Оценка возможных ИЗМЕНЕНИЙ
водных ресурсов
Восточно-Европейской равнины
в XXI веке
Представлены ожидаемые в XXI в. изменения водных
ресурсов на территории Восточно-Европейской равнины
в рамках концепции глобального антропогенно
обусловленного изменения климата. Обоснована методика
расчетной схемы среднего годового стока и его изменчивости
по данным об осадках и температуре. Основой прогнозных
оценок являются результаты моделирования климата XXI в.
по сценарию эмиссии парниковых газов и аэрозолей «A2».
Введение
В
качестве меры возобновляемых водных
ресурсов обычно используется величина
среднего многолетнего стока рек. В
работе предпринята попытка оценить изменение
речного стока как характеристики водных
ресурсов на территории ВосточноЕвропейской
равнины в рамках концепции
антропогенного глобального потепления
климата.
Глобальное потепление XX-XXI веков –
ин струментально подтвержденный данными
метеорологических наблюдений факт.
Возможны два варианта объяснения этого
явления: естественные колебания климатической
системы либо антропогенные воздействия,
связанные с ростом концентрации
в атмосфере парниковых газов вследствие
техногенных выбросов.
В настоящий момент антропогенно обусловленное
потепление – наиболее разработанная
научная концепция, на основе которой
возможно построение климатического проÌ.Â.
Сидорова*,
аспирант кафедры
гидрологии суши
географического
факультета
Московского
государственного
университета
им. М.В.Ломоносова
гноза путем проведения численных экспериментов
на климатических моделях общей
циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО).
В современных проектах по исследованию
возможных изменений климата разработан
ряд сценариев выбросов парниковых газов и
аэрозолей, и, естественно, описываемые в
данной работе изменения вероятны в такой
же степени, в какой вероятна реализация
выбранного сценария.
Реализация того или иного сценария выбросов,
в свою очередь, зависит от сценария развития
мира, то есть уровня будущего социально-экономического
и демографического
развития.
В этой ситуации представляется разумным
использовать «оценку сверху», то есть учитывать
максимально возможные изменения.
Поэтому в данной работе был использован
сценарий А2 (по номенклатуре Intergovernmental
Panel on Climate Change (IPCC) –
2001 [1]), представляющий собой один из
наиболее жестких вариантов развития антропогенно
обусловленного потепления в
XXI в.
Воспроизводимость различных гидрометеорологических
полей современными климатическими
моделями неодинакова и определяется,
прежде всего, особенностями самих
моделей (исходными уравнениями и их
упрощениями, допущениями, методами
решения). Лишь небольшой набор модельных
полей прошел надежное тестирование,
* Адрес для корреспонденции: iskra_si@mail.ru
2
М.В. Сидорова // ВОДА: ХИМИЯ И ЭКОЛОГИЯ №5, май 2009 г. с. 2-7.
Стр.1
как таковое оно выполнено только для температуры
воздуха, атмосферного давления и
поля геопотенциала [2].
Материалы и методы исследования
И
сходя из вышеизложенного, в работе
были использованы самые необходимые
показатели изменения климатических
условий формирования среднемноголетнего
годового стока: годовой суммы осадков
Р и положительных температур воздуха
в виде суммы среднемесячных значений Т0.
По существу, задача сведена к построению
расчетной схемы на основе имеющихся данных
о современных среднемноголетних гидроклиматических
показателях: сток y, осадки
В качестве основы для расчета средних многолетних
величин годового стока принят
метод водного баланса в виде
_ _ _ -
Y = P – E ,
_ _ _ -
где: Y, P, E – средние многолетние величины
(мм) стока, осадков и испарения с поверхности
бассейнов. Расчет испарения сведен
к оценкам по уравнению связи
E = () ,
E
E P,E0
где E0 – испаряемость. Испаряемость, в свою
очередь, определяется по эмпирической
Исходными данными для построения схемы
расчета среднего многолетнего стока y по
зависимости от суммы положительных температур
воздуха T0 .
