ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2012, том 39, № 1, с. 3-12
ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ ^^^^^^^^^^
И РЕЖИМ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 551.51.515,551.583.16,551.588
ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ БАССЕЙНОВ КРУПНЕЙШИХ РЕК СЕВЕРНОЙ ЕВРАЗИИ В XX—XXI вв.1 © 2012 г. В. Ч. Хон, И. И. Мохов
Институт физики атмосферы Российской академии наук 119017Москва, Пыжевский пер., 3 Поступила в редакцию 19.10.2010 г.
Выполнена оценка способности современных моделей климата воспроизводить среднегодовой режим речного стока и его внутригодовое распределение для крупнейших водосборов Евразии включая бассейны Волги и Амура, а также крупнейших сибирских рек: Оби, Енисея и Лены. Представлены оценки возможных изменений сезонного стока и характеристик ежедневных осадков (количества, интенсивности и вероятности) на водосборах для конца XXI в. Для анализа использовались результаты расчетов с климатическим моделями общей циркуляции, проведенных в рамках международного проекта сравнения Coupled Model Intercomparison Project.
Ключевые слова: речной сток, осадки, изменения климата, глобальные модели климата.
Данные наблюдений показывают, что для большинства крупных речных бассейнов сток в течение последнего тридцатилетия был выше среднего многолетнего значения [7]. В том числе отмечен заметный тренд увеличения стока крупнейших рек, впадающих в Северный Ледовитый океан [16, 19]. В частности, выявлено значительное увеличение годового стока Енисея в последнее десятилетие ХХ в. [9]. При этом отмечено существенное уменьшение стока для верхней части бассейна Оби.
Для оценок возможных гидрологических изменений в будущем, связанных с естественными и антропогенными причинами, используются глобальные модели климата, в том числе наиболее детальные климатические модели общей циркуляции атмосферы и океана с описанием динамики морского льда и процессов в деятельном слое суши с учетом биосферных эффектов. Согласно результатам численных экспериментов при глобальном потеплении в XXI в. следует ожидать дальнейшего увеличения стока сибирских рек [1, 4—6, 8, 12] и усиления тенденции экстремальности осадков над многими регионами [2, 3, 13, 21, 22].
Исследования гидрологического режима на водосборах крупнейших рек северной Евразии [1, 4—6] показали способность глобальных климатических моделей адекватно воспроизводить среднегодовой режим речного стока, оцениваемый разностью между осадками (Р) и испарением (Е) на водосборе. Однако оценка стока Р—Е не вос-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки (Госконтракт 14.740.11.1043) и программы РАН (ОНЗ № 11).
производит сезонные особенности внутригодово-го распределения стока, связанные с процессами снегонакопления и снеготаяния на водосборе. В данной работе выполнена оценка способности глобальных климатических моделей воспроизводить не только среднегодовой режим стока, но и его внутригодовое распределение. С использованием ансамбля климатических моделей выполнены оценки возможных изменений сезонного стока, а также характеристик ежедневных осадков (количества, интенсивности и вероятности) на крупнейших водосборах Северной Евразии в XXI в.
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Для анализа использовались результаты расчетов с ансамблем глобальных климатических моделей, участвующих в программе сравнения Coupled Model Intercomparison Project (CMIP) [14]. Расчеты с этими моделями использовались при подготовке 4-го Оценочного доклада Межправительственной группы экспертов по оценке климатических изменений (IPCC) [11]. Дополнительно была включена в анализ недавно разработанная глобальная климатическая модель общей циркуляции Kiel Climate Model (KCM) [18], которая также демонстрирует хорошее соответствие данным наблюдений. Для оценки возможных изменений гидрологических характеристик в XXI в. использовался умеренный сценарий антропогенного воздействия SRES-A1B.
