Автореферат: Закономерности формирования термического и ледового режимов озёр Беларуси

Рисунок 2 - Тенденция изменения средней температуры воды в августе, в озёрах Нарочь и Червоное

температур (за исключением первой декады апреля и первых декад ноября) для всех месяцев, где наиболее яркий пик роста был зафиксирован во второй и третьей декадах июля (на 3,7-4,0 ^оС). Обращает на себя внимание увеличение летних температур более 20 ^оС с пяти декад в 1970-х годах до девяти в 2000-х. Наибольший диапазон изменчивости среднедекадной температуры воды наблюдается во второй декаде мая (11,2 ^оС), а минимальный - в начале апреля и конце ноября (3,1-3,7 ^оС соответственно). Таким образом, наблюдения за температурой воды на озёрах Нарочь и Червоное в период 1945-2007 гг. показывают, что в последние десятилетия наблюдалось устойчивое повышение температуры за безледовый период на 2,0 и 1,9 ^оС соответственно, в среднем, на 0,5 ^оС каждые 10 лет.

Исследование пространственно-временных изменений температуры водной массы, в условиях потепления климата показало, что наиболее выраженый рост температуры воды наблюдается на озёрах Белорусского Поозерья и приходится на весенние месяцы (от 1,5 до 2,9 ^оС). Для озер Белорусского Полесья рост температуры воды менее выражен и приходится на осенние месяцы (от 0,7 до 1,6 ^оС). Максимальный рост температуры воды наблюдается в третьей декаде апреля и в ряде случаев превышает 1 ^оС. Проведенная оценка степени однородности основных характеристик временых рядов температуры воды озер Беларуси за период инструментальных наблюдений позволяет сделать вывод о наличии статистически значимых изменений в динамике температуры воды озер Беларуси, обусловленных как естественно-климатическими, так и антропогенными изменениями гидрологического цикла.

Разный характер изменения термического режима озёр Беларуси находится в зависимости от характера преобразования водосборов. Результаты исследований подтверждают двойственный характер водности года на температурный режим озёр. Для озёр Белорусского Поозерья эта роль весьма значительна, а для озёр Белорусского Полесья это значение крайне мало или вовсе отсутствует.

В результате проведённого анализа метеорологических данных по метеостанциям в районах озёр установлено, что воздействие этих водоёмов на температуру и относительную влажность проявляется неодинаково. Ширина зоны прямого влияния озер на водосбор по периметру в охлаждающий период составляет до 300 м, а в отепляющий - до 50 м.

На основании анализа данных теплозапасов озёр и использования статистических методов (проверки временных рядов на однородность с использованием автокорреляционных функций) определена многолетняя динамика их изменчивости, установлены циклы со средним периодом 3 и 11 лет, подтверждаемые параметрами хаотизации от 0 до 0,87.

В третьей главе выполнен анализ пространственно - временных изменений испарения с поверхности водоёмов Беларуси в современных условиях и дан его прогноз.

Рисунок 3 - Карта испарения с поверхности водоемов Беларуси за безледовый период (апрель - ноябрь), мм

Получены расчетные величины испарения с водной поверхности на основании осредненных метеорологических данных (атмосферные осадки, температура и дефициты влажности атмосферного воздуха, скорость ветра) за период с 1985 по 2005 год по 40 метеостанциям, равномерно расположенным по территории Беларуси, и построена карта, отражающая современную ситуацию (рисунок 3). Измеренные величины (по пяти метеостанциям Василевичи, Полесская, Полоцк, Нарочь и Минск) служили контролем при расчетах величин испарения с водной поверхности, сравнительный анализ которых подтверждает корректность полученных результатов (R= 0,94).

Анализ испарения с водной поверхности на территории Беларуси показал, что произошли заметные изменения. В целом, величина испарения с водной поверхности уменьшилась на 12-14 %, и в большей степени эти изменения коснулись северной части Беларуси (до 22 %). Это подтверждают полученные линейные тренды и регрессионные зависимости по метеостанциям Беларуси, показывающие убывание данной величины, где её скорости разнятся по территории, что связано с особенностями ветровой структуры сформировавшейся на территории Беларуси в современных условиях, которая наиболее существенно изменилась во временном интервале, по всем метеостанциям. Доля вклада скорости ветра в изменение испарения с водной поверхности представлена в виде номограммы на рисунке 4.

