УДК 556.535.001.572«20»(282.256)
Гидрологический режим в бассейнах сибирских рек: модельные оценки изменений в XXI веке
И. И. Мохов-, В. Ч. Хон*
Прмеден анализ характеристик гидрологического режима для бассейнов сибирских рек, в том числе региональных осадков и стока Оби, Енисея и Лены. С использованием совместных моделей общей циркуляции атмосферы и океана ЕСНАМ4/ОРУСЗ и На<1СМЗ воспроизведены вариации стока с середины XIX в. и получены оценки их изменений в XXI в. с учетом возможных антропогенных воздействий в связи с увеличением содержания парниковых газов в атмосфере. Аналогичные региональные оценки сделаны также с использованием глобальной климатической модели промежуточной сложности ИФА РАН. В целом па фоне значительной межгодовой и междесятилетней изменчивости модельные расчеты выявили общий рост осадков в бассейнах и стока рек в XXI в., особенно значительный для Лены. При этом возможно некоторое уменьшение стока Оби и Енисея в первой половине XXI столетия. Проявляется тенденция увеличения диапазона модельных межгодовых вариаций региональных характеристик гидрологического цикча. Получены модельные и эмпирические оценки связи изменений стока сибирских рек с изменениями циркуляционного режима атмосферы, в том числе с индексами севе-роатлиптического и арктического колебаний, характеристиками атмосферных центров действия, в частности сибирского максимума.
1. Введение
В связи с глобальными климатическими изменениями проявляются значительные региональные вариации гидрологического цикла [23] с экстремальными осадками и наводнениями, в частности в бассейнах сибирских рек. Изменения гидрологического режима в бассейнах сибирских рек, впадающих в Северный Ледовитый океан, могут существенно изменить режим солености океана из-за вариаций стока таких крупнейших рек как Обь, Енисей, Лена. Это связано с изменением режима формирования морского льда в Северном Ледовитом океане, океанической термохалинной циркуляции, в том числе Атлантической термохалинной циркуляции [1, 6, 9, 14—17, 21, 23—25, 29, 34, 36, 37, 40, 45, 54]. Вследствие этого возможны заметные изменения климата, в первую очередь регионального.
В Арктический бассейн поступает около одной десятой мирового речного стока пресной воды. При этом на Арктический бассейн приходится только вдвое меньшая доля площади (около 5%) и существенно меньшая (около 1%) объема Мирового океана [10]. Значительный вклад в приток пресной воды в Северный Ледовитый океан связан с речным стоком,
* Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова Российской академии наук.
основная часть которого определяется стоком азиатских рек с доминирующим вкладом Оби, Енисея и Лены [4, 10, 16, 19, 34, 51]. Площадь водосбора рек, впадающих в Северный Ледовитый океан, заметно превышает его площадь. Существенная часть стока пресной воды в полярный бассейн связана со снегонакоплением на территории России (см., например, [16, 53]). Примерно 2/3 континентального речного стока в Арктический бассейн приходится на азиатские реки, при этом около 86% речного стока из Азии дают Енисей (около трети), Обь (около четверти) и Лена (более четверти).
Исследования стока сибирских рек в Северный Ледовитый океан входят в круг задач целого ряда международных и национальных программ, в том числе программ ACSYS, CliC, CLIVAR, GEWEX [21, 25, 29, 43, 48]. Исследование климатической изменчивости в Арктике выделено в качестве одного из приоритетных направлений российских исследований в рамках международной программы по исследованию климатической изменчивости и предсказуемости CLIVAR [8, 11]. Проблема изменения регионального гидротермического режима в арктических и субарктических широтах связана с изменениями вечной мерзлоты, в том числе в бассейнах сибирских рек. Цель данной работы — анализ (с использованием климатических моделей) возможных изменений в XXI в. гидрологического режима в бассейнах сибирских рек, в том числе региональных осадков и стока Оби, Енисея и Лены.
2. Описание модельных экспериментов и эмпирических данных
Для диагностики изменений гидрологического режима в бассейнах сибирских рек использовались результаты численных экспериментов с климатическими моделями общей циркуляции атмосферы и океана (КМОЦ) ECHAM4/OPYC3 [41, 44] и НаёСМЗ [26, 52) для периода 1860—2100 гг. [14, 40]. Аналогичный анализ в [2, 3, 18] проводился для бассейна Каспийского моря и стока Волги, а также для бассейна Ладожского озера и стока Невы. Анализировались также результаты соответствующих численных экспериментов [38—40] с климатической моделью (КМ) ИФА РАН [13, 31, 42], которая относится к семейству моделей промежуточной сложности (EMICs — Earth System Models of Intermediate Complexity) [20]. В численных экспериментах концентрация парниковых газов в атмосфере для подпериода 1860—1990 гг. задавалась по данным наблюдений, а для подпериода 1991—2100 гг. — в соответствии со сценарием IS92a [22]. При этом для КМ ИФА РАН в данной работе анализируются результаты соответствующих расчетов со сценарием IS92a с изменением только содержания С02 в атмосфере.
