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

Методика оценки вероятных изменений водных ресурсов на перспективу

В настоящее время наиболее широкое распространение при оценке будущих изменений на основе данных МОЦАО получил подход, основанный на ансамблевом осреднении. Данный подход был выбран авторами для анализа возможных изменений водных ресурсов основных рек Российской Федерации на перспективу до 2050 г. В качестве модельного ансамбля использовались данные по 24 моделям, отобранным на предварительном этапе.

Ввиду того что климатические модели имеют различное пространственное разрешение (от 0.95 х 1.25° для модели CESM1-BGC до 2.8 х 2.8° у моделей BCC-csm1.1, CanESM2, MIROC-ESM и др.), данные по стоку каждой МОЦАО интерполировались с помощью специально разработанного программного обеспечения в единую сетку с разрешением 0.5 х 0.5°. Таким образом, была создана база данных исходной информации, включающая в себя сеточные данные по каждой модели за исторический и прогнозные периоды для каждого из прогнозных сценариев. Пространственное покрытие единой сетки данных - 14-82° с. ш. и 0-192° в. д. Интерполяция осуществлялась простым способом: каждому конкретному узлу сетки присваивалось ближайшее модельное значение. На основе полученных матриц регулярной сетки рассчитывались месячные значения слоя стока для 34 водосборов основных рек России путем осреднения по территории их бассейнов. Из полученных таким образом месячных значений рассчитывались значения годового слоя стока по всем моделям, которые затем использовались для оценки ансамблевых (осредненных для 24 МОЦАО) значений годовых слоев стока.

Расчеты осуществлялись для 2021-2040 и 2041-2060 гг. по отношению к периоду 1981-2000 гг., который был выбран в качестве базового. Вычисления производились как для умеренно агрессивного сценария RCP4.5, так и для жесткого сценария RCP8.5. Полученные результаты осреднялись за 20-летние периоды и сравнивались с соответствующими значениями за период 1981-2000 гг.

RCP4.5 и RCP8.5 - сценарии изменения климата в будущем, зависящие от вариантов радиационного воздействия на атмосферу в перспективе:

-- RCP4.5 - умеренно агрессивный сценарий, разработанный группой MiniCAM (Global Change Assessment Model) в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Объединенного института исследований глобальных изменений (Pacific Northwest National Laboratory's Joint Global Change Research Institute);

-- RCP8.5 - агрессивный сценарий антропогенного воздействия на климат планеты, созданный группами MESSAGE (Model for Energy Supply Strategy Alternatives and their General Environmental Impact) и IIASA Integrated Assessment Framework в Международном институте прикладного системного анализа (International Institute for Applies Systems Analysis), Австрия.

Их подробное описание можно найти в работах (Riahi et al., 2007; Wayne, 2013).

Анализ возможных изменений водных ресурсов России в будущем, рассчитанных на основе данных по стоку проекта CMIP5

В таблице приведены изменения средних многолетних значений годовых слоев стока на перспективу 2030 и 2050 гг. (т. е. на середину прогнозных периодов 2021-2040 и 2041-2060 гг.) по сравнению с базовым периодом 1981-2000 гг., рассчитанные по вышеописанной методике для 34 водосборов крупнейших рек страны на основе двух проекций возможного изменения климата И.СР 4.5 и И.СР 8.5. Для более репрезентативной демонстрации вероятных изменений речного стока на рис. 2 приведены схемы пространственных аномалий годовых слоев стока для территории России, осредненные за 2021-2040 гг. и 2041-2060 гг. по отношению к периоду 1981-2000 гг. для прогнозных сценариев И.СР 4.5 и И.СР 8.5.

Рис. 2. Возможные изменения годовых слоев стока на территории РФ

по сценариям ЯСР 4.5 (а, б) и ЯСР 8.5 (в, г)

Таблица. Изменения годовых слоев стока (в мм. и %) в первой трети (2021-2040 гг.) и середине (2041-2060 гг.) XXI в. по отношению к базовому периоду (1981-2000 гг.), полученные по ансамблю из 24 МОЦАО проекта СМ 1Р 5 для рассматриваемых водосборов РФ по двум сценариям изменения климата (КСР 4.5 и КСР 8.5)

* Межмодельное среднеквадратическое отклонение.

