научная статья по теме ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ МЕЖГОДОВОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ СТОКА СИБИРСКИХ РЕК НА ЦИРКУЛЯЦИЮ СЕВЕРНОГО ЛЕДОВИТОГО ОКЕАНА Геофизика

Текст научной статьи на тему «ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ МЕЖГОДОВОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ СТОКА СИБИРСКИХ РЕК НА ЦИРКУЛЯЦИЮ СЕВЕРНОГО ЛЕДОВИТОГО ОКЕАНА»

УДК 551.465.45

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ МЕЖГОДОВОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ СТОКА СИБИРСКИХ РЕК НА ЦИРКУЛЯЦИЮ СЕВЕРНОГО

ЛЕДОВИТОГО ОКЕАНА1 © 2015 г. В. И. Кузин, Г. А. Платов, Н. А. Лаптева

Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН 630090 Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6 E-mail: kuzin@sscc.ru Поступила в редакцию 06.10.2014 г., после доработки 14.11.2014 г.

В статье представлены расчеты по моделированию распространения аномалий пресной воды от сибирских рек в XXI веке в Северном Ледовитом океане по модели ИВМиМГ СО РАН на основе результатов модели ИВМ РАН сценария RPC 8.5 проекта CMIP-5 IPCC. Для расчета стоков рек используется линейная резервуарная модель с разрешением 1/3 градуса, включающая девять основных водосборных бассейнов Сибири.

Ключевые слова: речной сток, Северный Ледовитый океан, Северная Атлантика, численное моделирование, циркуляция океана, режимы циркуляции.

Б01: 10.7868/80002351515040069

ВВЕДЕНИЕ

В климатической системе Земли Арктика играет важную роль. В частности, это относится к гидрологической составляющей климатических процессов в Арктике и Северном Ледовитом океане (СЛО). Интерес к этим процессам в последние десятилетия существенно увеличивается. Северный Ледовитый океан вносит около 11% всей пресной воды в Мировой океан [1, 2]. Содержание пресной воды в СЛО на основе оценок работ [3—10] представлено в работах [11, 12]. Общее количество пресной воды, оцениваемое относительно среднего значения солености 34.8 промилле составляет по оценкам 80 тыс. куб. км [12] или 74 ± 7.4 тыс. куб. км [11].

Приток пресной воды в СЛО согласно работе [11] можно подразделить на следующие компоненты: превышение осадков над испарением в среднем около 2222 ± 200 куб. км в год [11]; поступление пресной воды через Берингов пролив по последним оценкам равно около 2.5 тыс. куб. км в год [7, 8]; сокращение арктического льда и таяние Гренландского щита, связанные с климатическими изменениями и потеплением в Арктике [9]; а также речной сток. Первые оценки речного притока в Арктику были даны в работах [4, 13]. Со-

1 Статья посвящена памяти академика Г.И. Марчука.

временные оценки [11, 12] дают значение около 3.2 тыс. куб. км в год.

Крупные реки российского Севера дают около 2.24 тыс. куб. км в год, что составляет около 70% от всего речного стока [12]. Наибольшую величину стока дают такие реки, как Енисей, Лена и Обь [14]. По данным Гидрометслужбы [15, 16] суммарные годовые расходы за периоды измерений претерпевает существенные межгодовые вариации, что является следствием изменений внутригодо-вого гидрографа. Расход пресной воды происходит через пролив Фрама и проливы Канадского Архипелага. Эта вода, будучи вынесена в виде льда, айсбергов или потока воды пониженной солености за пределы СЛО в северные моря Атлантики, является существенным регулятором в формировании термохалинной структуры и меридиональной циркуляции не только Северной Атлантики, но и всего Мирового океана [17, 18]. Примером этого влияния может служить возникновение "Большой со-леностной аномалии" в 1960-х, 1970-х годах [19].

Межгодовые изменения речного стока составляют ±25—35% от средних значений. Как следует из работ [20—22], существенную роль в этих межгодовых вариациях играет изменчивость атмосферной циркуляции, температурного режима и характеристик поверхности.

Исследование вариаций распространения пресной воды в системе Северный Ледовитый океан —

Северная Атлантика проведено в работе [23] на основе модели ИВМиМГ СО РАН.

Кроме межгодовой изменчивости, в гидрологических характеристиках сибирских рек наблюдаются положительные тренды, вызывающие в последние годы интерес климатологов, так как это является отражением трендов в общей климатической системе. Так, в последние десятилетия в Арктике наблюдается рост речного стока [24—27]. По данным [28] c 1936 по 1999 гг. сток основных шести сибирских рек вырос на 7%. Этот рост хорошо коррелирует с увеличением индекса NAO [28]. Это также может быть связано с положительным трендом NAM (North Annular Mode), являющейся частью Арктической осцилляции [29]. При этом весьма интересным представляется вопрос: будет ли этот процесс продолжаться и в дальнейшем в XXI столетии, продуцируя обратные связи в климатической системе. Все эти факты свидетельствуют о том, что влияние изменчивости баланса пресной воды в Арктике на климатическую систему в будущем веке может быть существенным и требует изучения на основе климатических моделей речного стока [30—33], моделей циркуляции отдельных океанов [34—36], а также совместных моделей климатической системы проекта CMIP-5 (см. напр., [37]. Метод математического моделирования для исследования процессов в атмосфере и океане, развитый в свое время Гурием Ивановичем Марчуком [38], является одним из наиболее эффективных инструментов исследования климатической системы Земли. В настоящей статье рассматриваются результаты моделирования межгодовых изменений пресноводного баланса, которые могут происходить в Северном Ледовитом океане в XXI веке при вариациях речного стока сибирских рек, рассчитанных по модели ИВМиМГ СО РАН на основе результатов расчетов модели ИВМ РАН [39] сценария RCP 8.5 проекта CMIP-5.