осадкам и температуре воздуха y = f (P,T0),
послужили сведения Научно-прикладного
справочника по климату СССР [3], Государственного
водного кадастра [4] и карт
Атласа Мирового водного баланса [5].
Величины T0 (сумма положительных среднемесячных
температур воздуха) обобщены
Л.С. Евсеевой [6] в виде карты изолиний
масштаба 1:10000000, построенной по данным
свыше 400 станций справочника [3].
Испаряемость E0 оценена по карте Атласа
МВБ [4], построенной на той же картографической
основе. Данные по осадкам P,
испарению E и стоку y взяты из справочника
ГВК, дискретность – области и другие соразмерные
административные единицы бывшего
СССР и речные бассейны.
Зависимость испаряемости E0 от суммы
положительных среднемесячных температур
T0 получена по данным 81 области Европейской
территории бывшего СССР и 18 соразмерных
им по площади бассейнов рек Восточно-Европейской
равнины. Уравнение регрессии:
Р,
испарение Е, испаряемость Е0, сумма положительных
температур Т0.
E0 = 6,72 T0
(1),
при коэффициенте корреляции r = 0,97 и
среднеквадратической погрешности (остаточное
СКО) ±32 мм.
Для аппроксимации эмпирических зависимостей
E = E (P, E0) использована функция
В.С. Мезенцева в виде
(2),
где: J =E0/P – «индекс сухости», а n – параметр
подгонки. Параметр n получен методом
наименьших квадратов, n = 3,8.
Окончательная увязка данных P, E, E0, T0
произведена по тем же 99 территориальным
единицам в виде уравнения регрессии
y = 0,96 (P – Eм) + 3
(3).
Здесь Eм – «модельное» испарение, т. е. рассчитанное
по значениям T0, c помощью уравнений
(1) и (2). Коэффициент корреляции
r = 0,97 и остаточное СКО ±24 мм. По классическому
уравнению водного баланса y =
P – Eм получается малозначимое среднее
систематическое завышение 4 мм за счет
северных территорий с величинами стока (y)
порядка 150-350 мм. Остаточное среднеквадратическое
отклонение (СКО) этого уравнения
практически одинаково с (3): ±24,1 мм,
т.е. нет видимых оснований для предпочтения
в пользу (3). Кроме того, уравнение
y = P – Eм лучше аппроксимирует зависимость
y от (P – Eм) в области очень низких
значений климатического и гидрометрического
стока.
Для оценки изменений нормы годового стока
в XXI веке были использованы 3 набора данных:
реализации 5 моделей IPCC-2001:
HadCM3, CSIRO-Mk2, CGCM1, GFDL-R30,
ECHAM4 – доступных на сайте распространения
информации проектов IPCC.
синтетическая реализация 11 МОЦАО
CMIP3 более позднего выпуска (20042005
гг.). Модели были отобраны из всего
набора моделей CMIP3 (табл. 1) по критерию
наилучшей воспроизводимости осадков
и температур, затем создана реализация
путем осреднения среднесуточных значений.
реализации 7 МОЦАО CMIP3 (CCCMAcgcm3-1,
GFDL-cm2-0, GFDL-cm2-1, INMcm3-0,
MRI-cgcm2-3-2a, NCAR-ccsm3-0,
NCAR-pcm1). Основанием для выбора этих
моделей (из 11 упомянутых выше) послужило
то, что именно они наилучшим образом
воспроизвели осадки холодного периода и,
соответственно, величину водного эквивалента
снежного покрова, что важно для рек
Вопросы экологии 3
Стр.2
Таблица 1
Климатические модели CMIP3, данные которых использованы в работе
Модель
Организация, страна
CCSM3
CGCM3.1
Национальный центр атмосферных исследований, США
Канадский центр климатического моделирования и анализа, Канада
CNRM-CM3 Национальный центр климатических исследований, Франция
CSIRO-Mk3.0
ECHAM5/
MPI-OM
GFDL-CM2.0
GFDL-CM2.1
INM-CM3.0
MIROC3.2
MRICGCM2.3.2А
PCM
Институт
метеорологии Макса Планка, Германия
Лаборатория геофизической гидродинамики Национальной администрации
исследований атмосферы и океана, США
Лаборатория геофизической гидродинамики Национальной администрации
исследований атмосферы и океана, США
Институт вычислительной математики РАН, Россия
Центр исследований климатической системы, Япония
Метеорологический исследовательский институт, Япония
Национальный атмосферный центр, США
с весенним половодьем, которые преобладают
на исследуемой территории.
