ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ, 2007, № 4, с. 113-124
= ЭВОЛЮЦИЯ ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ
УДК 551.482(551.8)
РЕЧНОЙ СТОК В БАССЕЙНАХ КРУПНЕЙШИХ РЕК ЮЖНОГО СКЛОНА РУССКОЙ РАВНИНЫ
____w __-t
В ПОЗДНЕАТЛАНТИЧЕСКИЙ ОПТИМУМ ГОЛОЦЕНА1
© 2007 г. А. Г. Георгиади, И. П. Милюкова
Институт географии РАИ Поступила в редакцию 13.01.2006 г.
Представлены результаты оценки отклонений речного стока в бассейнах крупнейших рек Русской равнины от их современных значений, наблюдавшихся в период позднеатлантического оптимума голоцена (5-6 тыс. лет назад). Реконструкции климатических условий этого периода были основаны на результатах расчетов на глобальных совместных моделях общей циркуляции атмосферы и океана, участвующих в международной программе сравнения результатов модельных палеореконструкций климата (Paleocli-mate Modeling Intercomparison Project - PIMP), которая составляет часть международной программы исследования глобальных изменений в прошлом (Past Global Changes - PAGES). Для оценки гидрологических изменений используется модель месячного водного баланса, созданная в Институте географии РАН специально для оценки гидрологических последствий глобальных климатических изменений в крупных речных бассейнах, которая может быть отнесена к классу макромасштабных гидрологических моделей, которые активно разрабатываются в последние годы.
Введение. На территории бывшего СССР насчитывается около 3 млн. рек, общая длина которых превышает 9.6 млн. км [10]. Среди них особое место занимают крупнейшие реки, объединяющие в свои водные системы огромное количество малых и средних рек. Бассейны крупнейших рек выполняют функции своеобразных интеграторов процессов, протекающих в природно-антропо-генных комплексах.
На южном склоне Русской равнины выделяются три крупнейших речных бассейна - Волги, Днепра и Дона, которые вместе с принимающими их воды морями образуют сложнейшие системы и играют очень важную роль в функционировании природной среды и общества.
Изменения и колебания климата - один из основных факторов динамики водных систем крупнейших речных бассейнов, которая характеризуется ритмами различной длительности и амплитуды. Наблюдаемое глобальное потепление климата зачастую связывают с выбросами в атмосферу парниковых газов в результате деятельности человека и считают это ведущим фактором, определяющим современную и особенно будущую динамику процессов в бассейнах крупнейших рек, если судить по результатам расчетов на глобальных климатических моделях [20].
1 Исследования были выполнены при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант < 05-0564499).
Именно в этой связи примерно 20-25 лет назад возрос интерес к теплым палеоклиматическим эпохам [1, 2], которые с разной продолжительностью и интенсивностью неоднократно наблюдались в геологическом и историческом прошлом. Ряд ученых предложили рассматривать прошлые теплые климатические эпохи в качестве аналогов возможного антропогенного потепления в будущем [1, 3, 4].
В течение прошедшего времени методические разработки интенсивно развивались, и в последние годы, наряду с традиционными методами реконструкции климата, все более активно применяются климатические модели [11, 12, 29]. В течение более десятка лет выполняется международная программа сравнения результатов модельных палеореконструкций климата (Paleoclimate Modeling Intercomparison Project - PIMP), которая составляет часть международной программы исследования глобальных изменений в прошлом (Past Global Changes - PAGES), и в рамках которой участвуют 18 моделей климата [29].
Вместе с тем, традиционные методы реконструкции палеоклимата [3, 13, 16] по-прежнему широко используются как на глобальном, так и на региональном уровнях.
На наш взгляд, одновременное развитие этих направлений и сопоставление их результатов являются важнейшим условием дальнейшего развития методов реконструкции климата прошлого.
Около 20 лет результаты палеоклиматических реконструкций используются для восстановления речного стока прошлых геологических эпох на глобальном, континентальном, региональном и локальном уровнях [3, 4, 5, 8, 17, 18, 22, 23].
Был разработан целый ряд методов гидрологических реконструкций, от достаточно простых зональных зависимостей годового стока от климатических элементов [3, 4, 5, 23, 24] до существенно более сложных воднобалансовых моделей с декадным [9] и месячным разрешением [6, 7, 25] и моделей общей циркуляции атмосферы, в которых речной сток рассчитывался как остаточный член по разности между смоделированными атмосферными осадками и испарением [29].
