Анализ результатов моделирования внутригодового изменения элементов водного баланса атмосферы и поверхности суши Казахстана

Рассмотрена взаимосвязь между элементами водного баланса для водохозяйственных бассейнов Казахстана и смоделированы возможные состояния увлажнения территории при измене­нии климата по сценариям В1 и А2 до 2020-2050 годов.

В распределении стока рек в течение года определяющую роль играют климатические факторы. Главные факторы внутригодового рас­пределения стока - общая увлажненность бас­сейнов, характеризующаяся годовой суммой осадков, особенностью их выпадения в разные сезоны, включая интенсивность и продолжи­тельность; температура воздуха, определяющая вид осадков (жидкие или твердые); испаряе­мость, от которой зависит верхний предел испа­рения с суши и которая, в свою очередь, опре­деляется радиационным балансом; влажность воздуха. Поскольку пространственные измене­ния климатических характеристик подчиняют­ся определенным закономерностям, последние должны отражаться и в водном режиме рек. Однако механизм преобразования осадков, вы­павших на водосбор, в речной сток чрезвычайно многообразен и в значительной степени зависит от факторов подстилающей поверхности, к кото­рым относятся растительный и почвенный по­кров, геоморфология, озерность, заболоченность и др., а также от гидрогеологических условий. В зависимости от их особенностей распределение стока конкретных водотоков может существенно отличаться от водного режима рек, характерно­го для региона с одинаковыми климатическими условиями.

По результатам исследований [1] в России средний годовой уровень подземных вод в 1978-1990-х гг. находился на 15-85 см выше, чем за предшествующий период наблюдений. Увеличе­ние запасов подземных вод привело, в свою оче­редь, к возрастанию подземного питания рек и значительному повышению их меженного стока, по данным водно-балансовой станции (ВБС) до­стигшими 50-60 %. Вывод о том, что основной причиной возрастания подземного питания рек и роста меженного стока является увеличение запасов подземных вод, хорошо подтвержда­ется анализом зависимостей летне-осеннего и зимнего стока рек от среднего за сезон уровня подземных вод. Следует особо подчеркнуть, что эти выводы относятся к стоку рек, дренирующих основные водоносные горизонты. Что касается расположенных в лесостепной и степной зонах ЕТР временных водотоков, а также малых рек, которые не дренируют основные водоносные горизонты, то, несмотря на повышенную увлаж­ненность, их сток во все сезоны года может сни­жаться.

Следующий вывод - увеличение меженно­го, прежде всего зимнего, стока рек является наиболее выраженной реакцией водосборов на потепление последних десятилетий. Так, повсе­местное увеличение меженного стока в послед­ние 20-25 лет выявлено на реках Украины. На всех основных реках Беларуси (Западная Двина, Неман, Вилия, Днепр, Припять) в 1988-2002 гг. очень существенно повысилась водность зим­них месяцев, а также на большинстве рек возрос летний сток. Расчет и анализ трендов годового и сезонного стока по 116 рекам Дании, Норве­гии, Швеции и Финляндии за 1941-2002 гг. сви­детельствуют о преобладании положительных трендов в динамике зимнего стока. На основа­нии анализа многолетних данных по стоку рек, в том числе продолжительностью более 150 лет, расположенных в различных районах Германии, показано существенное увеличение со второй половины 1960 гг. зимнего стока альпийских рек в результате потепления холодного периода. Аналогичные выводы были получены в Вели­кобритании путем анализа изменений режима речного стока за 20-летний период с наибольшей годовой температурой воздуха. Для всех десяти выбранных для анализа водосборов годовой сток изменился незначительно, однако произошли очень большие изменения в его внутригодовом распределении. Так, в Северной Англии месяч­ный сток уменьшился до 50% летом и увеличил­ся до 60% зимой, при этом изменения годового стока находились в пределах ±5%.

В. А. Семенов в результате статистического анализа длительных рядов гидрологических на­блюдений пришел к выводу, что преобладание положительных аномалий меженного стока яв­ляется ведущей тенденцией (наряду с увеличе­нием годового стока) в изменениях водного ре­жима рек в целом для равнинной территории Се­верной Евразии [1]. Полученные к настоящему времени для отдельных регионов Европы выво­ды об увеличении зимнего стока рек совпадают.