Эти данные представляют собой средние
многолетние значения смоделированных
климатических характеристик в узлах сетки
2° Ч 2° для 30-летних периодов: 1961-1990 гг.
(базисный), 2040-2069 гг. (условно обозначаемый
как «середина» XXI в.) и 20702099
гг. («конец» XXI века). Для моделей
выпуска 2004-2005 гг. периоды несколько
изменены: «середина» XXI века – 20412060
гг. и «конец» XXI века – 2081-2100 гг.
Для оценки качества данных МОЦАО по их
реализациям в узлах сеток построены карты
изолиний Т0 и Р. По ним определены их
средневзвешенные значения для территориальных
единиц (области, бассейны, ячейки
сетки) и сравнены с аналогичными значениями
фактических данных.
Поле Т0 хорошо описывается всеми МОЦАО:
коэффициенты корреляции 0,91 – 0,99.
Воспроизводство осадков реализациями
МОЦАО (2001 г) характеризуется следующими
показателями r = 0,69 – 0,87 при смещениях
от -12 до +15%. Воспроизводимость
осадков моделями 2004-2005 гг. несколько
хуже, чем моделями IPCC-2001: коэффициенты
корреляции от 0,56 до 0,77 (ансамблевая
реализация 0,67). В целом, ансамбль
завышает осадки в области больших значений
и занижает – в области малых значений.
Итоговая проверка качествa воспроизведения
гидрометрического стока по реализациям
ансамбля МОЦАО значений Тмод и Рмод
Общественно-благотворительная научная и производственно-исследовательская
организация Атмосферные исследования, Австралия
Разрешение модели
в градусах
по широте и долготе
1.40625 Ч 1.40625
1.875 Ч 1.875
2.8125 Ч 2.8125
1.875 Ч 1.875
1.875 Ч 1.875
2.5 Ч 2
2.5 Ч 2
5 Ч 4
2.8125 Ч 2.8125
2.8125 Ч 2.8125
2.8125 Ч 2.8125
через расчетную схему у = f(Т0,Р) характеризуется
уравнением регрессии
при коэффициенте корреляции r = 0,94,
СКО ± 32 мм и среднем отрицательном cмещении
6 мм (-4%).
у = 0,95умод – 13 ,
Описанные выше несоответствия модельных
и фактических данных для базисного периода
могут значительно влиять на результаты
прогноза. Для проверки этой гипотезы был
проведен анализ скоррелированности
модельных величин базисного и прогнозного
периодов. Для Т0 коэффициенты корре -
ляции между базисными и прогнозными
величинами составляют от 0,993 до 0,999,
для Р от 0,875 до 0,987
Высокая скоррелированность модельных
величин базисного и прогнозного периодов в
отдельно взятых ячейках территории ВЕР
показывает, что индивидуальные погрешности
модельного воспроизведения современного
климата в значительной степени дублируются
в модельных оценках прогнозного
периода. Поэтому при оперировании в прогнозе
относительными величинами
ΔT0, мод = T мод, 2050 – Tмод, б
Ключевые слова:
водные ресурсы,
речной сток,
изменения климата,
Модели Общей
Циркуляции
Атмосферы и Океана
(МОЦАО)
и
можно частично или полностью устранить
упомянутые систематические смещения и
минимизировать индивидуальные погрешности.
Наиболее просто это сделать для
величин
ΔP0, мод = P мод, 2050 – Pмод, б
T0 : T 2050 = T0, факт + T0, мод
4
М.В. Сидорова // ВОДА: ХИМИЯ И ЭКОЛОГИЯ №5, май 2009 г. с. 2-7.
Стр.3