ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2013, том 40, № 5, с. 496-506
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОД СУШИ С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
УДК 556.048
МОДЕЛИРОВАНИЕ СТОКА РЕК ОЛЕНЕК И ИНДИГИРКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОВЕРХНОСТИ СУШИ С АТМОСФЕРОЙ SWAP1
© 2013 г. Е. М. Гусев, О. Н. Насонова, Л. Я. Джоган, Г. В. Айзель
Институт водных проблем РАН 119333 Москва, ул. Губкина, 3 E-mail: sowaso@yandex.ru Поступила в редакцию 06.03.2012 г.
Исследованы возможности методики расчета стока с бассейнов рек Республики Саха (Якутии) — Оленек и Индигирка, находящихся в самых суровых климатических условиях суши. В основу методики расчета положена модель тепло- и влагообмена подстилающей поверхности суши с атмосферой SWAP в сочетании с информационным обеспечением, основанным на глобальных базах данных по параметрам подстилающей поверхности, а также метеорологической информации, полученной по данным наблюдений метеорологических станций, расположенных в бассейнах указанных рек или в непосредственной близости к ним. Для повышения качества расчетов использовался метод оптимизации части наиболее важных модельных параметров, включающих в себя как параметры подстилающей поверхности, так и (для р. Оленек) корректирующие множители для осадков и приходящей радиации.
Ключевые слова: гидрограф речного стока, взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью суши, физико-математическое моделирование, глобальные базы данных, бассейны рек Оленек и Индигирка, оптимизация параметров
Б01: 10.7868/8032105961303005Х
Глобальные климатические изменения, вызванные увеличением атмосферной концентрации двуокиси углерода и других парниковых газов, начали проявляться и, вероятно, будут усиливаться в течение последующих десятилетий. Во всяком случае в геофизическом сообществе растет количество ученых, придерживающихся мнения, что Земля будет испытывать постепенное потепление в ближайшие десятилетия, основная причина которого — продолжающийся рост концентрации парниковых газов в атмосфере. По оценкам многих авторов (например, [21]), концентрация СО2 в атмосфере к 2100 г. может почти удвоиться по сравнению с уровнем 1990 г., если выбросы двуокиси углерода в атмосферу сохранятся. Поэтому в последние годы направление исследований, связанных с изменением климата, переместилось с поиска ответа на вопрос: есть ли глобальное потепление — на выяснение того, где и какой значимости могут произойти изменения на Земле вследствие глобального потепления. Как отмечается в [11], полярные регионы, в зна-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 11-05-00015) и РАН (Госконтракт 74ОК/11-5).
чительной мере контролирующие гидрологические процессы и водные ресурсы Земли, подвергнутся ряду самых ранних и наиболее глубоких изменений, вызванных изменением климата. Большая озабоченность по поводу влияния меняющегося климата на водные ресурсы полярных регионов высказывается в отношении Арктики. Пан-Арктический бассейн характеризуется огромным разнообразием водных ресурсов, включая многие самые большие реки мира. При этом в докладах МГЭИК [13—15] даются оценки приращения температуры в северном полушарии к концу XXI в. — 3—5°С, а приращения осадков — на целых 15%.
Существенная часть водных ресурсов Арктики формируется в бассейнах крупных рек, впадающих в Северный Ледовитый океан. Поскольку эти реки переносят тепло, осадки, биогенные и загрязняющие вещества на север, то изменения климата даже в низких широтах оказывают значительное влияние на Арктику. Кроме того, изменения в совокупном стоке всех арктических бассейнов могут иметь большое значение для пресноводного баланса Северного Ледовитого океана, образования морских льдов и в конечном счете —
60° 70° 10° 80° 20°30°160° 80° 70°
40°
30°
60°
170°
160°
50° - 150°
-40° 140°
>30°
60° 30° 70
80°
90°
100°
110°
120°
130° 30
Рис. 1. Расположение бассейнов рек Оленек и Индигирка (границы показаны темно-серым цветом) и метеорологических станций (мелкие кружки) на территории бывшего СССР.
для потенциального воздействия на термохалин-ную циркуляцию и глобальный климат [11]. В частности, это касается и Гольфстрима, охлажденный поток которого, возвращаясь в южные широты, замыкает здесь конвейер своего течения. На работу конвейера оказывает сильное влияние соленость океанской воды, которая может заметно меняться как из-за таяния льдов Гренландии, так и из-за увеличения потока пресной воды, выносимой сибирскими реками.
В связи со сказанным возрастает роль и актуальность разработки моделей тепловлагообмена поверхности суши с атмосферой (в англоязычной литературе для подобных моделей используется аббревиатура LSM — Land Surface Model), которые могут быть использованы в качестве инструментария для оценки и прогноза стока сибирских рек, а также динамики водных ресурсов северного региона Земли при наличии набора сценариев климатических прогнозов. В ряде статей авторов настоящей работы [7—9, 19, 20] уже были показаны возможности LSM SWAP (Soil Water - Atmosphere - Plants)
для расчетов составляющих водного баланса бассейнов северных рек, расположенных в Европейской части Российской Федерации.