Два первых подхода (назовем их гидрологическими) опираются на наиболее обоснованный, с нашей точки зрения, методический прием, который активно применяется в настоящее время [69, 25]. Суть его состоит в том, что в качестве исходных данных о палеоклиматических изменениях или возможных изменениях климата в будущем используются результаты экспериментов на климатических моделях или результаты палеогеографических реконструкций (а также оценки, полученные с помощью других методических приемов), тогда как оценки собственно гидрологических изменений основываются на гидрологических методах, с разной степенью детальности описывающих процессы формирования водного цикла. При этом следует отметить, что гидрологические изменения оцениваются, как правило, для равновесных климатических условий.
При использовании результатов реконструкций климата необходимо иметь в виду, что они весьма генерализованы по территории (сторона ячейки составляет от 250 до 500 км и более) и зачастую дают весьма противоречивое представление о характере и масштабах изменения климата. Таким образом, очевидно, что в этих условиях наиболее обоснованы вариантные и весьма генерализованные по территории оценки возможных тенденций гидрологических изменений.
Для получения оценок аномалий речного стока и других составляющих водного баланса в пределах крупных речных бассейнов авторами была разработана и использована модель формирования месячного водного баланса равнинных водосборов, позволяющая количественно оценить влияние таких важных стокообразующих факторов, как испаряемость, испарение, накопление снегозапасов и снеготаяние, изменение запасов влаги в деятельном слое почвы и фильтрацию влаги в подземные горизонты, изменение запасов воды в них и грунтовый приток в реки [6, 7, 25].
Известно, что условия формирования стока на различных участках крупных речных водосборов неоднородны, и в то же время имеется достаточно ограниченная информация о гидрофизических характеристиках почв и других стокообразующих характеристиках водосборов. Поэтому для идентификации некоторых параметров модели использовались методы оптимизации.
Предлагаемая в настоящей работе модернизированная модель месячного водного баланса позволяет численно оценить изменения речного стока и других элементов водного баланса на крупных речных водосборах в узлах регулярной сетки, что облегчает стыковку с данными экспериментов на моделях климата.
Характеристика крупнейших речных бассейнов Русской равнины. На рис. 1 представлена кар-то-схема расположения крупнейших речных бассейнов, в табл. 1 даны их некоторые обобщенные характеристики, а на рис. 2 приведены гидрографы их современного стока.
Модель месячного водного баланса и общая схема расчетов. Общая блок-схема модели показана на рис. 3. В рассматриваемой в этой статье версии модели оцениваются возможные изменения стока, формирующегося на поверхности и в подповерхностном слое почвы, а также в результате дренирования более глубоких подземных горизонтов активного водообмена. Первоначальная версия модели и ее последующие модификации подробно изложены в публикациях авторов [6, 7, 25].
Уравнение водного баланса для речного водосбора для условий полного дренирования зоны активного водообмена поверхностных и подземных вод, в самом общем виде, может быть записано следующем образом:
dw/dt=рю - - а^) - та,
где Ж - запас влаги в бассейне на момент времени t (мм); Р - атмосферные осадки, мм; ^ - сумма поверхностного и подповерхностного (почвенного) стока, мм; 0 - грунтовый сток, мм; сумма и <2ЯХ0 составляет речной сток, мм; Е - испарение, мм.
В модели описываются основные процессы гидрологического цикла суши: инфильтрация и аккумуляция влаги в почве, испарение (на основе модифицированного метода Торнтвайта [32], накопление снегозапасов и снеготаяние по методу В.Д. Комарова [14], формирование поверхностного и внутрипочвенного, грунтового и полного речного стока.
В этой модели учитываются макромасштабные неоднородности гидрометеорологических полей и
Рис. 1. Бассейны крупнейших рек Русской равнины.
других характеристик территории (вечная мерзлота, топография, почвы, растительность, гидрогеология). Такой подход обеспечивает необходимую степень точности моделирования изменений климата, получаемых в результате экспериментов на моделях общей циркуляции атмосферы.
В используемой в настоящей работе модернизированной версии модели месячного водного баланса численно оцениваются изменения речного стока и других элементов одного баланса в бассейнах крупных рек в узлах регулярной сетки, что облегчает стыковку с данными экспериментов на моделях климата.
Описание использованных данных. Исходной информацией для модельных расчетов являлись описанные ниже среднемноголетние данные о среднемесячных значениях температуры воздуха, сумм атмосферных осадков и речном стоке, наи-
меньшей влагоемкости почвы в узлах регулярной сетки.
При этом, поскольку расчеты проводились с суточным шагом по времени, использовались так называемые квазисуточные данные, т.е. месячные суммы осадков и среднемесячные температуры интерполировались на каждые сутки текущего расчетного месяца (осадки - равномерно, температуры - равномерно убывающими или возрастающими от начала до конца месяца).
Были использованы среднемноголетние данные о среднемесячных значениях температуры воздуха и атмосферных осадков в узлах регулярной сетки 1° х 1° из дополненного глобального архива, подготовленного в Международном институте прикладного системного анализа [21].
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.