УДК 556.555.4.7<<2010>>(470.22)
Влияние экстремально жаркого лета 2010 г. на температуру воды и распределение кислорода в озерах Карелии
Т. В. Ефремова*, Н. И. Пальшин*, Г. Э. Здоровеннова*, А. Ю. Тержевик*
Приводятся результаты анализа межгодовой изменчивости термического режима двух карельских озер. Данные многолетних наблюдений на оз. Сям-озеро в 1953—2011 гг. и на оз. Вендюрское в 2007—2013 гг. позволили проанализировать и сравнить диапазон естественной межгодовой изменчивости температуры воды в озерах и ее значения рекордно жарким летом 2010 г. Рассмотрено влияние экстремальных условий лета 2010 г. на формирование термической стратификации в озерах и режим растворенного кислорода. Установлено, что с потеплением климата может увеличиться вероятность возникновения глубоководной аноксии в мелководных озерах умеренной зоны.
Ключевые слова озера Карелии, экстремально жаркое лето 2010 г., температура воды, содержание растворенного кислорода, глубоководная аноксия.
Введение
В 2010 г. на европейской территории России наблюдался абсолютный максимум летней температуры воздуха (как по значениям, так и по продолжительности) за весь период инструментальных наблюдений (1886—2010 гг.) [3]. Причиной такой жары стал малоподвижный стационарный антициклон, блокировавший процессы западного переноса [2, 3, 5, 7, 14]. Подобные периоды аномальной погоды (волны тепла) отмечались и ранее — в 1972 г. в России, в 2003 г. в Западной Европе. Но установившийся летом 2010 г. над европейской территорией России блокирующий антициклон был экстремальным по своей интенсивности и продолжительности (около двух месяцев). Особенно тепло было в центре и на юге европейской территории России. Так, в Москве в июле было зарегистрировано 10 температурных рекордов (http://meteo.ru/pogoda-i-кНта^2274етрегаШтуе-гекоМу). Южная часть Карелии также испытала сильную жару. Метеорологическая станция Петрозаводск стала одной из первых, где 7 июля 2010 г. был обновлен абсолютный исторический максимум температуры воздуха, в Москве рекордное повышение температуры наблюдалось 16 июля. Всего в июле 2010 г. на станции Петрозаводск было отмечено семь абсолютных календарных максимумов температуры воздуха (33,0—33,2°С), при этом среднесуточная температура воздуха составляла 25,0—27,9°С.
По данным инструментальных наблюдений, самым теплым с середины XIX в. было последнее десятилетие (2004—2013 гг.), при этом блокирующий
* Институт водных проблем Севера Карельского научного центра Российской академии наук; e-mail: efremova@nwpi.krc.karelia.ru.
антициклон 2010 г. развивался на фоне глобального потепления. Авторы работы [3] установили, что в результате влияния глобального потепления аномалия температуры воздуха летом 2010 г. составила ~2,5—3,0°С. Возникновение такой жары предоставило исключительную возможность эмпирическим путем проверить характер функционирования озер умеренной зоны в условиях более теплого климата.
Одним из наиболее значимых физических параметров в любой озерной системе является температура воды. Незначительные изменения термического режима озера, например термической стратификации, могут существенно влиять на количественный и качественный состав фитопланктона, бактериопланктона и зоопланктона. Рекордно жаркое лето 2010 г. повысило актуальность проблемы климатических изменений и их последствий. Цель настоящей работы — определить влияние длительного блокирующего антициклона в летние месяцы 2010 г., сопровождавшегося повышенной солнечной радиацией и продолжительной аномально высокой температурой приземного воздуха, на температуру воды и содержание кислорода, являющиеся важными элементами экосистемы озер умеренной зоны.
Данные наблюдений
Для исследования в Южной Карелии были выбраны два озера — Сямозеро и Вендюрское. Расположенные в 30 км друг от друга и, по существу, находящиеся в одинаковых климатических условиях, они заметно различаются по морфо-метрическим характеристикам. Сямозеро по площади и глубине представляет собой среднее озеро, Вендюрское — типичное малое озеро:
Озеро Сямозеро Вендюрское
Широта с., град 61,92 62,25
Долгота в., град 33,28 33,25
Высота над уровнем моря, м 106,5 143,8
Площадь, км2 266 10,4
Средняя глубина, м 6,7 5,3
Максимальная глубина, м 24,5 13,4
Объем, км3 1,79 0,06
Оба озера мезотрофные и по вертикальной термической структуре относятся к метатермическому типу, т. е. обычно имеют два слоя: верхний квазиоднородный и нижний стратифицированный [4, 6].
