УДК 556,532:551.583(282,247.41)
Масштабы гидрологических изменений в бассейне р. Волга, возможные при антропогенном потеплении климата
А. Г. Георгиади*, И, П. Милюкова*
Приведены результаты оценки изменений слоя стока половодья и годового стока, а также тутригодового распределения стока в бассейне р. Волга (до г. Волгоград), возможных при удвоении содержанью СО} в атмосфере. В качестве сценария изменения климата использовались результаты экспериментов с помощью глобальной математической модели Геофизической лаборатории гидродинамики (ОРОЦ Принстонского университета США. Гидрологические изменения выявлены на основе оригинальной модели месячного водного баланса.
Введение
Изменения стока р. Волга, возможные под влиянием глобального потепления климата, — одна из широко обсуждаемых региональных проблем. Ей в последние 10—15 лет уделяется большое внимание, что во многом объясняется возможным изменением уровня Каспийского моря ([1, 10] и др.).
Для оценки изменений речного стока р. Волга использовались самые разные методические подходы, начиная с достаточно простых зональных зависимостей годового стока от климатических элементов [2] до существенно более сложных воднобалансовых моделей с декадным [3] и месячным [8] разрешением и заканчивая моделями общей циркуляции атмосферы, в которых речной сток рассчитывался как остаточный член по разности между смоделированными атмосферными осадками и испарением ([1] и др.).
В основе двух первых подходов (назовем их гидрологическими) используется наиболее обоснованный, с нашей точки зрения, методический прием, который активно разрабатывается в настоящее время [2, 8, 9, 14, 15]. Суть его состоит в том, что в качестве исходных данных о вероятных изменениях климата используются расчеты по климатическим моделям или результаты палеогеографических реконструкций (а также оценки, полученные с помощью других методов [4, 7, 8]), тогда как собственно гидрологические изменения оцениваются с помощью гидрологических моделей, с разной степенью детальности описывающих процессы формирования водного цикла. При этом следует отметить, что гидрологические расчеты производятся, как правило, для равновесных климатических условий.
* Институт географии Российской академии наук. 72
Известно, что оценки, полученные на основе разных климатических моделей, весьма генерализованы по территории (сторона ячейки составляет от 250 до 500 км и более). При этом, как показывает их сравнение, они дают иногда противоположные оценки характера изменения климата. Кроме того, сопоставление глобальных и региональных модельных оценок также показывает их значительные различия.
Из множества существующих в настоящее время климатических моделей лишь несколько из них наиболее часто используются для оценки гидрологических последствий глобального потепления климата. Это модели Геофизической лаборатории гидродинамики (GFDL) Принетонекого университета в США, Метеорологической службы Англии (UKMO), Метеорологического института Макса Планка в Германии (ЕСНАМ-4), Центра по исследованию и прогнозу климата им. Хадли в Англии (IIADCM) и ряд других. Но и они характеризуются весьма широким разбросом оценок возможных изменений в разных регионах Земли, при этом полученные результаты зачастую различаются между собой даже по знаку. Однако следует оговориться, что для некоторых регионов разные модели дают достаточно близкие между собой по знаку и масштабу оценки.
Несомненно, что в настоящее время наиболее обоснован вариантный и весьма генерализованный по территории диагноз гидрологических последствий при возможном антропогенном потеплении климата.
В этом исследовании использовались результаты предвычисления глобальных изменений климата для условий удвоенного содержания С02 в атмосфере по данным [11, 12], полученные с помощью модели климата GFDL. ' ■■' ^ '
Для получения генерализованных оценок тенденций изменений речного стока и других составляющих водного баланса в пределах крупных* речных бассейнов была разработана и использована модель формирования месячного водного баланса для равнинных водосборов, позволяющая количественно оценить влияние таких важных стокообразующих факторов как испаряемость, испарение, накопление запасов воды в снежном покрове и снеготаяние, изменение запасов влаги в деятельном слое почвы и фильтрация влаги в нижележащие почвенные слои. Предлагаемая модель может быть использована для непрерывного расчета дождевого, талого и тало-дождевого стока в течение года.
Условия формирования стока на разных участках крупных речных водосборов неоднородны, в то же время имеется достаточно ограниченная информация о гидрофизических характеристиках почв, а также весьма приближенные оценки некоторые стокообразующих характеристик водосборов. Поэтому для идентификации ряда параметров модели использовались методы оптимизации. Предлагаемая в настоящей работе модель позволяет численно оценить изменения элементов водного баланса на крупных речных водосборах в узлах регулярной сетки.
Описание модели
С помощью рассматриваемой в статье версии модели оцениваются возможные изменения стока, формирующегося, главным образом, на поверхности и в подповерхностном слое почвы. Величина базисного стока при-
нималась равной минимальному меженному слою стока без учета его динамики.
