Водные ресурсы, 2020, T. 47, № 6, стр. 651-662

Методы анализа рядов годового и сезонного стока и исходные данные

Анализ долговременных фаз многолетних изменений годового и сезонного стока рек региона, обусловленных изменениями климата, основан на анализе многолетних рядов восстановленного (условно-естественного) стока (с исключенными из него в необходимых случаях заметных антропогенных изменений), на использовании разностно-интегральных кривых, критериев статистической однородности средних величин стока и на оценке характеристик выявленных фаз контрастной водности [5, 6].

Разностно-интегральные кривые представляют собой нарастающую сумму отклонений какой-либо характеристики от ее среднего многолетнего значения, рассчитанного для всего периода наблюдений. Зачастую отклонения нормируются на коэффициент вариации для сравнения временны́х изменений разнородных характеристик. Они позволяют выявить долговременные периоды (фазы), в течение которых намного чаще встречаются значения характеристики ниже или выше ее среднемноголетнего значения.

Границы гидрологических сезонов (половодье, меженные сезоны) определены на основе гидрографов стока, построенных за весь период наблюдений. Использованы также сведения о среднемноголетних датах начала и окончания половодья и ледостава.

Граница смены долговременных фаз повышенных/пониженных величин стока определяется на основе минимальных и максимальных координат разностно-интегральных кривых в комбинации с использованием критерия Стьюдента.

Долговременные фазы пониженной/повышенной водности Дона у ст. Раздорской

Контрастные фазы исследовались на основе многолетних рядов условно-естественного годового и сезонного стока, который восстановлен для периода заметного антропогенного воздействия.

Временнáя граница смены фаз контрастной водности различается для годового стока и стока гидрологических сезонов.

Для стока половодья характерны две продолжительные фазы (рис. 1). В 1870-х гг. началась фаза повышенного стока. В 1972 г. она сменилась фазой его пониженных величин. В течение всего периода инструментальных наблюдений (1870–2017 гг.) для зимнего и летне-осеннего стока также выделяются две основные долговременные фазы. Фаза их пониженного стока приурочена к началу периода наблюдений, а фаза их повышенного стока, начавшаяся в 1970–1980 гг. (что близко к началу современного глобального потепления), продолжалась до последних лет.

Рис. 1.

Годовой и сезонный сток р. Дон у ст. Раздорской в отклонениях от среднего многолетнего значения и в координатах разностно-интегральной кривой. Вертикальные линии – границы фаз контрастной водности. а – половодье, б – летне-осенняя межень, в – зимняя межень, г – год.

Для годового стока картина смены контрастных фаз имеет более сложный характер (рис. 1). Выделяются не две, а четыре фазы. В последней четверти XIX в. длилась фаза повышенного стока, которую сменила относительно короткая фаза пониженной водности. Затем снова наступила фаза повышенного стока, и с 1930-х гг. наблюдается длительная фаза его пониженных значений, которая еще продолжается. Отметим, что такой характер смены фаз повышенного/пониженного стока не уникален. Аналогичная ситуация наблюдается на Верхней Волге, Оке, Белой и на других реках бассейна Волги [9].

Продолжительность фаз составляет от 15 до 90–100 лет. Как правило, длительность фаз пониженной водности превышает, зачастую значительно, продолжительность фаз повышенной водности, кроме половодья, для которого характерно обратное соотношение. Разница величин среднемноголетнего условно-естественного стока между долговременными фазами его повышенных и пониженных значений (относительно значений, характерных для фазы пониженного стока) составляет для годового стока 29, стока половодья – 70, зимнего стока – чуть более 53, летне-осеннего стока – 50%. Если выделить отдельно фазу относительно стабильного годового стока (1934–1971 гг.), средний сток которой был близок к его средней величине за весь период наблюдений, то разница между контрастными фазами будет несколько больше (35%).

Внутрибассейновые особенности фаз повышенного/пониженного годового и сезонного стока

В качестве объектов исследования выбраны одиннадцать рек бассейна Дона (табл. 1): Дон в створах Задонск, Лиски и Казанская, а также его притоки до ст. Раздорской. Площадь бассейна Дона до этого створа составляет 377 тыс. км². Границы гидрологических сезонов (половодье, меженные сезоны) определены на основе годовых гидрографов среднемесячного стока, построенных за весь период наблюдений. Использованы также сведения о среднемноголетних датах начала и окончания половодья и ледостава.

