Водные ресурсы, 2022, T. 49, № 3, стр. 251-269

ВВЕДЕНИЕ

Проблема оценки современных и ожидаемых изменений водного режима становится не только теоретической, но и актуальной практической задачей. Многочисленные исследования последствий современных изменений климата и их влияния на сток рек [8, 16, 24] свидетельствуют о том, что в ряде крупных регионов России существенные изменения водного режима рек стали очевидны. При высокой вероятности продолжения этой тенденции в ближайшие десятилетия на первый план выходит проблема оценки изменений речного стока, тем более что обеспечение нужд водохозяйственного и гидротехнического проектирования требует надежного определения параметров, характеризующих режим речного стока. В недавнем прошлом решение практических задач облегчалось тем, что при гидрологическом обосновании водохозяйственных мероприятий на ближайшие десятилетия допускалась гипотеза стационарности процессов стока, что имело принципиальное значение для методики расчетов стока. Обоснованность этой гипотезы для основных гидрологических характеристик подтверждалась результатами многочисленных исследований колебаний стока и его составляющих до последней четверти XX в. В настоящее время концепция стационарности многолетних колебаний стока подвергается сомнениям в связи с усилившимися в последние десятилетия процессами глобального потепления.

В этой связи разработка и принятие решений по адаптации водохозяйственного комплекса России к изменению климата должны быть обеспечены надежной информацией о влиянии происходящих и прогнозируемых изменений климата на водные ресурсы и максимальный сток речных бассейнов России. Последние обобщения этой информации содержатся в оценочных докладах Росгидромета о влиянии изменения климата на гидрологические системы суши [14] и опасные гидрологические явления [26]. После выхода в свет этих фундаментальных трудов было опубликовано большое число работ, уточняющих выводы национальных докладов. Цель настоящего обзора – обобщить современные представления о влиянии изменения климата на территории Российской Федерации на средний годовой (водные ресурсы) и максимальный сток рек, прежде всего на основе публикаций последних лет. Кроме того, в данной статье значительное внимание уделено последним результатам исследований авторов в этой области.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для оценки происходящих изменений водного режима рек по данным наблюдений используются два основных подхода: 1) сравнение средних значений или показателей изменчивости характеристик стока за современный период с соответствующими величинами предшествующего (базового) периода; 2) выявление линейного тренда в данных наблюдений рассматриваемой характеристики стока. В основе обоих подходов лежит допущение о происходящем однонаправленном изменении характеристик стока под влиянием глобального потепления. Другие подходы, в частности выделение фаз повышенной и пониженной водности (например, [11, 21]), не требуют подобного допущения, но интерпретация полученных с их помощью результатов оказывается более субъективной [69].

При расчете как изменения относительно базового периода, так и линейного тренда требуется выбор начального периода изменений. В ряде работ этот период идентифицировался по ускорению роста глобальной температуры воздуха в 1970–1980-х гг. (цифры взяты из [17, 23, 37, 54]), в других работах учитывались иные факторы [50, 59]. Статистическая однородность рядов наблюдений относительно базового периода оценивается параметрическими тестами (Стьюдента, Фишера и др.) или непараметрическими тестами (Манна–Уитни и др.). Для оценки значимости трендов используются стандартные статистические тесты, основанные на оценке значимости коэффициента корреляции Пирсона или коэффициентов ранговой корреляции.

Несмотря на ограниченный набор количественных статистических критериев, оценки значимости изменений речного стока для одних и тех же территорий могут различаться в работах разных авторов. Так, при оценке изменения стока с помощью линейного тренда величина тренда относится к среднему за весь период, в то время как при сравнении за два периода сравнение проводится относительно базового периода. Кроме того, при сравнении двух периодов не учитывается, как распределены годы повышенной и пониженной водности в пределах каждого из периодов. Также из-за различий среднемноголетних величин модуля стока в пределах речного бассейна величина изменения стока для большей части бассейна может не совпадать не только по величине, но и по знаку с величиной, рассчитанной по замыкающему створу. В результате вывод о величине и направленности изменений речного стока зависит от того, рассматривается площадь, для которой характерен тот или иной знак изменения стока, или величина этого изменения для замыкающего створа.