Выполненные исследования ветрового режима над водоёмами республики позволили количественно оценить влияние высоты береговых препятствий на снижение скорости ветра и длину участка, где это снижение происходит. Установлено, что коэффициент уменьшения испарения определяется с учётом средней скорости ветра на защищённом участке озера и скорости ветра перед препятствием. Расчёты показали, что в зоне влияния препятствий уменьшение испарения в водоёмах составило 19-23 % и возросло до 27-32 % в зоне наиболее интенсивного нарастания скорости ветра.

Рисунок 4 - Номограмма изменения относительной величины испарения с водной поверхности в зависимости от начальной скорости ветра и процента ее изменения

Для оценки изменения испарения с водной поверхности в ближайшем будущем выполнен комплексный анализ изменения гидрометеорологических характеристик и определены их величины на 10 летнюю перспективу. При этом принималась гипотеза, что тенденция природных процессов, сложившаяся в последние 20 лет, не претерпит существенных изменений. Временной ход колебаний испарения с водной поверхности отслеживался с помощью хронологических графиков и разностных интегральных кривых. Его колебания описаны с помощью модели Маркова со сдвигом до 11 лет. Для оценки различий в режиме испарения с водной поверхности использованы статистические критерии Стьюдента (оценка выборочных средних) и Фишера (оценка выборочных дисперсий). На основании анализа цикличности во временных рядах с помощью автокорреляционной (АКФ) и частной автокорреляционной функций (ЧАКФ) удалось построить ряд прогнозных моделей, позволяющих дать оценку динамики процесса с заблаговременностью в 1 год. По результатам регрессионно-корреляционного анализа построены прогнозные модели, со статистически значимыми коэффициентами корреляции. Они отражают закономерности колебаний испарения с водной поверхности и могут использоваться для краткосрочного прогноза.

По результатам расчетов были построены карты изменения величин испарения с водной поверхности за безледовый период (рисунок 5), а также карта самих величин (рисунок 6).

Рисунок 5 - Карта изменения испарения с поверхности водоемов Беларуси за безледовый период на 2015 год, мм

Анализ картографических материалов позволяет утверждать, что существенных изменений в интенсивности испарения с водной поверхности не произойдет, за исключением юга Беларуси. Дело в том, что два главных фактора, определяющих интенсивность испарения с водной поверхности, скорость ветра и температура воздуха, имеют разнонаправленные градиенты и взаимно компенсируют свои воздействия.

Рисунок 6 - Карта испарения с поверхности водоемов Беларуси за безледовый период на 2015 год, мм

Скорость ветра имеет тенденцию к уменьшению и, причем в большинстве случаев, статистически значимую, которая приводит к снижению интенсив-ности испарения с водной поверхности. Температура воздуха имеет тенденцию к росту повсеместно, а её рост приводит к увеличению скорости испарения с водной поверхности. На юге Беларуси в формировании испарения с водной поверхности больший вклад принадлежит скорости ветра, в то время как на северо-востоке и северо-западе республики на первый план выступает температура воздуха.

В четвёртой главе раскрыты результаты исследований ледового режима озёр Беларуси. Проанализированы условия формирования льда и ледовых явлений на озёрах. Выявлено, что сроки наступления ледовых явлений зависят, в первую очередь, от изменения метеоусловий (температуры воздуха, скорости ветра) и, в среднем, для всех озёр не превышают 10 дней, однако в отдельные годы могут составлять 1,5 месяца и больше. Величины максимальной толщины льда колеблются от 64 до 80 см, на образование которого затрачивается 18-22 % объёма водной массы водоёма. Весенние ледовые явления зависят от климатических факторов и, в первую очередь, от суровости зимы, которая определяет толщину льда, а также от перехода средней суточной температуры воздуха через 0 ^оС к положительным значениям и составляют от 3 до 47 дней.

