Прогнозные оценки изменений водных ресурсов крупнейших рек Российской Федерации на основе данных по речному стоку проекта CMIP5

Размещено на http://www.allbest.ru/

Прогнозные оценки изменений водных ресурсов крупнейших рек Российской Федерации на основе данных по речному стоку проекта CMIP5

О.Ф. Голованов

М.В. Георгиевский 1,

Санкт-Петербургский государственный университет,

Российская Федерация, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7-9,

Арктический и антарктический научно-исследовательский институт,

Российская Федерация, 199397, Санкт-Петербург, ул. Беринга, 38

Аннотация

В статье приведен анализ данных речного стока, предоставляемых последним поколением моделей общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО) в рамках проекта CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5). Цель исследований - прогноз вероятных изменений годового стока основных рек Российской Федерации. На первом этапе исследований был сделан комплексный анализ расчетных схем стока и качества исходной информации. Анализ качества осуществлялся в несколько шагов. Сначала средний многолетний модельный речной сток за базовый период (1981-2000 гг.) сравнивался со средним многолетним фактическим стоком семи крупнейших рек России (Волги, Печоры, Северной Двины, Оби, Лены, Енисея и Амура). Дополнительно анализировалось пространственное распределение рассчитанного с помощью МОЦАО речного стока по территории нашей страны. Затем проверялась адекватность (наличие отрицательных либо нереалистичных значений стока) смоделированных будущих изменений стока для каждого из прогнозных сценариев. Если по любому из проверочных тестов выявлялась некорректность расчетных данных, то модель исключалась из дальнейших исследований. В результате выполненного анализа были отобраны 24 МОЦАО. На их основе на втором этапе исследований был сформирован модельный ансамбль для прогноза стока на 2021-2040 и 2041-2060 гг. по отношению к периоду 1981-2000 гг. Вычисления производились для умеренно агрессивного (RCP4.5) и для "жесткого" (RCP8.5) прогнозных сценариев. В результате был получен прогноз изменений водных ресурсов 34 крупнейших рек России, а также были построены карты возможных изменений годовых значений слоя стока на территории страны.

Ключевые слова: прогнозные оценки, речной сток, изменения водных ресурсов, основные реки Российской Федерации, МОЦАО, CMIP5.

Посвящается памяти соавтора Олега Голованова - близкого друга и однокашника, трагически погибшего во время научной экспедиции на о. Шпицберген осенью 2017 г.

Forecasting changes in river water resources of Russian Federation based on CMIP5 runoff data

M. V. Georgievsky1, O. F. Golovanovf2

¹ St. Petersburg State University,

7-9, Universitetskaya nab., St. Petersburg, 199034, Russian Federation

² State Research Center "Arctic and Antarctic Research Institute",

38, ul. Beringa, St. Petersburg, 199397, Russian federation

The article is dedicated to the memory of the co-author Oleg Golovanov - my close friend and classmate, who died tragically during a scientific expedition on the island of Spitsbergen in the autumn of 2017.

The article is devoted to the analysis of river runoff data provided by the latest generation of the Coupled Atmosphere-Ocean General Circulation Models (AOGCMs) in the framework of the CMIP5 project. The main aim of this research is to forecast the probable changes in river water resources of the main rivers of the Russian Federation. At the first stage of investigation, a comprehensive analysis of the river runoff computational models and the quality of the initial AOGCMs information were carried out. This analysis was performed in several steps. First, the average long-term model river runoff for the base period of 1981-2000 was compared with the average long-term values of the observed discharge for the seven largest rivers of the Russian Federation (Volga, Pechora, Northern Dvina, Ob, Lena, Yenisei and Amur). In addition, the spatial distribution of the river runoff throughout the territory of Russia provided by the AOGCMs was analyzed. Then, the adequacy (negative or unrealistic runoff values) of the simulated future runoff changes for each of the forecast scenarios was checked. If any of the verification tests revealed incorrect model data, the model was excluded from further research. As a result, 24 AOGCMs were selected. At the second stage of research, a model ensemble was formed based on the 24 selected models for the implementation of forecasting estimates. The forecasting estimates were carried out for two forecast periods (2021-2040 and 2041-2060) in relation to the 1981-2000 period. Calculations were performed for two (RCP4.5 and RCP8.5) forecast scenarios. As a result, future changes in river water resources of the 34 largest rivers of the Russian Federation were obtained and analyzed; additionally, maps of future changes in annual runoff depth over the territory of Russia were constructed. Keywords: forecasting changes, river water resources, coupled atmosphere-ocean general circulation models, CMIP5 runoff data.

