛЕНИЯ КЛИМАТА»

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.

Показать целиком