Выявлено два основных типа последовательности долговременных фаз повышенной и пониженной сезонной водности рек бассейна Дона.

Для первого типа (реки основной, стокоформирующей части водосбора Дона) для стока половодья, зимней и летне-осенней межени с самого начала наблюдений выделяются две фазы контрастной водности, смена которых произошла в 1970–1980 гг. (рис. 2). При этом для зимнего и летне-осеннего стока практически с начала периода наблюдений отмечалась фаза его пониженных значений, сменившаяся в 1970–1980-е гг. фазой повышенных значений. Для стока половодья фаза повышенной водности отмечается с начала периода наблюдений. После нее также на рубеже 1970–1980-х гг. (на Медведице – с середины 1960-х гг.) наступила фаза пониженного стока половодья. Отметим, что на р. Дон в створах Лиски и Казанская, на которых имеются значительно более продолжительные ряды наблюдений (табл. 1), смена контрастных фаз сезонной водности также происходила в 1970–1980 гг.

Рис. 2.

Годовой и сезонный сток р. Хопер – Бесплемяновский (а – половодье, б – летне-осенняя межень, в – зимняя межень, г – год) и Чир – Обливская (д – половодье, е – летне-осенняя межень, ж – зимняя межень, з – год) в отклонениях от среднего многолетнего значения и в координатах разностно-интегральной кривой (РИК). Вертикальные линии – границы фаз контрастной водности.

Для второго типа многолетней динамики контрастных фаз (реки юго-западной и южной частей водосбора Дона до ст. Раздорской: Калитва у Погорелова и Чир у Обливской) для стока гидрологических сезонов характерны те же две основные долговременные фазы изменений стока. При этом смена контрастных фаз стока половодья происходила в те же годы, что и на реках первой группы. А смена долговременных фаз меженного стока (особенно зимнего) имеет существенно более сложный характер (рис. 2). Важно отметить, что на этих реках для меженного стока в 2000-е гг. наметился переход от фазы повышенной водности к фазе пониженной.

Сначала наблюдалась фаза повышенной водности, которая в 2000-е гг. сменилась на противоположную. На Дону у Задонска, на реках Вороне, Воронеже, Медведице отчетливые длительные контрастные фазы годового стока не выявляются. А на Дону у ст. Казанской и в створе Лиски, а также на реках Битюге, Сосне и Хопре последовательность смены контрастных фаз годового стока имеет сходство с последовательностью смены соответствующих фаз стока половодья.

Граница смены долговременных фаз повышенного и пониженного стока заметно варьирует для гидрологических сезонов и всего года как на одной реке, так и от одной реки к другой (табл. 2).

Всего одна смена продолжительных контрастных фаз (в 1970–1980-е гг.) наблюдалась для стока половодья. Она приурочена к началу современного потепления (кроме Дона в створе Лиски, Медведицы в створе Арчединская, на которых аналогичная смена произошла в середине 1960-х гг.). Также всего один переход контрастных фаз характерен и для стока меженных сезонов большинства рек. Он также произошел в 1970–1980-е гг. Только для трех рек выявлено две смены контрастных фаз стока меженных сезонов (для обоих меженных сезонов на Медведице в створе Арчединская, Калитве в створе Погорелов и на Чире у Обливской). Причем, на Чире для летне-осенней межени выделяется даже три таких перехода. Важно отметить, что для обоих меженных сезонов со второй половины 2000-х гг. наблюдается фаза пониженного стока на Медведице у Арчединской, Калитве у Погорелова, Чире у Обливской. Заметим, что и для годового стока в этот период выявляется фаза пониженной водности не только на Медведице у Арчединской, Калитве у Погорелова, Чире у Обливской, но и на Воронеже у Липецка и Вороне у Борисоглебска.