В данной работе выбор гидрометрических створов проводился с учетом следующих условий: для объективной количественной оценки возможных направленных изменений годового и максимального стока рек использовались ряды с продолжительностью наблюдений ≥55 лет и с отсутствием или минимальным количеством пропусков в наблюдениях. Имеющиеся пропуски были при возможности восстановлены с учетом рек-аналогов с помощью стандартных и общепринятых в гидрологических расчетах методов [51]. Информация о расходах воды взята из соответствующих выпусков гидрологических ежегодников, кадастровых справочных изданий, подготавливаемых и публикуемых управлениями по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (УГМС), в том числе в электронном виде, начиная с 1979 г.

Полученный архив содержит данные по годовому стоку для 698 постов с 1950 по 2019 г., в том числе для Европейской части России (ЕЧР) использовались данные по 361 посту (по максимальным расходам – 575 постов). Для ЕЧР площадь водосбора, ограниченная постом, в 78% случаев составляла от 1000 до 35 000 км², водосборы с меньшей площадью привлекались по территории Крыма, бассейну рек Кубани и Терек. Водосборы площадью >35 000 км² были единичны. Для азиатской части России (АЧР) использованы данные как для годового, так и для максимального стока (срочные максимальные расходы воды) по 337 постам, из них по бассейну Оби – 64 постам, Лены – 57, Енисею и Ангаре – 65, бассейну Байкала – 39, Амура – 65 постам. Остальные посты расположены на северо-востоке АЧР и Камчатке. Для АЧР привлекались посты с площадью водосбора >35 000 км².

При анализе динамики изменений в первую очередь максимального стока под влиянием климатических факторов не использовались данные по створам, выше которых имеются водохранилища сезонного или многолетнего регулирования.

Для определения даты нарушения стационарности рядов использован целый ряд подходов: непараметрический тест Петита (“Pettitt’s test”) [81], широко используемый для решения этой задачи в гидрологических исследованиях [96] и основанный на сравнении рангов членов ряда до и после некоторого года. При этом тест Петита выявляет изменение величин медианы. Оценка года перелома для всего района основывалась в том числе и на анализе временны́х графиков – суммарных (интегральных) или разностно-интегральных кривых (РИК) годового и максимального стока (рис. 1).

Рис. 1.

Определение даты нарушения стационарности рядов для случая увеличения, отсутствия изменения и уменьшения годовых расходов воды (а, б – р. Тартас – с. Венгерово; в, г – р. Бия – г. Бийск; д, е – р. Нижняя Тунгуска – с. Ербогачен). Слева момент на-рушения определен с помощью теста Pettitt, справа – с помощью интегральных ΣK_i и разностных интегральных Σ(K_i – 1) кривых.

Полученные с помощью теста Петита и уточненные с помощью графических приемов даты нарушения стационарности были картированы, что позволило выделить относительно крупные регионы в пределах России как для годового, так и для максимального стока (рис. 2). В пределах каждого района построены гистограммы дат нарушений, что позволило принять окончательное решение. Ряд районов впоследствии был объединен. Дата перелома варьирует в пределах 5–6 лет вокруг некоторых условно средних дат; например, для ЕЧР – 1978 и 1985 гг. Это говорит о том, что при наблюдающейся в целом синхронности многолетних колебаний имеет место определенный разброс дат, связанный как с особенностями самих водосборов, так и с неполной синхронностью климатических изменений.

Рис. 2.

Распределение даты нарушения стационарности в рядах годового (а) и максимального (б) стока (точки – используемые гидрологические посты, заливка означает наличие статистической значимости (p-value < 10%) в обнаружении переломного года).

Для значительной части ЕЧР, за исключением наиболее северной и южной частей, наиболее значимые изменения произошли в конце 1970-х гг. Выбор границы такого разбиения отмечен при проведенных ранее многочисленных исследованиях [8, 16].

При продвижении с З на В год нарушения сдвигается в сторону более поздних значений. Если для Западной Сибири и значительной части бассейна Енисея преобладает 1985 г., то для бассейнов Байкала, Амура, Лены – 1996 г. Для крайней северо-восточной части Сибири полученные результаты имеют предварительный характер ввиду небольшого количества данных.

Для рядов максимальных расходов воды схожая картина – 1980 и 1988 гг. в пределах ЕЧР сменяется на 1985 г. для Западной Сибири, среднего и нижнего течения Енисея, 1996 г. – для бассейнов Амура, Лены и северо-восточной части России.

Отметим, что для территории Забайкалья и Приморья годы перелома как годового, так и максимального стока совпадают и приходятся на 1996–1997 гг. Однако выбор 1996 г. в качестве граничного обусловлен прежде всего изменениями, выявленными в южной и северо-восточной частях бассейна р. Селенги, бассейнах рек Шилки и Аргуни (уменьшение годового стока), а также Амгуни и Уссури (наоборот, его рост). За пределами этих речных бассейнов изменения имели более случайный и разнонаправленный характер.