Таким образом, анализ результатов регио­нальных исследований современных изменений водного режима рек подтверждает вывод о суще­ственном росте зимнего стока на значительной части Европы в результате повышения темпера­туры воздуха холодного периода года.

Количество воды в речном бассейне в каж­дый момент времени слагается из запасов воды в сезонном снежном покрове, в ледниках, снежни­ках, в растительном и почвенном покрове, в рых-лообломочных горных породах, в озерах, прудах, болотах и лужах, в подземных геологических структурах, в русловой сети. Расход воды в за­мыкающем створе реки Q и главная переменная состояния бассейна W - объем воды в бассейне являются координатами некоторого двухмерного абстрактного «фазового пространства» [2]. Фа­зовое пространство речного бассейна представ­лено множеством его всевозможных состояний. Изменение состояния бассейна и его произво­дительности как генератора стока описывается кривой, называемой фазовой траекторией. Фа­зовое пространство, заполненное фазовыми тра­екториями, составляет фазовый портрет речного бассейна [2].

Рассмотрим фазовую траекторию состоя­ния Ертисского бассейна в разные по водности годы (уравнение водного баланса имеет вид Р-Е = У+AW, где «осадки минус испарение» уравновешено поверхностным стоком и изме­нением влагозапасов в бассейне): маловодный - 1966-1967 гг., многоводный - 1969-1970 гг. и нами смоделированный по климатическим ха­рактеристикам на период до 2020 г. по сценарию В1 (рис. 1). Изменение в течение года стокоо-бразующего фактора (Р-Е) в 1967 г. (линия 1) и 1970 г. (линия 2) неравномерное с общей тенден­цией роста от лета к осенне-зимнему периоду. Значения (Р-Е) в отдельные месяцы (например, в августе оно находится в правой верхней чет­верти - многоводный год - линия 2, а в левой нижней четверти - маловодный год - линия 1) в большинстве случаев отражают резко аномаль­ные ситуации на территории бассейна. Эта яркая аномалия объясняется усилением потока атлан­тической влаги при интенсивной циклонической деятельности, обусловившей обильные осадки, а также не менее интенсивным вторжением с се­вера арктических воздушных масс, приведших к понижению температуры воздуха и ослаблению испарения [)]. Маловодный 1967 г. характери­зовался малоснежной зимой и ранней весной. С ростом осадков в мае при малом испарении резко увеличился сток, максимум которого дер­жался до июня. Но уже в июле при продолжаю­щемся росте осадков резко возросло испарение и значительный сток поддерживался, главным образом, за счет сработки части запасов влаги, которые не использовались в предшествующие месяцы [)]. В июле осадки и испарение достигли максимума. В результате речной сток уменьшил­ся до зимне-весенней межени.

Фазовый портрет состояния бассейна р. Ертис за характерные по водности годы и на предстоящий пе- риод до 2020 г.: 1 – маловодный (1966/1967 гг.); 2 – многоводный (1969/1970 гг.); 3, 4 – смоделированное состояние на 2020 г. по сценарию В1 для двух частей бассейна по правую и левую сторону реки в пределах Казахстана

В 1970 г. весна была поздняя, а в апреле вла-гозапасы еще накапливались. В мае осадки со­хранялись на том же уровне, что и в апреле, но с повышением температуры воздуха резко воз­росло испарение. Поэтому речной сток увеличи­вался за счет интенсивной сработки влагозапасов. Этот процесс продолжался до августа. Раз­личие в величинах речного стока за маловодный (1966/1967 гг.) и многоводный (1969/1970 гг.) гидрологические годы составляет примерно 45% от средней многолетней величины речного сто­ка. Годовые суммы атмосферных осадков за рас­сматриваемые годы различаются существенно меньше (превышение осадков 1970 г. над осад­ками 1967 г. достигает 1)%) [)].

Соотношение смоделированных величин стокообразующего фактора (ось ординат -Р-Е) и водного ресурса (ось абсцисс - У+AW, слой воды в бассейне с учетом стока и измене­ния влагозапасов) по климатическим характе­ристикам на перспективу до 2020 г. по мягкому сценарию В1 указывает на то, что на равнин­ной территории (левобережье р. Ертис, рис. 1, линия 4) в теплый период увлажнение терри­тории будет близко к норме (в пределах 5-)0 мм), тогда как в горной части (правобережье, линия )) величина испарения будет превышать количество осадков и при этом уровень увлаж­нения бассейна должен быть достаточно высо­ким (20-90 мм).