Современные изменения речных водных ресурсов

Для обоснования мероприятий по гарантированному водообеспечению населения страны и отраслей экономики необходимы, прежде всего, прогнозные оценки водных ресурсов на перспективу нескольких десятилетий. До настоящего времени методы таких оценок основывались на результатах статистического анализа данных многолетних наблюдений за характеристиками стока рек в предположении стационарности их многолетних изменений. В связи с происходящими и ожидаемыми климатическими изменениями требуется разработка новых подходов к оценке водных ресурсов в будущем.

Повышение приземной температуры и изменение режима увлажненности приводит к изменениям стока на территории Российской Федерации. На рис. 1 показаны графики изменения водных ресурсов в целом по России с 1936 по 2016 г., построенные по данным Государственного гидрологического института (ежегодные справочные издания "Ресурсы поверхностных и подземных вод, их использование и качество"; последние выпуски изданий доступны на сайте ФГБУ "ГГИ" См.: http://www.hydrology.ru/ru/izdaniya_ggi_New (дата обращения: 03.05.2019)..

Рис. 1. Многолетняя изменчивость водных ресурсов в целом по территории Российской Федерации (по данным ФГБУ "ГГИ")

Начиная с 1981 г. отмечается устойчивое увеличение водных ресурсов в целом по Российской Федерации. На общем фоне фазы повышенной водности рек страны, начавшейся с конца 1970-х - начала 1980-х годов, только четыре года (1982, 1987, 1992 и 2012 гг.) характеризовались водными ресурсами несколько ниже нормы, зато в пяти годах (1990, 1997, 1999, 2002 и 2007 гг.) было превышено максимальное значение, наблюдавшееся ранее (в 1974 г.). В 2007 г. отмечен максимум водных ресурсов страны за весь период наблюдений.

Наиболее значительно годовой сток возрос на крупнейших реках бассейна Северного Ледовитого океана. Водные ресурсы Печоры, Енисея, Лены в 2001-2016 гг. превысили норму на 11-14 %.

Общее увеличение водных ресурсов России за 1981-2016 годы составило в среднем 220 км 3/год, или на более чем 5,0 % выше, чем в 1930-1980 гг. При этом оно было характерно для всех федеральных округов России. Наибольшее абсолютное увеличение речного стока произошло в Сибирском, Дальневосточном и Северо-Западном федеральных округах, наименьшее - в Центральном и Уральском. Наибольшее относительное увеличение речного стока имело место в Приволжском, Южном (включая Северо-Кавказский), Центральном и Северо-Западном федеральных округах, наименьшее - в Уральском и Дальневосточном.

Столь значительное повышение стока, наблюдающееся в течение нескольких десятилетий, свидетельствует о том, что условия его формирования существенно изменились в результате происходящего потепления климата.

На протяжении последних 15-20 лет были разработаны методы оценок возможных изменений водных ресурсов, основанные на использовании данных, предоставляемых моделями общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО). Полученные с их применением результаты, несмотря на очень большой разброс количественных оценок, показывают, что в перспективе до середины настоящего столетия на преобладающей части Российской Федерации следует ожидать увеличения годового стока рек (Катцов и Говоркова, 2013).