Анализируя результаты определения года нарушений рядов годового стока с помощью теста Петита, отметим, что доля постов, для которых это произошло при вероятности ошибки при отвержении нулевой гипотезы p < 10%, для кавказского региона и центральной части ЕЧР составляет 73 и 65% соответственно – наибольший показатель для всей страны. Для крайнего северо-востока России и рек бассейна Байкала доля ~30%. Для всей остальной части доля чуть >50%.

Для рядов максимальных расходов воды ярко выраженные нарушения стационарности характерны лишь для рек ЕЧР: доля постов с p < 10% составляет 80–90% для разных частей этого региона. Для АЧР эта величина уменьшается до 40–45% и становится равной 15–25% для бассейна Лены и северо-восточной части страны. Таким образом, нарушение стационарности для значительной части постов статистически недостоверно.

В соответствии с выбранным годом перелома для каждого региона проведен анализ однородности рядов по величине среднего и среднеквадратического отклонения σ. Для проверки однородности по среднему использовался параметрический t-критерий Стьюдента [77] и непараметрический U-критерий Манна—Уитни [74]. При этом t-критерий предполагает сравнение средних, а U-критерий – сумм рангов. Статистики обоих тестов имеют нормальное распределение. Для оценки однородности рядов по величине σ рассмотрены три параметрических теста: F-критерий Фишера, наиболее широко используемый в отечественной гидрологии; критерий Бартлетта [57]; критерий Левене [71]. При применении к нормально распределенной величине статистика критерия Бартлетта имеет распределение, независимое от объема выборки, и мощность, практически идентичную критерию Фишера. Критерий Левене имеет мощность выше, чем критерий Фишера, для распределений с “тяжелыми хвостами”, характерными для максимальных расходов [34].

Оценка значимости тренда за 1950–2019 гг. проводилась с помощью непараметрического теста Манна–Кендалла [66], а расчет параметров линейной регрессии – с помощью метода наименьших квадратов. Статистика теста основана на рангах членов ряда и имеет нормальное распределение.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Расчеты показывают, что для годового стока в целом для территории РФ критерии Стьюдента и Манна–Уитни дают практически идентичные результаты, независимо от выбранного порога значимости α (1, 5, 10%). Тесты для оценки значимости изменения дисперсии показали, что критерии Фишера и Бартлетта выявили наибольшее и практически одинаковое количество постов с нарушением однородности по σ. В дальнейшем в работе для рядов годовых расходов воды использовались критерии Стьюдента и Фишера. Поскольку критерий Левене имеет бóльшую мощность для распределений с “тяжелыми хвостами” [34] по сравнению с критерием Фишера, а критерий Бартлетта явно завышает число постов с нарушением однородности, в дальнейшем для рядов максимальных расходов воды использовался критерий Стьюдента и Левене.

Общие закономерности изменения годового стока на территории РФ

С учетом найденного года нарушения стационарности в рядах годового стока построены карты изменения годового стока относительно базовых периодов (рис. 2, 3) и распределения трендов за 1950–2019 гг. (рис. 4).

Рис. 3.

Изменение годового стока относительно базового периода (а) и оценка его статистической значимости по критерию Стьюдента для p-value < 5% (б).

Рис. 4.

Распределение трендов (%/10 лет) за период 1950–2019 гг. в рядах годового стока с указанием их статистической значимости по критерию Манна–Кендалла.

Вопросам оценки происходящих за период наблюдений изменений речного стока на ЕЧР посвящено много исследований. Ряд работ фокусируется на анализе изменений конкретных характеристик или одной из фаз водного режима всего европейского региона в целом [59, 64, 67] или охватывает всю Россию [15, 44, 89]. Всесторонний анализ изменений годового стока ЕЧР выполнен ранее при участии авторов настоящей статьи, а результаты опубликованы в коллективной монографии [23], в атласе [24], а также в работе [54]. Наибольшее количество исследований касается анализа динамики характеристик конкретных фаз для частных водосборов – Волги [16, 33, 62], Дона [13, 25, 29, 68], рек северных регионов ЕЧР [3, 73].

