ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2015, том 42, № 4, с. 442-452
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОД СУШИ С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
УДК 551.583
ВОЗДЕЙСТВИЕ СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКИ НА ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ БАССЕЙНА КАСПИЙСКОГО МОРЯ1
© 2015 г. |Г. Н. Панин|, Т. Ю. Выручалкина, И. В. Соломонова
Институт водных проблем РАН 119933 Москва, ул. Губкина, 3 E-mail: vyruchi@list.ru Поступила в редакцию 31.03.2014 г.
Причина колебания уровня Каспийского моря, прогноз его изменений по-прежнему остается одной из нерешенных задач. В данной работе предлагается новый подход, базирующийся на результатах анализа воздействия Северной Атлантики на формирование климата бассейна Каспийского моря. Приведены результаты анализа транспорта влаги в бассейн Каспийского моря, а также связи осадков и температуры в бассейне Каспийского моря с индексами атмосферной и океанической циркуляции, приходившиеся на период спада и подъема уровня Каспия. Исследования транспорта влаги с Северной Атлантики, выполненные впервые, показали, что он является определяющим в формировании уровенного режима Каспийского моря.
Ключевые слова: Каспийское море, уровенный режим, транспорт влаги, изменение климата, индексы атмосферной циркуляции.
DOI: 10.7868/S0321059615040100
Рациональное использование водохозяйственных ресурсов рек Каспийского бассейна, рыбохозяйственные, рекреационные и т.п. проблемы напрямую связаны с прогнозом уровня моря. В ХХ в. колебания уровня Каспия достигли амплитуды 3.5 м (от —25.5 до —29 м) и стали наносить серьезный ущерб экономике прикаспийских стран. Проблема более обоснованного прогнозирования уровня Каспия особенно обострилась. Очевидно, что к решению этой проблемы можно подойти с позиции привлечения результатов прогнозирования климатических изменений. Однако и проблема предсказуемости климатических изменений с годами становится все более дискуссионной.
Потепление климата в ХХ в. происходило неравномерно, а в период с 1946 по 1975 г. даже наблюдалось незначительное понижение температуры, которое усиливалось от экватора к полюсу. Оценки колебания земного климата, вызванные, в частности, обратными связями в системе атмосфера—полярные льды—океан указывают на воз-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты 12-05-00659-а, 15-05-03127-а, 13-05-41007 РГО-а) и РНФ (соглашение № 14-17-00740). В рамках РНФ выполнены первые расчеты результирующего потока тепла между Атлантикой и атмосферой.
можность существенной переоценки чувствительности глобальных климатических моделей к увеличению концентрации парниковых газов в атмосфере [26]. Последние пятнадцать лет глобальная приземная температура воздуха не подтверждает тенденцию роста, на уровне же региональных масштабов она начала незначительно снижаться. Анализ современных изменений климата на территории Северной Евразии, выполненный по данным станционных наблюдений [14], показал значимые региональные различия климата. Аналогичное исследование для бассейна Каспийского моря [24] также выявило неоднородность изменений гидрометеорологических характеристик в пространстве и во времени, особенно для водосборов основных притоков рек Волги, Камы и Оки, что, в частности, может непосредственно влиять и на колебание уровня Каспийского моря. Это обстоятельство может оказаться полезным для раскрытия природы длительных направленных изменений уровня Каспия.
Многолетние изменения уровня Каспийского моря и составляющих его водного баланса исследуются на основе различных подходов. В большинстве случаев принимается гипотеза о стационарности климата на протяжении последних десятилетий. Используются вероятностная методика,
линейные и нелинейные стохастические модели с дискретным и непрерывным временем, физические модели взаимодействия внутренней динамики и шума внешней среды и т.д. Так, согласно исследованиям [2, 25], уровень Каспийского моря должен понижаться. Г.С. Голицын и др. [5, 7], используя аналогичный подход к исследованию водного баланса в период 1978—1995 гг., прогнозируют подъем уровня моря в этот же период. В [29] показано, что учет нелинейности системы уравнений водного и теплового баланса приводит к неустойчивым решениям при прогнозировании уровня моря, а в [28] отмечается необходимость разработки адаптивного прогноза уровня моря. Использование моделей общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО) на региональном уровне также часто приводит к противоречивым результатам. Например, российские ученые из Института физики атмосферы РАН совместно с учеными из Германии [1, 29], проанализировав изменения в гидрологическом цикле нескольких бассейнов, включая Каспийское море, отметили увеличение атмосферных осадков и поверхностного стока. Полученные результаты свидетельствуют о подъеме уровня Каспийского моря в XXI в. Несколько позже в [36] с использованием трех моделей и в [9] с помощью семи моделей МОЦАО показано, что уровень моря в XXI в. не будет значимо изменяться. В [30] для разных сценариев (IPCC A2 и Alb) и в [34] показано устойчивое снижение уровня Каспийского моря в течение XXI в. Таким образом, использование как вероятностных методик, так и моделей общей циркуляции атмосферы и океана не привело к успешному прогнозированию уровня Каспийского моря. Возможно, одну из причин отмеченных противоречий в прогнозах можно связать с использованием разных параметризаций для испарения (модели, использующие более сильную зависимость испарения от температуры воздуха, приводят к более сильному снижению уровня Каспия). Это обстоятельство указывает, в частности, на необходимость проведения дополнительных исследований испарения как с водной поверхности, так и с поверхности суши. Эта работа ведется, и первые обнадеживающие результаты показали возможности для более достоверного прогнозирования уровня моря [19]. Наряду с этим следует отметить и недостаточную изученность связи региональных изменений составляющих водного баланса Каспия с глобальными процессами [3, 10, 11, 14, 21, 22]. Эти исследования представляются особенно важными, так как до сих пор нет единого мнения в отношении изменения уровня Каспийского моря. Нет возможности
даже уверенно говорить о том, какие будут тенденции изменения его уровня.