** Жирным шрифтом выделены отрицательные значения.

Анализируя полученные результаты, можно выделить следующие основные черты в распределении прогнозных изменений стока по территории РФ: на большей части страны следует ожидать увеличения годового стока, наиболее значимые - на востоке и северо-востоке. Исключение составят лишь водосборы рек Северного Кавказа, а также южной части европейской территории страны, включая полностью бассейн реки Дон. Максимальное увеличение ожидается на реках Дальнего Востока и в бассейнах Яны, Индигирки, Колымы и Камчатки. Повышение годового стока на севере азиатской части РФ будет происходить более интенсивно, чем в ее южных частях. К середине столетия изменения годового стока по обоим сценариям лишь усилятся. Но их основные пространственные особенности сохранятся: ожидается дальнейшее снижение годового стока реки Дон, в низовьях рек Волги и Урал, и более ярко выраженным станет его увеличение на северо-востоке и востоке России.

При этом смоделированные изменения до 2030 г., полученные по двум рассмотренным сценариям (ЯСР 4.5 и КСР 8.5), почти не различаются ни по значению, ни по знаку. Необходимо отметить, что расчетные изменения годового слоя стока для бассейнов рек на перспективу (см. табл.) в большинстве случаев не превышают межмодельную изменчивость, рассчитанную для моделей, сформировавших ансамбль. Этот факт говорит о том, что ожидаемые изменения годового стока, полученные путем расчетов, в большинстве случаев незначительны и не превышают ошибок их определения. Исключение составляют лишь реки на северо-востоке нашей страны, такие как Индигирка, Колыма и Камчатка, для водосборов которых было получено наиболее значительное увеличение годовых значений речного стока, а также реки Енисей и Лена, для которых ожидается достаточно значительное увеличение речного стока по всей огромной территории их водосборов.

Полученные в ходе исследований результаты показывают, что и в первой трети XXI века, и к его середине следует ожидать незначительного, в пределах статистической погрешности, увеличения значений годового стока почти для всех рассмотренных бассейнов рек по сравнению с его значениями в последние десятилетия ХХ века. Исключение составят лишь река Дон и некоторые реки Северного Кавказа. Также, несмотря на то что в южных частях бассейнов рек Волга и Урал будет наблюдаться незначительное уменьшение стока, в целом для водосборов этих рек значения годового стока несущественно (в пределах статистической погрешности этих характеристик) повысятся. Наибольших значений вероятное повышение годового стока ожидается в северно-восточной и восточных частях России.

В заключение отметим, что приведенные в настоящей статье оценки возможных в перспективе до середины XXI в. изменений годового стока рек на территории страны в целом совпадают с результатами, полученными в Главной геофизической обсерватории (ГГО) им. А.И. Воейкова с использованием несколько иного подхода (Школьник и др., 2014). В исследованиях ГГО в качестве прогнозных характеристик годового стока принималась разница осадков и испарения, рассчитанная по ансамблю из 26 моделей СМ 1Р 5.

Заключение

Согласно полученным нами результатам, нет оснований ожидать в ближайшие десятилетия какого-либо значительного изменения годового стока основных рек России, связанного с изменением климата. Для большей части территории страны наиболее вероятно незначительное увеличение годового стока рек, что находится в пределах его естественной изменчивости. Единственное исключение - это водосборы рек Лена, Енисей, Яна, Индигирка, Колыма и Камчатка, где ожидается значимое увеличение стока.

Как показывают модельные расчеты, проведенные в рамках современных представлений об изменении климата в XXI в., водный режим рек России в ближайшие 20 лет по своим основным параметрам будет близким к наблюдавшемуся в последние 30-35 лет. Ожидающееся повышение температуры воздуха зимой позволяет полагать, что имеющая место тенденция увеличения зимнего стока рек нашей страны сохранится в ближайшие десятилетия. При этом относительная доля весеннего стока в годовом стоке будет уменьшаться. сток река вода

Представленную в статье методику можно использовать как один из подходов к оценке вероятных изменений водных ресурсов наряду с другими принятыми методами. С учетом бурного текущего развития МОЦАО эта методика имеет хорошие перспективы для широкого применения в ближайшем будущем.

Литература

1. Георгиевский, М. В., Голованов, О. Ф., 2015. Оценка вероятных изменений стока в бассейне реки Амур на перспективу до 2020 и 2050 годов на основе данных моделей общей циркуляции атмосферы и океана, в: Экстремальные паводки в бассейне Амура: гидрологические аспекты / Георгиевский, В.Ю. (под ред.). Сб. работ по гидрологии. ФГБУ "ГГИ", Санкт-Петербург, 152-168. Катцов, В. М., Говоркова, В. А., 2013. Ожидаемые изменения приземной температуры воздуха, осадков и годового стока на территории России в ХХ 1-м веке: результаты расчетов с помощью ансамбля глобальных климатических моделей (СМ 1Р 5). Труды ГГО 569, 75-97.