Продолжительность фаз также находится в широких пределах – от 10 до ~90 лет. При этом их наибольшая длительность наблюдается на Дону в створах Лиски и Казанская, период наблюдений на которых приближается к 140 годам. Для большинства рек продолжительность фаз контрастной водности не сильно различается. А на реках с более чем вековыми рядами наблюдений (Дон в створах Лиски и Казанская) для стока меженных сезонов фазы пониженной водности заметно дольше фаз их повышенной водности, а для стока половодья и годового стока характерно обратное соотношение длительности фаз.

Долговременные фазы повышенной/пониженной водности заметно различаются по среднему стоку (рис. 3). Так, для стока половодья эта разница (относительно стока в фазу его пониженных значений) меняется от 25 (на Вороне) до > 70% (на Битюге), для летне-осеннего стока – от 40 (на Сосне) до 144% (на Битюге), для зимнего стока – от 40 (на Сосне) до 150% (на Чире), а для годового стока – от 14 (на Дону в створе Лиски) до 97% (на Калитве).

Рис. 3.

Относительная разница (%) величин среднего стокa контрастных фаз (относительно стока в фазу пониженного стока) для половодья (П), летне-осенней (ЛО) и зимней (З) межени, года в целом (Г) на реках бассейна Дона. Названия рек и гидрометрических створов приведены в табл. 1.

Разница среднего годового стока контрастных фаз, как правило, наименьшая в сравнении с разницей стока гидрологических сезонов, кроме Чира и Калитвы, на которых она сопоставима с разницей стока контрастных фаз зимнего стока или превышает ее. На Дону, Хопре и Воронеже она становится последовательно выше в период половодья, в летне-осеннюю и зимнюю межень. А на Сосне она достигает наибольших значений в период половодья. Разница стока контрастных фаз тесно связана и с величинами среднего годового и сезонного стока (в абсолютном выражении, м³/c), и с площадью водосборов рассмотренных рек бассейна Дона. На рис. 4 приведен пример такой связи между характеристиками половодья контрастных фаз, стоком половодья и площадью водосборов рек бассейна Дона.

Рис. 4.

Зависимость разницы среднего стока половодья контрастных фаз Dfl от его нормы Rfl (а), рассчитанной для всего периода наблюдений, и площади водосбора F (б).

Сценарии климатических изменений в бассейне Дона

Для расчетов изменений речного стока в бассейне Дона использованы климатические сценарии, подготовленные в рамках программ CMIP3 и CMIP5. В каждой из этих программ для расчетов использованы те из четырех семейств сценариев, которые характеризуются наиболее (А2 из программы CMIP3 и RCP 8.5 из программы CMIP5) и наименее (В1 – CMIP3, RCP 2.6 – CMIP5) интенсивным ростом средней глобальной годовой температуры воздуха для периода 2010–2039 гг., который условно отнесен к 2025 г. Такой подход на основе учета наиболее широкого диапазона возможных климатических изменений обусловлен отсутствием критериев выбора какого-либо из четырех возможных семейств (групп) имеющихся климатических сценариев.

Аномалии среднемесячных средних многолетних значений температуры воздуха и сумм атмосферных осадков для указанного выше сценарного периода получены по результатам расчетов, проведенных на ансамбле из десяти КМОЦАО. Они отобраны из всего ансамбля моделей, включенных в программу CMIP3, на основе сравнения характеристик современного модельного и наблюденного климата для территории Русской равнины [14].

Заметим, что для предварительного отбора климатических моделей предложены и другие подходы [1, 2, 16], в рамках которых для однородных в климатическом или гидрологическом отношении регионов (речных бассейнов) отбираются глобальные климатические модели, наилучшим образом воспроизводящие их наблюденные климатические характеристики. Так формируется оптимальный региональный ансамбль глобальных климатических моделей [1], который и может быть использован в дальнейшем для оценки сценарных изменений гидроклиматических характеристик.

В ряде стран Европы и Северной Америки используется иной подход. Он основан на коррекции (“bias correction”) характеристик современного модельного климата, которая строится на их сравнении с характеристиками современного климата, основанными на данных наблюдений и на распространении определенной таким образом коррекционной функции на модельные сценарии климатических изменений [24].