Площадь бассейна Оби около 3 млн. км2, Енисея — около 2,6 млн. км2, Лены — около 2,5 млн. км2 [10]. При пространственном разрешении модели ECHAM4/OPYC3 примерно 2,8° по широте и долготе водосборы Оби, Енисея и Лены занимают от 48 до 65 модельных ячеек. Для сравнения пространственное разрешение HadCM3 составляет 2,5° по широте и 3,75° по долготе, а в КМ ИФА РАН — 4,5° и 6° соответственно. 78
Речной сток (0 в расчетах определялся как разность между осадками (Р) и испарением (Е) на водосборе. Для сравнения использовались эмпирические данные о стоке Оби за 1930—1994 гг., Енисея— за 1936—1995 гг., Лены — за 1935—1994 гг. [27]. Эти данные доступны, например, через Глобальный центр данных о стоке [29]. Кроме того, использовались климатологические средние значения для стока сибирских рек, осадков и испарения в бассейнах по различным данным [4, 10, 19, 35, 47, 51].
3. Анализ результатов
На рис. 1 представлены вариации среднегодовых значений стока Оби, Енисея и Лены в 1860—2100 гг. по результатам численных экспериментов с климатическими моделями общей циркуляции ЕСНАМ4/ОРУСЗ и НасЮМЗ. Приведены также соответствующие результаты при 30-летнем скользящем осреднении. Модельные расчеты сопоставляются с межгодовыми вариациями стока рек по эмпирическим данным.
Сток, мм/геЗ 250200 150т
50 350
т
250 2О0 150 100
гио м 100 50 11 . 350
300 250 ■ МО 150
то ■
350300 250 200 150 100
Сток, мм/гвй 6)
г)
50
1850 1900 1950 2000 2050 1100
1850 то 195а гооо ?.05в гюо
Рис. 1. Межгодовая изменчивость стока Оби {в, б), Енисея (в, г) и Лены (е>, е) в моделях ЕСНАМ4/ОРУСЗ (а, е. д; /) и НайСМЗ (б, г,е;1) в сопоставлении с эмпирическими данными (1930—1994 гг.) (2).
Приведены также модельные данные при 30-летнем скользящем осреднении (3).
3.1. Сравнение с эмпирическими данными для XX века
Средние величины и межгодовая дисперсия. В табл. 1 сравниваются средние значения разности осадков и испарения (Р - Е) в бассейнах сибирских рек по модельным расчетам и стока (0 по эмпирическим данным для одних и тех же периодов: 1930—1994 гг. для Оби, 1936—1994 гг. для Енисея и 1935—1994 гг. для Лены. В скобках указаны также среднеквадра-тические отклонения (СКО) для межгодовых вариаций. Кроме того, приведены климатологические значения и Р - Е по разным данным. Суммы осадков в бассейнах сибирских рек по модельным расчетам для XX в, сопоставлены с климатологическими оценками Р.
В целом получено достаточно хорошее согласие среднего стока рек по модельным оценкам с данными наблюдений. Исключение составляет заметное занижение стока Лены, особенно моделью промежуточной сложности. При этом средние суммы осадков в бассейне Лены, полученные в КМ ИФА РАН (а также в КМОЦ ЕСНАМ4/ОРУСЗ), наилучшим образом соответствуют данным наблюдений. Расчеты показывают, что характерная для всех трех моделей недооценка стока Лены связана с переоценкой испарения в бассейне. Лучшее соответствие данным наблюдений для стока Лены получено для КМОЦ НасЮМЗ.
Межгодовая изменчивость стока рек, характеризуемая СКО, согласно данным табл. 1, в целом (кроме изменчивости стока Лены по расчетам с помощью ЕСНАМ4/ОРУСЗ и КМ ИФА РАН) больше изменчивости модельного речного стока при оценке его разностью осадков и испарения в бассейнах.
Спектры. Был проведен также спектральный анализ характеристик гидрологического цикла в бассейнах сибирских рек, в том числе модельного стока Оби, Енисея и Лены и осадков в их бассейнах с использованием метода, описанного в [5, 12]. Лучшее соответствие спектру по эмпири-
Таблица 1
Средние значения стока (мм/год) сибирских рек и осадков (мм/год) в их бассейнах по модельным расчетам, данным наблюдений и разным климатологическим оценкам
1 Величина | Обь Енисей Лена
Сток (Р-Е)
ЕСНАМ4/ОРУСЗ 146 (±31) 217 (±25) 166 (±27)
НадСМЗ 151 (±30) 237 (±36) 181 (±37)
КМ ИФА РАН 146 (±41) 256 (±61) 76 (±25)
Сток (О), наблюдения 134 (+21) 233 (±18) 216 (±26)
Климатологические оценки Р-Е 130—135 237—244 190—214
Осадки
ЕСНАМ4/ОРУСЗ 491 (±34) 585 (±28) 464 (±28)
НасЮМЗ 513 (±40) 621 (±36) 505 (±33)
КМ ИФА РАН 630 (±50) 687 (±69) 461 (±32)
Климатологические оценки Р 543—545 519—560 462—464
Примечание. В скобках приведены межгодовые среднеквадратические отклонения.
ческим данным получено для стока Енисея в модели ЕСНАМ4/ОРУСЗ. При этом оценка модельного стока разностью осадков и испарения в бассейне без учета гидрологических процессов в почве приводит к общей переоценке высокочастотной (межгодовой) изменчивости [14, 40]. Эффекты влагонакопления в почве сказываются на межгодовых вариациях стока и приводят к уменьшению их высокочастотной изменчивости. Это отмечено и для других сибирских рек в других моделях, за исключением стока Лены в КМ ИФА РАН. Аналогичные различия проявляются и для Волги [7], и для Невы [3].
3.2. Изменения в XXI веке по сравнению с XX веком
Средние значения, дисперсии и тренды. В табл. 2 представлены относительные изменения региональных осадков и речного стока в XXI в. относительно XX в., а также соответствую
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.