Данная работа посвящена исследованию применения модели SWAP для оценки составляющих водного баланса в другой части пан-Арктического бассейна, наиболее суровой в отношении климатических условий, — в среднесибирском регионе России, в бассейнах рек: Оленек, протекающей на северо-западе Республики Саха (Якутии), и Индигирка, протекающей в ее северо-восточной части (рис. 1). Причины, по которым были выбраны бассейны указанных рек, связаны именно со спецификой климата данного региона, определяющей суровость его метеорологических условий и особенности подстилающей поверхности. В частности, именно в Якутии находится "полюс холода" северного полушария (официально - в районе г. Верхоянска, неофициально -у с. Оймякон (рис. 1)).
Указанный регион практически весь расположен в зоне вечной мерзлоты, что определяет спе-
цифику подстилающей поверхности данной территории, влияющую на ее тепло- и влагообмен с атмосферой. Поэтому задачами данного исследования были ответы на следующие вопросы: во-первых, насколько хорошо модель SWAP воспроизводит речной сток в этих экстремальных природных условиях; во-вторых, насколько редкость расположения метеостанций в этом регионе (рис. 1), обеспечивающих основную входную информацию модели с точки зрения "раскручивания" гидрологических процессов в районах выбранных бассейнов, и не очень хорошее качество самих метеорологических данных и информации о речном стоке (все указанные факторы также обусловлены суровостью природных условий, существенно затрудняющих получение информационного обеспечения) скажутся на модельном воспроизведения стока указанных рек.
ОСНОВЫ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА СТОКА РЕК ИНДИГИРКА И ОЛЕНЕК
Методика расчета гидрографов стока рек Индигирка и Оленек основана на использовании модели LSM SWAP, представленной в [2—6, 18]. В ее основу положено физико-математическое описание процессов тепло- и влагообмена, происходящих в системе грунтовые воды—почва—растительный/снежный покров—приземный слой атмосферы. Модель позволяет рассчитывать составляющие водного и теплового балансов наземных экосистем и речных бассейнов, имеющих разные пространственные масштабы и находящихся в различных природных условиях, включая наличие многолетней мерзлоты.
ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ИССЛЕДУЕМЫХ РЕЧНЫХ БАССЕЙНОВ
Бассейн р. Оленек расположен на северо-западе Якутии за полярным кругом (между 104° в.д. и 124° в.д.) (рис. 1). Река берет начало на склонах горы Янгкан, впадает в Оленекский зал. моря Лаптевых. Река порожистая, ее длина достигает 2292 км, площадь бассейна ~220 тыс. км2. Среднегодовой слой стока составляет 174 мм. Бассейн реки беден озерами, общая озерность не более 0.67%, заболоченность достигает 6.3%.
Климат рассматриваемой территории — резко континентальный, что проявляется в очень низких зимних температурах воздуха (минимальные температуры достигают —60...—55°С) и высоких летних (максимальные доходят до 20...30°С). Главные факторы, определяющие такое своеобразие кли-
мата, — характер общей циркуляции воздушных масс и физико-географические особенности территории: ее удаленность и отгороженность горными системами от Атлантического и Тихого океанов, а также открытость со стороны Северного Ледовитого океана. Малоснежная зима и исключительно низкие температуры воздуха способствуют широкому распространению многолетней мерзлоты, достигающей большой мощности — до 500 м. Мощность сезонноталого слоя в среднем изменяется от 0.5 до 5.0 м. Лето короткое, но теплое. Летом в результате развития циклонической деятельности выпадает наибольшее количество осадков (около 300 мм), зимой осадков выпадает ~35—45 мм.
На территории бассейна снежный покров залегает около 230 дней на юге и 250 дней на севере. Суммарное испарение составляет 150 мм на севере и 200 мм на юге. Почвы в основном глеевые мерзлотно-таежные, на побережье — торфянисто-болотные и глеевые торфянисто-болотные. Растительность представлена мохово-лишайни-ково-кустарничковой тундрой (на севере) и лиственничными северо-таежными редкостойными лесами (преимущественно с лиственницей даурской) в средней и южной частях бассейна.
Питание р. Оленек преимущественно снеговое. Для водного режима характерно хорошо выраженное весеннее половодье (с конца мая — начала июня до примерно середины июля), на период которого приходится 80—90% объема годового стока. Ледостав начинается в конце сентября — начале октября. Лед вскрывается в конце мая — начале июня.
Бассейн р. Индигирки (рис. 1) расположен в восточной части Лено-Индигирского региона между 62° с.ш. и 72° с.ш. и 136° в.д. и 151° в.д. Индигирка — одна из самых больших рек, впадающих в Восточно-Сибирское море, ее длина — 1726 км. Бассейн реки находится в пределах четырех географических зон: таежных лесов (занимающих почти 80% площади бассейна), тундры, лесотундры и арктической пустыни. Площадь бассейна — 360 тыс. км2, средний годовой слой стока — 158 мм. По строению долины и русла р. Индигирка делится на два участка: верхний горный (пр
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.