Расчеты сценарных изменений стока Дона проведены также по данным о сценариях, подготовленных в рамках программы CMIP5, на основе результатов расчетов, полученных на 30-ти КМОЦАО без их предварительного отбора.

Известно, что сценарии изменений, например, атмосферных осадков и температуры воздуха даже по отобранным или откорректированным климатическим моделям характеризуются их значительным разбросом. Поэтому проблема уменьшения неопределенности сценарных климатических изменений уже многие годы остается одной из главных при разработке методов оценки изменений речного стока в среднесрочной перспективе. Одно из ее решений сводится к осреднению сценарных аномалий климатических характеристик, полученных по каждой из глобальных климатических моделей, включенных в имеющиеся семейства климатических сценариев (например, А2 и В1 или RCP 2.6 и RCP 8.5). Именно такие сценарные изменения рассматриваются в статье.

В бассейне р. Дон в среднемноголетних условиях первой трети XXI в., согласно обоим семействам сценариев, можно ожидать повышения среднегодовой осредненной по речному бассейну Дона температуры воздуха в пределах 1.3–2°C (табл. 3). Расчеты сценарных изменений среднегодовых сумм атмосферных осадков также показывают их увеличение на 2–3% для сценариев В1 и А2 и на 5–7% для сценариев RCP2.6 и RCP8.5 по отношению к величинам базового периода (1931–1980 гг.). При этом наибольшие их изменения могут происходить в холодную часть года [6].

Методы расчета изменений речного стока, обусловленных глобальным антропогенным потеплением

Модель месячного водного баланса Института географии РАН. В ее основе лежит уравнение среднемноголетнего месячного водного баланса речных водосборов для расчетных ячеек регулярной сетки, размер которых может меняться [5, 7]. Расчеты проводятся по квазисуткам, т.е. среднемесячные значения температуры воздуха и атмосферных осадков интерполируются по суткам в пределах каждого месяца на основе использования разработанных алгоритмов, которые подробно изложены в [8]. Модель прошла апробацию для условий крупных речных бассейнов, расположенных в разных природных зонах России, включая зону вечномерзлых грунтов [6–8, 22].

Метод среднемноголетнего водного баланса. Оценка сценарного среднемноголетнего годового речного стока Дона у ст. Раздорской для периода 2010–2039 гг. получена на основе уравнения среднего многолетнего водного баланса и данных о сценарных среднемноголетних годовых суммах атмосферных осадков и годового испарения, полученных осреднением результатов расчетов, проведенных в рамках программы CMIP5 на 30-ти КМОЦАО для ансамблей двух контрастных групп сценариев изменения климата (RCP 8.5 и RCP 2.6). Для этого данные модельных расчетов сумм атмосферных осадков и испарения, представленные в узлах равномерной сетки 2.5° на 2.5° по широте и долготе, осреднялись для территории бассейна Дона. Аналогичным образом по данным о годовых суммах атмосферных осадков и испарения за базовый период (средним для периода 1931–1980 гг.), осредненным по 30-ти КМОЦАО, рассчитывался современный годовой сток [19]. На основе сравнения расчетных значений сценарного и современного стока оценивалось относительное его изменение в условиях потепления в первой трети XXI в.

Сценарные изменения речного стока

Результаты расчетов, полученные на основе модели месячного водного баланса и среднеансамблевых климатических сценариев CMIP3 и CMIP5, показали, что в первой трети XXI в. средний многолетний годовой сток Дона у ст. Раздорской (независимо от используемого ансамбля контрастных сценариев антропогенного потепления климата) не будет заметно отличаться от его среднемноголетнего условно-естественного значения, рассчитанного для периода исчисления нормы стока – 1931–1980 гг. (табл. 3). Вероятное увеличение стока может быть в диапазоне от <1 до 4.5% (табл. 3), тогда как, согласно расчетам изменений стока, выполненным на модели месячного водного баланса на основе палеоклиматических реконструкций, основанных на палинологическом методе [27], – сток в период оптимума голоцена (аналога сценарных климатических условий первой трети XXI в.) был ниже современного на 3–4%. Расчеты, выполненные по палеоклиматическим реконструкциям, полученным для этой теплой геологической эпохи на ансамбле из 18-ти глобальных климатических моделей в рамках международной программы PMIP-II, показывают, что годовой сток в период оптимума голоцена не отличался от современного [10]. Международная программа сравнения результатов модельных палеореконструкций климата – PMIP (Paleoclimate Modeling Intercomparison Project), этапы I и II, составляет часть международной программы исследования глобальных изменений в прошлом PAGES (Past Global Changes).