Для Нура-Сарысуского бассейна показано соотношение величины (Р-Е) с состоянием ув­лажнения подстилающей поверхности за базо­вый период 1980-1999 гг. (рис. 2, линия )) и на перспективу до 2020 г. (рис. 2, а) и 2050 г. (рис. 2, б) с учетом того, что климатические характери­стики будут соответствовать сценариям В1 (мяг­кий) и А2 (жесткий) в рассматриваемом регионе.

В 2006-20)5 гг. с марта по август следует ожидать естественный ход уменьшения увлаж­нения водосбора (март-июнь), а затем значи­тельное иссушение подстилающей поверхности Нура-Сарысуского бассейна (до минус 60 мм) как по мягкому, так и по жесткому сценариям (рис. 2, а). В 20)6-2065 гг. состояние увлажнен­ности бассейна даже при жестком сценарии А2 будет близко к базовому уровню (1980-1999 гг.) от 5 до 20 мм. В июле может сложиться ситуация с резким увеличением увлажнения верхнего слоя почв до 15 мм (сценарий А2), по-видимому, за счет интенсивных дождей и уменьшения испаре­ния, тогда как по сценарию В1 картина противо­положная - иссушение поверхности бассейна до 2 мм (рис. 2, б).

 Фазовый портрет состояния Нура-Сарысуского бассейна за разные периоды базовый – 1980–1999 гг., до 2020 г. (а) и 2050 г. (б): 1 – сценарий В1; 2 – сценарий А2; 3 – базовый 

Региональные особенности формирования влагооборота разнообразны и во многом за­висят от характера атмосферной циркуляции и влагосодержания воздуха. В течение всего года над бассейном Волги преобладающим является западный перенос, от интенсивности которого в значительной степени зависит количество вы­падающих осадков. Адвекция влаги достигает максимума осенью, а минимума - зимой. При­чинами этого являются большие скорости ветра осенью и минимальное влагосодержание атмос­феры зимой. Именно адвекция влаги, осадки и суммарное испарение из адвективного пара в конечном счете обусловливают распределение других компонентов влагооборота. За период 196)-1979 гг. среднее испарение составило 487 мм/год,а его стандартное отклонение равно 17 мм/год. Это свидетельствует о малой времен­ной изменчивости испарения, осредненного для крупных территорий. Тогда как временная из­менчивость осадков, осредненных для бассейна Волги, выше более чем в 2 раза. По этой причине при изучении межгодовой изменчивости увлаж­нения в указанном регионе можно в первом при­ближении пользоваться данными лишь об осад­ках. Для бассейна Волги сумма значений испа­рившейся влаги внешнего происхождения (AS^) и изменение запасов влаги в почве (AWlkl) за год не равна нулю, хотя для их суммарной величины данное условие выполняется. Это связано с тем, что летом местное испарение больше аналогич­ных осадков (ЕМ > РМ) на 14 мм [4]. С учетом местного речного стока (УМ) уменьшение AWМ летом составит 25 мм, что не компенсируется увеличением AWМ в период накопления влаги в бассейне. В рассматриваемый период начало весны (март-апрель) характеризуется низким увлажнением бассейна, которое резко возраста­ет в мае (рис. ), линия 1). Затем наблюдается за­сушливый летний сезон и постепенное осеннее увлажнение бассейна. По климатическому сце­нарию В1 в 2020 году на преобладающей части Жайык-Каспийского бассейна следует ожидать увеличение водных ресурсов (У+AW), за исклю­чением периода август-сентябрь с минимальным стоком воды (рис. ), а, линия 2). По жесткому сценарию А2 в 2020 году увлажнение бассейна будет устойчивым (рис. ), а, линия )).

В Жайык-Каспийском бассейне в 2050 году по сценарию В1 следует ожидать уменьшение влагозапасов в декабре-феврале (рис. ), б, линия 2), а по сценарию А2 (линия )) как в осенне-зим­ний период (октябрь-февраль), так и ранней вес­ной (март) с резким переходом, начиная с мая, к истощению поверхностных водных ресурсов (в июле дефицит увлажнения достигнет 70 мм).