Были проанализированы среднедекадные данные о температуре поверхности воды оз. Сямозеро за 1953—2011 гг., собранные Карельским центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Среднемесячные данные о температуре воздуха летом за тот же период были рассмотрены на примере метеостанции Петрозаводск. Для характеристики летней вертикальной термической структуры и концентрации растворенного кислорода использовали данные непрерывных измерений на оз. Вендюрское в 2007—2013 гг., полученные сотрудниками Института водных проблем Севера Карельского научного центра Российской академии наук. Высокочувствительные приборы канадской фирмы "RBR Ltd" (TR-1060, TDR-2050, TD0-1050) устанавливали на буйковых станциях оз. Вендюрское на разной глубине через 1—1,5 м. Измерения проводили с шагом по времени одна минута, что позволило получить подробные материалы
о поступлении и перераспределении тепла и изменении содержания растворенного кислорода во всей водной толще озера. Срочные данные наблюдений на станции Петрозаводск (http://meteo.infospace.ru/win/wcarch/html/r_day_stn. sht?num=514) были использованы за период измерений 2007—2013 гг.
Результаты и обсуждение
В июле 2010 г. среднемесячная температура воздуха на станции Петрозаводск составила 22,3°С, что превысило среднее значение по выборке (16,5°С) за период 1953—2011 гг. на 3,1а (а — стандартное отклонение), и была выше базовой нормы 1961—1990 гг. на 6,2°С. Средняя температура поверхности воды (23,7°С) оз. Сямозеро в июле превысила среднее значение по выборке (18,7°С) на 2,9а. Причем в июле 2010 г. среднемесячная температура воды была на 2,5°С больше предыдущего рекорда 1972 г. (рис. 1а). Экстремально высокая (для данной местности) среднедекадная температура поверхности воды 25,8°С была зарегистрирована во второй декаде июля.
Очень теплыми также были две первые декады августа 2010 г., когда средняя температура воздуха составила 22,5°С (рис. 16). В августе среднемесячная температура воздуха превысила среднее значение по выборке (14,4°С) на 2,0а, а температура воды — на 2,6а. Небывало большие значения среднедекадной температуры воды оз. Сямозеро наблюдались в первой и во второй декадах августа (23,8 и 22,5°С соответственно).
Статистический анализ временных рядов температуры воздуха и воды в июле за период 1953—2011 гг. показал наличие значимых положительных трендов (рис. 1а). Линейные тренды были рассчитаны методом наименьших квадратов и выражены в градусах за десятилетие. Установленная средняя
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Рис. 1. Среднемесячные значения температуры поверхности воды оз. Сямозеро (7) и приземной температуры воздуха на метеорологической станции Петрозаводск (2) и соответствующие линейные тренды в июле (а) и в августе (б) за период измерений 1950—2010 гг.
скорость изменения региональной температуры воздуха в июле составила 0,4°С/10 лет, уровень значимости р < 0,01, а для температуры воды в озере — 0,52°С/10 лет (р < 0,0001). В августе тренд температуры воздуха оказался незначимым (рис. 16), а температура воды в озере увеличивалась на 0,39°С/10 лет (р < 0,0001).
Известно, что развитие гидробионтов разных видов и их существование в водоеме возможны только в определенных температурных условиях. Особенно важен период, когда температура верхнего слоя воды в озерах устойчиво больше 10°С (так называемое биологическое лето). Для каждого года наблюдений на оз. Сямозеро была определена дата устойчивого перехода температуры воды через 10°С весной и осенью. Разность между датами начала и конца периода соответствовала продолжительности биологического лета, а интегральная сумма значений температуры воды за каждый день, превышающей 10°С, — сумме градусо-дней биологического лета [6].
Весной средняя дата перехода температуры воды через 10°С наблюдается в конце мая — первой декаде июня, а осенью она приходится на конец сентября — первую декаду октября. На оз. Сямозеро средняя продолжительность периода с температурой воды у берега выше 10°С составляет 120 сут, причем максимальная продолжительность биологического лета достигла 142 сут в 2006 г., минимальная составила 92 сут в 1956 г. (рис. 2). Средняя сумма гра-дусо-дней для оз. Сямозеро за этот период равна 1927. Установлено, что сумма градусо-дней и продолжительность биологического лета достаточно тесно связаны (коэффициент корреляции 0,91). Следует отметить, что особенно теплым было последнее десятилетие, средняя продолжительность биологического лета за этот период составила 132 сут, сумма градусо-дней — 2191.
Температура воды в июле и первой половине августа 2010 г. была аномальной, тем не менее, несмотря на максимальную сумму градусо-дней (2396), из-за прохладного июня биологическое лето не стало самым продолжительным (138 сут). Однако продолжительность периода с температурой поверхности воды выше 20°С в этом году составила 50 сут, что для озер Карелии является крайне экстремальной ситуацией.
Результаты исследований в области моделирования влияния климатического потепления на температурный режим разнотипных озер мира [9, 11—13] свидетельствуют о том, что при повышении температуры воздуха температура воды увеличивается в эпилимнионе, а в гиполимнионе она не увеличивается
Рис. 2. Продолжительность биологического лета (1), сумма градусо-дней Егд (2) на оз. Сямозеро и соответствующие линейные тренды за период измерений 1950—2010 гг.
или уменьшается. Эти прогнозы подтвердились натурными данными. В 2003 г. в Центральной Европе наблюдалась так называемая волна тепла, когда средняя температура воздуха в летний период (июнь — август) превысила ее среднее много
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.