Основной целью настоящей работы была прогнозная оценка наиболее вероятных изменений годового стока основных рек страны на основе использования данных по речному стоку, получаемых непосредственно по МОЦАО.

Речной сток в климатических моделях проекта CMIP5 и основные задачи исследования

В настоящее время существует много публикаций, посвященных оценкам вероятных изменений на перспективу различных климатических характеристик, в основном приземной температуры воздуха и атмосферных осадков, основанных на результатах моделирования МОЦАО, или, как их еще называют, климатических, гидродинамических или совмещенных моделей. Однако данный подход не получил широкого применения в прогнозах речного стока. В пленарном докладе VII Всероссийского гидрологического съезда, состоявшегося 19-21 ноября 2013 г. В Санкт-Петербурге, отмечается (Фролов, 2014), что, хотя современная гидрометеорология и достигла заметных успехов в моделировании климата и его изменений, а численные климатические модели могут воспроизводить множество физических процессов в атмосфере, океане и гидросфере суши, гидрологическая компонента в климатических моделях еще недостаточно развита. С одной стороны, скептическое отношение к использованию смоделированных данных речного стока основано на широко распространенном утверждении, что в МОЦАО заложены упрощенные схемы расчета этой характеристики, которые не позволяют адекватно воспроизводить колебания стока. С другой стороны, нельзя игнорировать тот факт, что ведущие научные центры (специалисты) мировой гидрометеорологии постоянно совершенствуют разработанные модели. Если сравнить основные характеристики МОЦАО, представленные в проекте сравнения объединенных Под понятием "объединенные" подразумевается совместное использование атмосферной, океанической и других компонент (блоков) модели. моделей (Coupled

Model Intercomparison Project, CMIP) 3-го этапа (CMIP3) и следующего 5-го этапа (CMIP5) См.: http://www.clivar.org/sites/default/files/documents/Exchanges56.pdf (дата обращения: 05.05.2019). (Meehl and Bony, 2011), то можно увидеть существенные изменения:

— улучшилась детализация моделей, что напрямую ведет к увеличению пространственного разрешения предоставляемой смоделированной информации;

— усовершенствовались расчетные схемы основных климатических систем;

— улучшилось качество предоставляемой информации и т. п.

Не вызывает сомнения, что МОЦАО будет развиваться, поэтому комплексный анализ данных речного стока, предоставляемых последним поколением МОЦАО, является актуальной задачей. Отметим, что авторы данной статьи рассматривают представленную в ней методику прогнозирования изменений речных водных ресурсов Российской Федерации на основе ансамблевого осреднения как один из дополнительных способов прогноза, который необходимо использовать совместно с другими принятыми подходами. С учетом постоянного совершенствования климатических моделей данный подход следует рассматривать как один из наиболее перспективных.

Основными задачами исследований стал анализ следующего:

— исходных (смоделированных) данных по речному стоку, предоставляемых последним поколением МОЦАО;

— расчетных схем речного стока моделей проекта CMIP5, предоставляющих информацию по стоку в необходимом для исследований объеме.

Проект CMIP5 включает в себя более 60 МОЦАО. Основная его задача - научное обоснование подготовки 5-го оценочного доклада межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК). Проект подробно описан в работе (Taylor et al., 2012). Данные моделирования, предоставляемые МОЦАО, участвующими в проекте, доступны для скачивания через портал PCMDI См.: http://pcmdi9.llnl.gov/ (дата обращения: 05.05.2019)..

Каждая МОЦАО представляют собой комплекс моделей взаимодействующих климатических систем. Расчет речного стока осуществляется в климатической системе "Земная поверхность", включающей поверхность континентов с ее гидрологической системой (внутренние водоемы, болота, реки и т. п.) и почвенный слой с грунтовыми водами. В стандартизированный набор расчетных переменных климатических моделей входят два параметра, характеризующие речной сток: общий речной сток (total runoff flux, mrro) и поверхностный сток (surface runoff flux, mrros) См.: http://www-pcmdi.nnl.gov/ipcc/IPCC_output_requirements.htm (дата обращения: 05.05.2019)..