Были использованы поля среднемесячных значений осадков и речного стока для периода 1900— 2099 гг. Акцент сделан на исследовании гидроло-
Широта, ' 80N 70N 60N 50N 40N 30N 20N 10N EQ 10S
(a)
Широта, 80N 70N 60N 50N 40N 30N 20N 10N EQ 10S
30W 0 30E 60E 90E 120E 150E 180 30W 0 30E 60E 90E 120E 150E 180
0.5 1.5 2.5 3.5
(в)
80N 70N 60N 50N 40N 30N 20N 10N EQ 10S
0.5 1.5 2.5 3.5 (Г)
30W
30E 60E 90E 120E 150E 180
0.5 1.5 2.5 3.5
80N 70N 60N 50N 40N 30N 20N 10N EQ 10S 30W
30E 60E 90E 120E 150E 180 1.5 2.^з"5
Рис. 1. Пространственное распределение среднего количества зимних (а, в) и летних (б, г) осадков, мм/сут, в северной Евразии по данным метеонаблюдений CRU (а, б) и мультимодельным расчетам (в, г) для 30-летнего периода 1961— 1990 гг.
гического режима крупнейших рек Северной Евразии: Волги, Амура, Оби, Енисея и Лены. Для сравнительного анализа поля осадков и речного стока были предварительно интерполированы на географическую сетку с разрешением 1 х 1. Для осреднения по речным водосборам использовалась маска водосборов на аналогичной сетке [16, 19]. Для сопоставления с модельными результатами использовалась база данных Global Runoff Data Centre (GRDC) [10] станционных наблюдений за стоком Волги (1879-2002), Оби (1930-2003), Енисея (1936-2003), Лены (1935-2003) и Амура (1932-2004 гг.), а также данные по осадкам Climatic Research Union (CRU) Университета Восточной Англии [15]. Помимо анализа речного стока, были рассчитаны характеристики ежедневных осадков, такие как среднее количество осадков P, их интенсивность I и вероятность дождливых дней F, связанные соотношением: P = FI [3, 13, 21].
ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ РЕЧНОГО СТОКА И ОСАДКОВ НА ВОДОСБОРЕ В УСЛОВИЯХ СОВРЕМЕННОГО КЛИМАТА
В данном разделе оценена способность климатических моделей воспроизводить современный среднегодовой режим речного стока, а также его внутригодовое распределение. На рис. 1 приведены распределения среднего количества зимних и летних осадков по данным наблюдений CRU в сопоставлении с мульти-модельными расчетами для базового 30-летнего периода 1961—1990 гг. В целом модельные расчеты реалистично воспроизводят климатологические особенности пространственного распределения сезонных осадков в различных регионах, в частности в бассейнах российских рек. На рис. 2 представлены среднегодовые значения стока Волги, Оби, Енисея, Лены и Амура, полученные по модельным расчетам в сопоставлении с данными наблюдений за 1961—1990 гг. Анализируемые модели (за исключением модели INM3.0 для водосборов Волги и Оби) адекватно
Я, мм/год 400
300 -
(а)
200
100
£ Й^л7 -V
ста Я, мм/год 400
300
200
100
о
Я, мм/год 400
300
200
100
(д)
II
Я, мм/год 400 г
300 -
200 -
100 -
£ V
V*
и
Я, мм/год
400 г
300 -
200 -
100 -
Рис. 2. Среднегодовой сток Волги (а), Оби (б), Енисея (в), Лены (г) и Амура (д). 1 — расчет с ансамблем моделей, 2 — среднее по ансамблю моделей, 3 — данные наблюдений для 1961—1990 гг. (здесь и на рис. 5 вертикальные линии — соответствующие среднеквадратические отклонения речного стока по модельным расчетам).