В Арало-Сырдарьинском бассейне очень высокая внутригодовая изменчивость стокоо-бразующих факторов (рис. 4). С марта по май наблюдается закономерное превышение испа­рения над количеством атмосферных осадков в условиях достаточного увлажнения (20-)5 мм) подстилающей поверхности (рис. 4, а, линия )), в июне-августе соотношение между испарени­ем и осадками выравнивается и устанавливается дефицит запасов воды в верхнем метровом слое почвогрунтов (минус 20-80 мм). В осенний пе­риод (сентябрь - ноябрь) при высоком потенци­але испарения и относительно малом количестве атмосферных осадков пополняются запасы вла­ги в верхнем слое аэрации (10-120 мм) за счет, вероятно, молекулярной конденсации, скорость которой оценивается в ~ 1 мм/сут [4]. Зимой с понижением температуры воздуха количество выпавших осадков превышает величину испа­рения, но при этом начинает работать механизм стока по руслам рек, который несколько понижа­ет общие запасы воды в бассейне (до )0 мм).

Под влиянием естественных и, главным об­разом, антропогенных факторов в 1961-1985 гг. приток речных вод к Аральскому морю в целом значительно снизился. В среднем для 1961-1970 и 1971-1980 гг. объем притока составил 4),) и 16,7 кмв/год, или примерно 77 и )0% от его среднего многолетнего значения в период ква­зистационарного состояния моря, а для перио­да 1981-1985 гг. - всего только 2,0 кмв/год, или ),6% [5]. В аномально многоводный 1969 г. отме­чался максимальный за весь период наблюдений объем притока речных вод к морю, составивший 80,6 км), тогда как за маловодные годы (1982, 198), 1985) приток к морю уменьшался до нуля. По результатам исследований установлено, что в современный период антропогенные потери сто­ка составляют 92-95% его суммарных потерь. С 1960 по 1980 г. уровень Аральского моря упал с отметки 53 до 46 м.

Фазовый портрет состояния Жайык-Каспийского бассейна за разные периоды: до 2020 г. (а) и 2050 г. (б):

Фазовый портрет состояния Арало-Сырдарьинского бассейна за разные периоды: базовый – 1980–1999 гг., до 2020 г. (а) и 2050 г. (б): 1 – сценарий В1; 2 – сценарий А2; 3 – базовый

Годовая величина испарения с Аральского моря оценивалась до 1980 г. примерно в 60-65 км) [)], а в современных условиях величина испа­рения с него должна быть существенно меньше (около 50 км)) из-за сокращения акватории. В атмосфере же над Аральским морем проносит­ся около 950 км) влаги, и, таким образом, его ис­парение составляет 5-8% от суммарного влаго-переноса над акваторией (на лето приходится 10-12%). С акватории Каспийского моря испаряет­ся приблизительно 10% от суммарного влагопере-носа над Средней Азией [)]. Около 60-70% испа­рившейся с Каспия влаги выносится в Казахстан и Среднюю Азию. Часть влаги (25-50%) оседает на склонах среднеазиатских гор в виде атмосферных осадков и трансформируется в речной сток.

В 2006-20)5 гг. по сценариям В1 и А2 для Арало-Сырдарьинского бассейна следу­ет ожидать размах стокообразующего фак­тора «осадки минус испарение» от )0 до минус 40 мм, при этом увлажнение бассейна будет положительным и изменяться в пределах 1-)0 мм (рис. 4, а, линии 1-2). В 20)6-2065 гг. состояние увлажненности бассейна практически сохранится по сценарию В1, а при жестком сце­нарии А2 будет изменяться в сторону иссушения подстилающей поверхности от )0 мм до минус 15 мм (рис. 4, б, линия 2).

 

Литература

1   Водные ресурсы России и их исполь­зование / под ред. проф. И.А. Шикломанова.-    СПб., 2008. - 506 с.

2   Виноградов Ю.Б., Виноградова Т.А. Совре­менные проблемы гидрологии. - М.: Издатель­ский центр «Академия», 2008. - )20 с.

3 Кузнецова Л.П. Атмосферный влагооб-мен над территорией СССР. - М.: Наука. 198).-    17) с. 

4   Догановский А. М., Малинин В. Н. Гидрос­фера Земли. - СПб.: Гидрометеоиздат, 2004.-    6)0 с.

5   Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. - Т. VII. Аральское море. - Л.: Гидроме­теоиздат, 1990. - 195 с.

Фамилия автора: Е. А. Таланов
Год: 2012
Город: Алматы
Категория: География
Яндекс.Метрика