2. Школьник, И. М., Мелешко, В. П., Кароль, И. Л., Киселев, А. А., Надежина, Е. Д., Говоркова В.А., Павлова, Т. В., 2014. Ожидаемые изменения климата на территории Российской Федерации в XXI веке. Труды ГГО 575, 65-118.

3. Фролов, А. В., 2014. Вклад гидрометеорологической науки в развитие водохозяйственного комплекса страны. 19-21 ноября 2013 г., в: VII Всероссийский гидрологический съезд. Пленарные доклады. Санкт-Петербург, Гидрометоиздат, 7-25.

4. Beven, K. J., Kirkby, M. J., 1979. A physically based variable contributing area model of basin hydrology. Hydrological Sciences Bulletin 24, 43-69.

5. Meehl, G. A., Bony, S., 2011. Introduction to CMIP5. WCRP coupled model intercomparison project-phase 5. CLIVAR exchanges 16(2), 4-5.

6. Riahi, K., Gruebler, A., Nakicenovic, N., 2007. Scenarios of long-term socio-economic and environmental development under climate stabilization. Technological Forecasting and Social Change 74(7), 887-935.

7. Taylor, K. E., Stouffer, R. J., Meehl, G. A., 2012. An Overview of CMIP5 and the Experiment Design. The Bulletin of the American Meteorological Society 93, 485-498.

8. Wayne, G. P., 2013. The Beginner's Guide to Representative Concentration Pathways. URL: https://skepti- calscience.com/docs/RCP_Guide.pdf (дата обращения: 05.05.2019).

9. References

10. Beven, K. J., Kirkby, M. J., 1979. A physically based variable contributing area model of basin hydrology. Hydrological Sciences Bulletin 24, 43-69.

11. Frolov, A. V., 2014. Vklad gidrometeorologicheskoi nauki v razvitie vodokhoziaistvennogo kompleksa stra- ny. 19-21 noiabria 2013 g. VII Vserossiiskii gidrologicheskii s'ezd. Plenarnye doklady [The contribution of hydrometeorological science to the development of the country's water management complex. VII All-Russian Hydrological Congress. Theses of plenary reports. November 19-21, 2013]. St. Petersburg, 7-25. (In Russian).

12. Georgievsky, M. V., Golovanov, O. F., 2015. Otsenka veroiatnykh izmenenii stoka v basseine reki Amur na perspektivu do 2020 i 2050 godov na osnove dannykh modelei obshchei tsirkuliatsii atmosfery i okeana [Forecasting changes in river runoff in the Amur River basin for the future up to 2020 and 2050 based on data of general atmospheric and ocean circulation models], in: Ekstremal'nye povodki v basseine Amura: gidrologicheskie aspekty / Georgievsky, V. Yu. (ed.). Sb. rabot po gidrologii [Extreme floods in the Amur River basin: hydrological aspects. Collected papers on hydrology]. FGBU "GGI" Publ., St. Petersburg, 152-168. (In Russian).

13. Kattsov, V. M., Govorkova, V. A., 2013. Ozhidaemye izmeneniia prizemnoi temperatury vozdukha, osad- kov i godovogo stoka na territorii Rossii v XXI-m veke: rezul'taty raschetov s pomoshch'iu ansamblia global'nykh klimaticheskikh modelei (CMIP5) [Expected changes in surface air temperature, precipitation and annual runoff in Russia in the 21st century: results of calculations using an ensemble of global climate models (CMIP5)]. Trudy GGO 569, 75-97. (In Russian).

14. Meehl, G. A., Bony, S., 2011. Introduction to CMIP5. WCRP coupled model intercomparison project- phase 5. CLIVAR exchanges 16(2), 4-5.

15. Riahi, K., Gruebler, A., Nakicenovic, N., 2007. Scenarios of long-term socio-economic and environmental development under climate stabilization. Technological Forecasting and Social Change 74(7), 887-935.

16. Shkolnik, I. M., Meleshko, V. P, Karol I. L., Kiselev A. A., Nadyozhina E. D., Govorkova V. A., Pavlova T. V., 2014. Ozhidaemye izmeneniia klimata na territorii Rossiiskoi Federatsii v XXI veke [Expected climate change in the Russian Federation in the 21st century]. Trudy GGO 575, 65-118. (In Russian).

17. Taylor, K. E., Stouffer, R. J., Meehl, G. A., 2012. An Overview of CMIP5 and the Experiment Design. The Bulletin of the American Meteorological Society 93, 485-498.

18. Wayne, G. P., 2013. The Beginner's Guide to Representative Concentration Pathways. URL: https://skepti- calscience.com/docs/RCP_Guide.pdf (access date: 05.05.2019).