В целом для годового стока и общих водных ресурсов Русской равнины наблюдается постепенная тенденция к их увеличению, она связана с общим ростом увлажненности территории – это отмечается во всех работах, посвященных данному региону [22–24, 44, 54]. Однако для большинства проанализированных водосборов изменения имеют статистически незначимый характер [44, 54]. Проведенные расчеты, основанные на обновленных данных за 1950–2019 гг., подтверждают данный вывод и иллюстрируют в целом сохранение и усиление тенденции роста общей водности рек (рис. 2–4). Согласно полученным картам, эти изменения в той или иной степени отражают законы географической зональности, усиления степени континентальности климата. Реакция стока на изменения климата проявляется по-разному в зависимости от природных зон, влияния рельефа местности и удаленности региона от основных влагонесущих потоков – западного переноса. На преобладающем большинстве водосборов годовая водность рек увеличилась на 20–50% относительно базисного периода, что согласуется с предшествующими оценками и несколько превышает их [44, 54]. Более яркое проявление тенденции связано, возможно, с выбором переломного года.

Меньше всего изменения затронули сток рек в северных регионах ЕЧР, водосборы которых расположены преимущественно севернее 59° с.ш. Так, в бассейнах Онеги, Мезени и Северной Двины, за исключением нескольких водосборов, изменения годового стока укладываются в диапазон ±10% по отношению к базисному периоду. Для абсолютного большинства водосборов изменения имеют статистически незначимый характер. Полученные результаты близки к предшествующим оценкам [73] – 20–40 мм за 1976–2017 гг., исключение – р. Мезень, на которой годовой сток почти не рос [73], а с учетом последних лет тенденция к росту все же наметилась. Схожие результаты получены и в работе авторов [24]. В бассейне Печоры для отдельных рек, берущих начало на наветренных склонах Урала и Северных Увалов, фиксируется увеличение годового стока на 10–20%, что соответствует предшествующим оценкам [54]. Чуть более выраженные изменения годового стока характерны для рек Карелии и Кольского п-ова. Здесь для ~30% анализируемых водосборов увеличение годового стока составляет >20% и имеет статистически достоверную значимость. Полученная оценка (+12%) чуть выше, чем в предшествующих работах [24, 73]. Тем не менее есть достаточное число рек, где эти изменения незначимы и ограничены диапазоном ±10% относительно базисного периода. Для единичных бассейнов в Карелии и Ленинградской области наблюдается снижение годового стока на ≥20%.

Для большинства анализируемых рек северо-западной части Русской равнины наблюдается ярко выраженное увеличение годового стока на 20–50%. Несколько меньше число водосборов, где эти изменения составляют 10–20%. Тенденция к увеличению водности рек региона не вызывает сомнений, что подтверждается статистической достоверностью роста математического ожидания. Эта оценка в ~1.5–2 раза выше, чем приведенная в [44].

В Центральном регионе России изменения годового стока рек имеют разную интенсивность. Так, в верхнем течении Оки и Москвы-реки они не имеют статистической значимости и укладываются в диапазон ±10%. С продвижением на В и СВ тенденция увеличения годового стока становится более заметной. Аналогичное распределение получено и в [44]. В среднем и нижнем течении Оки и ее притоков – Мокши, Цны, бассейне Суры – изменения >10%, доходят до 20–50% и порой >50%, что в 2 раза превышает предшествующие оценки [12, 22, 24, 44, 54]. Предположительно, это связано с усилением тенденции роста годового стока.

Но наиболее выраженный рост водности наблюдается в Заволжье. Если верхнее течение Камы по характеру тенденций тяготеет к бассейну Печоры и северо-восточных территорий ЕЧР, то в среднем и нижнем течении Камы, а также на левобережных притоках Волги – Костроме, Унже, Ветлуге – рост средних годовых расходов воды интенсивнее всего: 20–50% и более. Этот регион совпадает с восточным макросклоном Русской равнины, и именно здесь сосредоточено основное количество постов со статистически достоверными положительными трендами годового стока. Аналогичные результаты получены и в предшествующих работах [22, 24, 44, 54].

Противоположные результаты получены для бассейна Дона (за исключением верховьев, водосборов Хопра и Медведицы). Это единственный крупный регион на Русской равнине, где в последние десятилетия выражена статистически достоверная, преобладающая тенденция снижения водности, это подтверждают результаты предшествующих исследований [12, 22, 24, 29, 44, 54]. В верхнем течении Дона она укладывается в диапазон ±10% и не имеет статистической значимости, как и показано ранее в [29, 67, 68], но с продвижением на ЮВ увеличивается. Снижение годового стока в замыкающем створе (ст. Раздорская) составляет ~25% по отношению к предшествующему 15–20-летнему периоду. В то же время в бассейне Хопра и Медведицы наблюдается рост водности на 10–20%, что не соответствует ранее полученным результатам [29, 31].