1. РАСЧЕТЫ РЕЧНОГО СТОКА

ДЛЯ СИБИРСКОГО РЕГИОНА

1.1. Климатическая модель речного стока

Разрабатываемая модель является линейной резервуарной моделью. Модель составлена из линейных резервуаров или каскада резервуаров в ячейках сетки. Скорость изменения стока из ячейки в простейшем варианте модели Калинина—Милюкова [24, 30] определяется на основе решения интеграла свертки (Дюамеля).

В конкретной реализации модели использовалась структура, предложенная в институте Макса Планка в Гамбургского университета [30]. В этом подходе поток воды на суше разделяется на три составляющие: поверхностный сток, грунтовый сток, речной сток. Значения коэффициентов за-

держки для поверхностного и речного стоков определяются по формулам, устанавливающим зависимость от наклона ячейки или от перепада высот между ячейками, отнесенного к расстоянию между их центрами. Поверхностный и грунтовый стоки рассчитываются для единичных резервуаров, а речной сток для каскада резервуаров. Количество каскадов в руслах рек определяется на основе полинома регрессии второго порядка, определяемого по величине коэффициента задержки. Значение коэффициента задержки грунтового стока для ячейки принимается постоянным. Инфильтрация воды в грунт проводилась в каждой ячейке на основе характеристик поверхности и процента среднего грунтового влагосодержания на основе гидрологических данных для каждого бассейна. В каждой ячейке производится учет процентного содержания болот и озер.

1.2. Данные для моделирования речного стока

и постановка эксперимента

Рассматриваемая область покрывает территорию 40° N-80° N 50° Е—170° Е по пространству. При проведении численных экспериментов по климатической модели речного стока было выбрано разрешение, составляющее 1/3 градуса по широте и долготе соответственно.

Для выбранного варианта модели стока необходимо задание следующих входных параметров: осадки, испарение, переходы из жидкой в твердую фазы и обратно, инфильтрация в почву. При верификации модели эти данные были взяты из данных реанализа МЕЯИА для периода 1980-2011 гг. Для сравнения данных расчетов и данных наблюдений на гидрологических постах были использованы следующие ежемесячные данные Гидрометеослужбы [15, 16] и данные R-ArcticNET [http://www.r-arctic-net.sr.unh.edU/v4.0/index.html]. Для проведения расчетов в XXI веке использовались данные расчетов по модели ИВМ РАН сценария RCP 8.5 проекта СМ1Р-5 1РСС.

Расчеты по модели речного стока состояли из двух экспериментов. Первый эксперимент предназначен для верификации модели стока. Для этого были проведены численные эксперименты по моделированию стока сибирских рек по данным реанализа MERRA и построены среднекли-матические годовые гидрографы, которые сравнивались с данными измерений. Во втором эксперименте проведено моделирование речного стока в XXI веке на основе данных расчетов по модели ИВМ РАН [39].

1.3. Результаты моделирования речного стока

В результате первого этапа были рассчитаны речные стоки на основе данных реанализа MERRA на период 1980-2011 гг. с шагом по времени шесть

часов. Климатические годовые гидрографы стоков при представлении результатов были разделены по бассейнам морей СЛО, в которые эти стоки поступают. Так, годовой гидрограф Обь плюс Енисей представляет поток воды, поступающий в Карское море. Поступление вод в восточные моря СЛО представляет собой сумму гидрографов сибирских рек, поступающих в море Лаптевых и ВосточноСибирское море. Отдельно представлен гидрограф реки Лена.

Результаты моделирования среднеклиматиче-ского годового гидрографа стоков в сравнении с годовым гидрографом для рек Обь, Енисей представлены на рис. 1. Отличия в максимальной амплитуде составляют —0.2%. На рис. 2 представлены результаты моделирования годового гидрографа для реки Лена. Отличия в максимальной амплитуде составляют 6.4%. На рис. 3 представлены суммарные результаты моделирования климатических гидрографов восточных рек. Отличия в максимальной амплитуде составляют —5.9%. Периоды наступления половодья совпадают во всех трех случаях. Приведенные результаты показывают достаточную адекватность модели для расчетов климатических стоков рек Сибири.

Вторым этапом был проведен численный эксперимент для XXI века (период 2006—2100 гг.) на основе данных расчетов на основе модели ИВМ РАН [39]. Общий сток (рис. 4) дает положительные значения притока по сравнению с климатическим значением 1798 куб. км. в год для всего периода. Анализ результатов по стокам в различные акватории СЛО показывает, что существуют заметные различия в притоках в Карское море и в восточные моря Арктики. В первом случае наблюдается дефицит поступления воды в СЛО до 2040 г. по сравнению со среднеклиматическим значением 995 куб. км в год (рис. 5). После этого значения стока увеличиваются, превышая климатические. Для рек, впадающих в море Лаптевых и Восточно-Сибирское море, сток превышает климатич

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.

Показать целиком