Ледовый режим озёр Беларуси в последние 20-25 лет претерпел существенные изменения, основной причиной которых явился устойчивый положительный тренд зимних температур воздуха на фоне общего повышения среднегодовых температур воздуха. Наступление ледостава наблюдалось на 2-6 дней позже, по сравнению с периодом климатической нормы. В тоже время продолжительность осенних ледовых явлений существенно не изменилась, а даты их начала сдвинулись на более ранние сроки на мелководных открытых озёрах и более поздние на озёрах с большой массой воды и значительным теплозапасом. Средняя продолжительность ледостава за последние два десятилетия на озёрах Беларуси сократилась на 6-15 дней по сравнению с предшествующим тридцатилетним периодом. Практически на всех водоёмах республики в последние два десятилетия наблюдается уменьшение толщины льда и её максимальных величин на 1-13 см, а среднегодовой - на 4-9 см, при этом увеличилась повторяемость лет с неустойчивым ледоставом, по сравнению с предшествующим тридцатилетним периодом, причём наиболее интенсивно процесс сокращения толщины льда наблюдается с 1986 г.

Анализ метеорологической и гидрологической информации позволил определить сдвиг фаз ледового режима, изменение толщины льда и их распределение в пространственно-временном интервале. Дан прогноз ледовой обстановки на ближайшую перспективу, при существующей тенденции изменения климата (таблица 1).

Таблица 1 - Прогнозные характеристики ледового режима озёр Беларуси

На основании данных наблюдений создана расчётная модель нарастания льда, в основу которой положена установленная в полевых исследованиях физическая закономерность, учитывающая стратификацию температур воздуха и воды, когда в определенные периоды обнаруживается тенденция участия эндогенного тепла в процессе оттаивания льда, баланс тепловых потоков.

, (1)

где k - поправочный коэффициент расчёта; - градиент изменения температуры воздуха,

- толщина слоя снега и льда, см,

- теплопроводность снега и льда (Вт/м ^оС),

- перепад температуры, равный примерно постоянной температуре воды (4^оС),

- теплопроводность i-го слоя воды,

- слой воды.

Проверка адекватности уравнения проводилась на независимом 2005-2006 гидрологическом году и показала высокую сходимость наблюденных и вычисленных величин. Коэффициент корреляции связей равен в среднем 0,87. Значение поправочного коэффициента колеблется от 0,76 для озера Червоного до 0,94 для озера Освейского. В связи с трудоёмкостью расчётов предложенной модели, нами для практического применения построены эмпирические зависимости, отражающие динамику максимальной толщины льда от метеоусловий.

По проведённым экспедиционным исследованиям установлена и оценена роль влияния льда на формирование береговой линии озёр, вычислены величины массива грунта, изымаемые всплывающим льдом из тела литорали, определён объём переработки береговых склонов (м³/пог. м.).

С учётом генетических особенностей озёр, их географического положения, морфологических и морфометрических параметров, распределения тепла в водной толще, особенностей ледового режима и существующих типизации Б.П. Власова (2004) и классификации и О.Ф. Якушко (1971), выполнена комплексная ледово-термическая типизация озёр Беларуси, позволившая выделить 4 типа и 6 подтипов. При этом главным критерием созданной типизации является перепад температуры воды по глубине летом, температурная характеристика водной массы, характер ледовой обстановки.

Тип I (холодные). Отличительной особенностью озёр является чёткая летняя температурная стратификация с разделением на слои, где на долю гиполимниона приходится около 50 % водной массы. Характерна небольшая мощность эпилимниона (3-4 м), за которой следует зона температурного скачка (2-3 м), где наблюдается резкое падение температуры 3,5-5 ^оС /м. Разница температур поверхности и дна летом составляет 15-16 ^оС, причём на дне температура не достигает 4 ^оС. Зимой наблюдается обратная температурная стратификация, но без разделения на температурные слои. Придонные температуры низкие от 1,8 до 3,0 ^оС. Средняя толщина льда колеблется в пределах 40-50 см. Начало ледостава проявляется на 1-1,5 недели позже II типа и приходится на первую декаду декабря, а вскрытие их наблюдается на 3-4 дня раньше. Подтип I₁. Холодные поозерские ледниковые озёра. Мезотрофные с признаками олиготрофии, глубокие (Н_max > 25 м), небольшие по площади (до 3 км²) гляцигенные рытвины с удлиненной котловиной ложбинного, сложного и эворзионного типа (k_откр. - 0,02-0,6, k_{глубин.} - 4,51-21,8). Подтип I_2. Холодные полесские карстовые озёра. Мезотрофные с признаками олиготрофии, глубокие (Н_max > 20 м ), небольшие по площади (менее 1 км²) воронкообразные карстовые котловины (k_откр. - 0,04-0,07, k_глубин.-7,99-8,31).