Результаты расчетов, проведенных на основе уравнения среднемноголетнего водного баланса и данных о сценарных среднемноголетних среднегодовых суммах атмосферных осадков и испарения, полученных осреднением результатов расчетов, проведенных на глобальных климатических моделях, включенных в программу CMIP5, также показали, что годовой сток Дона у ст. Раздорской может незначительно (на 3.5–5%) снизиться относительно нормы, рассчитанной для периода 1931–1980 гг.

Близкая к этой оценка возможного снижения среднего многолетнего стока Дона получена осреднением результатов его прямых расчетов, выполненных на ансамбле, состоящим из 24 глобальных климатических моделей, участвующих в программе CMIP5 [13]. Согласно этим результатам, снижение среднего многолетнего годового стока, возможное в климатических условиях 2011–2030 гг. при реализации сценария RCP8.5, составило бы 5 мм (или 4% относительно стока, осредненного за период 1981–2000 гг.).

Расчеты, проведенные по воднобалансовой модели Государственного Гидрологического института [11] для среднеансамблевого климатического сценария A2 для первой трети XXI в. (2010–2039 гг.) показывают небольшое (на 6%) увеличение годового стока, а для сценария B1 – незначительное (на 4%) его снижение [23].

Отметим, что разброс оценок сценарных изменений годового стока, обусловленный заметной неопределенностью модельных климатических сценариев, весьма значителен [13]. При этом если для северных рек ЕЧР и для Волги аномалии изменения годового стока практически для каждого модельного климатического сценария, как правило, положительны, то аномалии сценарных изменений стока Дона могут быть как положительными, так и отрицательными.

Таким образом, сценарные изменения среднемноголетнего годового стока Дона у ст. Раздорской в среднесрочной перспективе (в первой трети XXI в.) в условиях антропогенного потепления могут быть весьма незначительными в сравнении с периодом исчисления его нормы – 1931–1980 гг. [19]. Масштаб этих изменений существенно меньше, чем различия между величинами годового стока долговременных фаз его пониженных/повышенных значений, характерных для более чем 100-летнего периода наблюдений. Они также значительно меньше его изменений, обусловленных антропогенными факторами.

Согласно расчетам, проведенным на модели месячного водного баланса, более значительные изменения при потеплении могут происходить с внутригодовым распределением стока [6]. Реакция внутригодовой структуры речного стока на сценарные климатические изменения проявится в “распластывании” волны половодья (для каждого из рассмотренных семейств сценариев). При этом сток половодья может быть незначительно (на 2–4%) ниже современного, а зимний и летне-осенний сток, вероятно, будет выше современного соответственно на 17–23 и 6%. И все же это существенно меньше, чем разница величин стока фаз повышенного/пониженного меженных сезонов, характерных для последних 130 лет.

Отметим, что, согласно расчетам, проведенным по модели месячного водного баланса [10], в оптимум голоцена (если основываться на данных палеореконструкций климата) сток половодья мог быть заметно (на 11–12%) ниже, а в другие сезоны – выше современного (зимой на 19–30, летом–осенью на 6–8%). В условиях модельной реконструкции оптимума голоцена (PMIP-II) ход половодья на Дону также могло быть более выположенным, а его начало могло смещаться на более ранние сроки. При этом его объем, согласно расчетам, был немного (на 3%) ниже, а зимний и летне-осенний сток – незначительно выше современных величин – соответственно на 5 и 7%.

Таким образом, в рассмотренные теплые климатические эпохи геологического прошлого и сценарного будущего в бассейне Дона годовой сток и сток половодья, вероятно, меняется незначительно, что заметно не ухудшает ситуацию, в том числе на нижнем Дону, а сток лета–осени и, особенно существенно, зимы может увеличиться, что будет способствовать улучшению экологической ситуации в среднесрочной перспективе.