При анализе предоставляемой в рамках проекта CMIP5 информации по речному стоку было выявлено, что из более чем 60 моделей, участвующих в проекте, только 29 предоставляют данные по стоку в полном для выполнения исследований объеме. В первую очередь нас интересовали данные за базовый период 1981-2000 г., а также за два прогнозных периода (2021-2040 и 2041-2060 гг.) для двух сценариев изменения климата в будущем (RCP4.5 и RCP8.5). Для сравнения: на предыдущем этапе проекта (CMIP3) информацию по стоку предоставляло не более 10 моделей.

На первом этапе исследований авторами был выполнен комплексный анализ основных схем расчета речного стока МОЦАО проекта CMIP5. Было выявлено, что схемы расчета в различных моделях существенно отличаются. Тем не менее, можно отметить, что наиболее часто в анализируемых моделях используются различные упрощенные версии модели TOPMODEL, разработанной К. Бевеном (Bev- en and Kirkby, 1979). TOPMODEL представляет собой широко известную и повсеместно применяющуюся модель осадки - сток с распределенными параметрами, в которой исходными данными выступают характеристики топографии речных бассейнов. В схемы МОЦАО включены также блоки расчета суммарного испарения, включая транспирацию, а также промерзания почвы и процессов накопления и стаивания снежного покрова. Более подробно схемы расчета речного стока описаны авторами в работе (Георгиевский и Голованов, 2015). Анализ расчетных схем речного стока показывает, что данная компонента МОЦАО постоянно развивается. Схемы расчета МОЦОА все еще являются упрощенными по сравнению со схемами, использующимися в современных гидрологических моделях. Но в ближайшем будущем непрерывное развитие компьютерных технологий позволит включать в МОЦОА более комплексные и детализированные схемы, в связи с чем роль метода прогнозирования, описываемого авторами в данной статье, может смениться с дополнительно-вспомогательной на основную. Напомним, что в данный момент основным методом прогнозирования речных водных ресурсов является метод, основанный на использовании современными гидрологическими моделями в качестве исходной метеорологической информации данных МОЦАО, таких как температура воздуха и осадки.

После загрузки и обработки информации по речному стоку была осуществлена проверка качества этих данных. Проверка выполнялась в несколько этапов. Сначала средний многолетний модельный речной сток за базовый период (19812000 гг.) сравнивался со средними многолетними значениями фактического стока семи крупнейших рек Российской Федерации (Волга, Печора, Северная Двина, Обь, Лена, Енисей и Амур). Дополнительно анализировалось пространственное распределение стока МОЦАО по территории России. Затем выполнялась проверка адекватности (наличие отрицательных либо нереалистичных значений стока и т. п.) смоделированных будущих изменений стока для каждого из прогнозных сценариев, т. е. выявлялись нереалистичные значения. Если по любому из проверочных тестов выявлялась некорректность предоставления данных по речному стоку конкретной МОЦАО, модель исключалась из дальнейших исследований. В результате выполненной проверки было отсеяно пять моделей, а дальнейший анализ осуществлялся на основе данных 24 оставшихся МОЦАО. Также в ходе проверки было выявлено, что значения поверхностного стока mrro существенно занижены по сравнению значениями общего стока mrro, интегрирующего как поверхностную, так и подземную составляющую речного стока. Кроме того, значения mrro были более близки к значениям фактического стока, поэтому именно данный параметр МОЦАО использовался для дальнейшего анализа. Дополнительно при анализе внутригодовых изменений стока было выявлено, что имеет место значительный разброс рассчитанных по МОЦАО значений, поэтому для дальнейших исследований было принято решение использовать только годовые значения речного стока, а анализу сезонных изменений посвятить отдельное исследование.

Методика оценки вероятных изменений водных ресурсов на перспективу