Уравнение водного баланса для речного бассейна в самом общем виде может быть записано следующим образом:
dW/dt - P(t) - Q(t) - E(t) - I(t), (1)
где W— запас влаги (мм) в верхнем (деятельном) слое почвы на момент времени t; Р — атмосферные осадки (мм); Q — речной сток (мм, за вычетом базисного стока или сумма поверхностного и подповерхностного стока); Е — испарение (мм)] I — фильтрация влаги (мм) в нижележащие слои почвогрунтов, формирующая базисный сток. Мощность деятельного слоя почвы была принята равной 1 м, что, как показывает опыт расчетов и прогнозов стока, вполне обосновано для Русской равнины. Далее будем рассматривать динамику всех составляющих водного баланса, представленных в уравнении (1), в течение года.
Для расчета испарения (Е, мм/сут) с поверхности бассейна в я-е сутки за основу были взяты уравнения, предложенные в [13], которые в процессе работы были модифицированы и использовались в следующем виде:
En = ß,(E0n -Р„- M„)(W„/Wfc) при Рп + Мя< Е0п,
Е„ = Е0п при Р„ + М„> Е0п, (2)
где ß, = ß((E„ _ , - Pn - М„)!(Е„ _,-/>,- M„))/(Wn/Wfc); Рп — атмосферные осадки в п-е сутки; М„ — водоподача на поверхность бассейна в результате снеготаяния в я-е сутки; W„ — запас влаги в метровом слое почвы в п-е сутки; Wje — наименьшая влагоемкость почвы; ß — параметр.
Испаряемость в п-е сутки (Е0п, мм/сут) рассчитывалась из следующих соотношений:
Eon ~ 0 при Т< 0°С; £0л = аГ; (и,/30)(А15/12) при 0°С < Т< 26,5°С; Е0„ = (-415,85 + 32,24Тп - 0,43Гя2(л,/30)(Аи/12) при Г ä 26,5°С, (3)
где Г — температура воздуха (°С) в п-е сутки; л, — число дней в месяце; his — продолжительность светового дня в часах на 15-е число каждого месяца; а и а, — параметры.
Запас воды в снежном покрове оценивался как
S„ = S„ . , + Р„ - М„. (4)
Здесь S„ и S„ _1 — запасы воды в снежном покрове в п-е и (п - 1)-е сутки; М„ — снеготаяние в течение п-х суток; Р„ — сумма осадков в жидком эквиваленте за п-е сутки.
Суточное снеготаяние рассчитывалось по формуле из [6]
М„ = кТ„ при Гя>-1°С;
Мп = 0 при Т„ < -1°С (5)
(к — параметр).
Запасы влаги в метровом слое почвы {мм слоя) рассчитывались следующим образом:
!¥„= при Г„<-1°С;
= Шп _ , + Ря + М„ - Е„ при Т„ > -1°С. (6)
При {¥„ > Щ-с
Щ-с, К = АГ-
При 1¥п < 1¥/с
Фильтрация в нижележащие (ниже 1 м) почвогрунты принималась постоянной и определялась величиной базисного стока.
Далее из уравнения (1) с учетом всех вышеприведенных расчетных зависимостей определялся сток в л-е сутки
+ 1п = Рп + Мп-Еп -А\¥п при Р„ + М„ > En + AWn■
0п + = 1п при Ра + МЯ<Е„ + АШК (7)
(/„ — константа, равная величине базисного стока).
Для идентификации параметров модели а, а „ /3 и к использовалась процедура оптимизации X. Розенброка [5], которая представляет собой метод покоординатного спуска с попеременной заменой осей. Все расчеты проводились с суточным шагом по времени, полученные результаты суммировались по месяцам.
Исходной информацией для модельных расчетов являлись данные о среднемесячных многолетних значениях температуры воздуха, сумм атмосферных осадков, речного стока, а также данные о наименьшей влагоемко-сти 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, температура — равномерно убывающей или возрастающей от начала до юнца месяца).
Использованные данные
Были использованы среднемноголетние данные о среднемесячных значениях температуры воздуха и атмосферных осадков в узлах регулярной сетки 1 х 1° из глобального архива, описанного К. Дж. Виллмотт с соавторами в [13]. Эти данные, как и данные о стоке и отклонениях климатических элементов (температуры воздуха и осадков) при удвоении содержания СОг в атмосфере от их современных значений, были сглажены, для чего использовался метод скользящего осреднения.
Для подготовки данных о среднемноголетних месячных значениях речного стока в узлах регулярной сетки 1x1° для водосбора р. Волга (до г. Волгоград) была использована информация о среднемноголетнем месяч-
75
ном стоке средних рек бассейна Волги (их площади 7—55 тыс, км2), которая интерполировалась в узлы регулярной градусной сетки. Данные о стоке относились к средневзвешенному центру бассейнов, а затем интерполировались в узлы регулярной сетки. В расчетах использовались данные о месячном стоке, осредненные за 30-летний период.
Среднемесячные отклонения температуры воздуха и сумм осадков при условии удвоенного содержания С02 в атмосфере от современных значений получены из результатов расчетов модели климата С1-01, [11, 12]. Были использованы результаты "100-летнего" эксперимента авторов модели. В соответствии с ре
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.