0
0
0
Анализируемые модели (х — модели, использованные для анализа ежедневных осадков; прочерк — неиспользованные модели)
Модель Страна Разрешение атмосфера/океан Сезонный сток* Ежедневные осадки
ВСМ2 Норвегия 763X31/0.5—1.5° х 1.5°735 V, О, У Ц А х
СС8М3 США 785726/0.3-1° х 1°740 V, О х
CGCM3-T47 Канада 747X31/1.9° х 1.9°729 V х
CGCM3-T63 » 763731/0.9° х 1.4°729 V х
стм Франция 763745/0.5-2° х 2°731 О х
С81Ш3.0 Австралия 763718/0.8° х 1.9°731 L х
С8ЖО3.5 » 763718/0.8° х 1.9°731 О, L х
ЕСНАМ5/МР1-ОМ Германия 763731/1.5° х 1.5°740 О х
ЕСНО^ Германия/Корея 730719/0.5-2.8° х 2.8°720 V, О х
FGOALS Китай 742726/360° х 180° х
GFDL2.0 США 2.0° х 2.5°724/0.3-1° х 1°750 х
GFDL2.1 » 2.0° х 2.5°724/0.3-1° х 1°750 х
GISS-AOM » 3° х 4°712/3° х 4°716 х
GISS-ER » 4° х 5°720/4° х 5°713 х
GISS-EH » 4° х 5°720/4° х 5°713 О
НШСМ3 Великобритания 2.5° х 3.8°719/1.5° х 1.5°720 -
HADGEM1 » ~1.3° х 1.9°738/0.3-1.0° х 1.0°740 О -
ШМ3.0 Россия 4° х 5°721/2° х 2.5°733 V, О х
IPSL Франция 2.5° х 3.75°719/1-2° х 2°731 О х
КСМ Германия 731719/0.5-2° х 2°731 х
МЖОС-НЯ Япония 7106756/0.2° х 0.3°747 О х
МЖОС-МЯ » 742720/0.5-1.4° х 1.4°743 V, О х
МШ » 742730/0.5-2.0° х 2.5°723 -
РСМ1 США 742718 У L, А х
* — модели, исключенные из анализа сезонного стока с водосборов Волги (V), Оби (О), Енисея (У), Лены (Ц), Амура (А).
воспроизводят среднегодовой режим речного стока для крупнейших водосборов северной Евразии. Средние по ансамблю моделей значения стока Волги, Амура, Оби, Енисея и Лены достаточно хорошо согласуются с данными наблюдений (рис. 2).
На рис. 3 приведен годовой ход стока Волги, Оби, Енисея, Лены и Амура по мультимодельному расчету в сопоставлении с данными наблюдений. Модели со значительными отклонениями величин сезонного максимума стока от наблюдаемого внутригодового распределения были исключены из анализа (таблица). При существенном разбросе
оценок модели в среднем качественно воспроизводят основные фазы внутригодового распределения речного стока для анализируемых водосборов. При этом для модельных расчетов сезонный максимум стока (рассчитанного как среднее по водосбору) наступает примерно на 1 мес. (для Оби ~2 мес.) раньше, чем по данным станционных наблюдений в устьевых областях рек, что можно объяснить отсутствием в климатических моделях блока расчета стекания воды в речном бассейне. В частности, наибольшее расхождение, полученное для бассейна Оби, связано с тем, что значительная доля площади этого бассейна представляет собой
Я, мм/год (а) Я, мм/год (б)
Февраль Апрель Июнь Август Октябрь Декабрь Апрель Июнь Август Октябрь Декабрь
т-1-1-1-1-1-1-1-1-1---1-1-1-1-1-1-1-1-1-г
Февраль Апрель Июнь АвгустОктябрь Декабрь Февраль Апрель Июнь АвгустОктябрь Декабрь
Я, мм/год
(в) Я, мм/год (г)
Февраль Апрель Июнь Август Октябрь Декабрь Февраль Апрель Июнь Август Октябрь Декабрь
Февраль Апрель Июнь АвгустОктябрьДекабрь Февраль Апрель Июнь АвгустОктябрьДекабрь
Я, мм/год (д)
Февраль Апрель Июнь Август Октябрь Декабрь 800
600
400
200
Февраль Апрель Июнь АвгустОктябрьДекабрь
Рис. 3. Годовой ход стока Волги (а), Оби (б), Енисея (в), Лены (г) и Амура (д) по м
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.