Основная идея настоящей работы — проследить зависимость региональных изменений климата в бассейне Каспийского моря от процессов глобального характера, прежде всего в Северной Атлантике. Ранее было установлено, что, действительно, благодаря западному переносу воздушных масс воздействие климат Североатлантического региона вносит существенный вклад в формирование климата Евразии, особенно в средних и высоких широтах ЕЧР и сопредельных стран [12—16, 19—23]. Для описания климата в регионе Каспийского моря и колебания его уровня также представляется важным привлечение данных, характеризующих климатические изменения в регионе Северной Атлантики, так как физический механизм, генерирующий длительные направленные изменения уровня Каспия, остается не полностью изученным.
Запишем в простейшем виде уравнение водного баланса замкнутого водоема применительно к Каспийскому морю:
йк/М = ЯЕ/ Б (к) + Д - Еь + ОЕ/ Б (к), (1)
где ЕЕ — речной сток, ОЕ — подземный сток, Б(к) — площадь зеркала моря при уровне моря к, Рь и Еь — атмосферные осадки и испарение над зеркалом моря.
Далее запишем уравнение баланса влаги над регионом, включающим водоем и его бассейн, в следующем виде:
+ ЕЖГ = Е - Р, (2)
где Ж — интегральное влагосодержание атмосферы над регионом, ЕЖГ — суммарный поток влаги через боковую границу Г рассматриваемого региона, Р и Е — соответственно атмосферные осадки и испарение, проинтегрированные по площади региона. Уравнение (2) легко получить путем интегрирования уравнения для влажности атмосферы (см., например, [8, 32]) по площади рассматриваемого региона и от поверхности земли до некоторой большой высоты, на которой содержание влаги пренебрежимо мало по сравнению с нижележащими слоями. Будем полагать, что в уравнениях (1) и (2) все переменные — среднегодовые величины и производные по времени характеризуют межгодовую изменчивость.
В случае Каспийского моря слагаемым ОЕ/Б(к) можно пренебречь, поскольку ОЕ/Б(к) ~ « (0.01...0.02)Е£ [18]. Учитывая также, что среднегодовой речной сток определяется в основном разностью осадков и испарения на водосборе, положим ЯЕ/Б(к) = (Р/Б(к) - Рь) - (Е/Б(к) - Еь). То-
-26.5
-27.0 -
-27.5 -
-28.0 -
28.5
-29.0
1950
1960
1970
1980 Годы
1990
2000
2010
Рис. 1. Среднегодовые значения уровня Каспийского моря (светлая линия) и интегральные значения годовых величин транспорта влаги для региона 35°—57.5° в.д. (темная линия).
гда из уравнения (1) получим очевидное соотношение
(3)
йк/Я = (Р/£(к) - Рь) - (Е/£(к) - Еь) +
+ Рь - Еь = (Р - Е)1Б(к),
показывающее, что изменения уровня Каспийского моря определяются балансом осадков и испарения во всем регионе.
Сравнивая уравнения (2) и (3), получаем, что изменение уровня Каспийского моря может быть определено в следующем виде:
йк = (йЖ
М I Л
+ РЖг
1
Б(к)
-1- I® -Шг!Б(к). (4)
Из (1)—(4) следует, что изменение атмосферных осадков, испарения и уровня моря существенным образом зависит от интенсивности горизонтального переноса воздушных масс. Количество переносимой влаги зависит от содержания влаги в атмосфере над Северной Атлантикой. Для расчета транспорта влаги использовались данные реанализа NCEP/NCAR. Атмосферные характеристики включали в себя глобальные поля следу-
ющих среднемесячных величин: температуры воздуха, удельной влажности и скорости ветра на восьми уровнях (1000, 925, 850, 700, 600, 500, 400 и 300 Мб). Расчет переноса влаги с Северной Атлантики на бассейн Каспийского моря выполнялся для широтного пояса 30°—70° с.ш. Оценка транспорта влаги на территорию бассейна Каспийского моря была сделана для региона, ограниченного меридианами 35° и 57.5° в.д. Результаты расчетов авторов приведены на рис. 1, они показывают согласованность уровненного режима Каспийского моря с транспортом влаги. Периоды падения и подъема уровня Каспия согласуются с аналогичными периодами интенсивности транспорта влаги над бассейном Каспия. Момент смены тенденций в колебаниях уровня
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.