Для еще одного засушливого региона – бассейна Урала и притоков Нижней Волги – как и для бассейна Камы, ярко выражена тенденция увеличения средних годовых расходов воды на 20–50% и более. Годовой сток Урала и его притоков за период инструментальных измерений претерпел существенные климатически обусловленные и антропогенные изменения, в которых прослеживается ряд важных особенностей и закономерностей [37]. В 1930-х и особенно в конце 1950-х гг., со второй половины 1970-х по 1980-e гг. наблюдалась заметная смена параметров и характера многолетних колебаний годового стока.

Положительная тенденция изменения годовых расходов воды наблюдается и на Кавказе. Реки здесь отличаются чрезвычайным разнообразием природных условий формирования стока [86]. Равнинная часть территории испытывает значительное антропогенное воздействие разной интенсивности [37]. Для многих гидрологических постов региона характерны пропуски в рядах и плохое качество измерений [1]. В основном рост водности за год статистически незначим и укладывается в диапазон ±10%. Лишь для отдельных замыкающих створов притоков на равнинных и предгорных участках в бассейне Кубани увеличение годового стока составляет от 10–20 до 20–50%, что также соответствует предшествующим исследованиям [37, 86]. Для рек Кавказа характерен рост дисперсии на 20–50% и более.

Сток рек Причерноморья вырос в среднем на 0.7% [37]. Изменение составило от −6.7% для р. Западный Дагомыс до 7.8% для р. Хоста, что подтверждает полученные результаты. Оценка изменения годового стока рек Крыма чрезвычайно затруднена из-за существенного антропогенного влияния за счет их регулирования прудами, водохранилищами, а также использования рек для сельскохозяйственных и бытовых нужд. Данные по рекам, находящимся в близких к естественным условиях формирования стока, – Черной в верховьях, Улу-Узень, Кучук-Узенбаши и др. [6] – свидетельствуют о том, что сток за период 1980–2019 гг. увеличился по сравнению со средним за 1945–1979 гг. – от 5 до 30%.

Таким образом, основной регион в пределах ЕЧР, характеризующийся повышенной водностью, локализуется на наветренных склонах Волжской макродолины и Урала. Согласно проведенным расчетам, сосредоточенные здесь гидрологические посты характеризуются ростом дисперсии на 20–50% и более. Рост дисперсии также характерен для северо-восточной части Русской равнины (бассейн Печоры и верхнее течение Камы) и отдельных постов северо-западных районов ЕЧР и Верхней Волги. Величина линейного тренда (% за 10 лет) отражает скорость изменения средних годовых расходов воды. Согласно расчетам, для большинства рек она составляет 0–10% за 10 лет, и лишь для отдельных водосборов превышает данное пороговое значение.

Годовой сток рек Сибири и Дальнего Востока в арктические моря России неуклонно растет с 1980-х гг. (рис. 2–4).

Это подтверждают как результаты исследований отечественных и зарубежных специалистов [11, 61, 76, 80, 88, 89, 91], так и выводы авторов данной статьи [18, 73]. Различаются лишь взгляды на причины, величину, хронологию, пространственные закономерности и внутригодовую структуру этих тенденций [8, 9, 38, 40, 47, 52, 60, 61, 73, 76, 91–93, 95], что можно объяснить разными объемами и территориальным охватом использованных данных, выбранными границами для сравниваемых периодов, методическими подходами к анализу и др. Причины масштабных изменений рассмотрены в [56, 58, 65, 76, 79, 80, 83, 87, 88, 91], но единой точки зрения по-прежнему нет, и предлагаемые связи будут постоянным предметом дискуссий [75]. В [72] приведены интересные результаты реконструкции рядов годового стока Оби, Енисея, Лены и Колымы дендрохронологическим способом до 1800 г. и их анализа, согласно которым: 1) колебания стока до начала 1990-х гг. находились в пределах естественных показателей изменчивости; 2) не обнаружено значимой связи между колебаниями стока и климатическими индексами, тогда как по коротким рядам (в пределах периода наблюдений, да и то не всего) такие связи есть.

Согласно данным авторов [73], в 1976–2017 гг. суммарный годовой сток воды в моря Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское и Чукотское вырос на 7% по сравнению с 1936–1975 гг. У пяти главных рек, впадающих в Карское море, рост составил 3%; с водосбора морей Лаптевых и Восточно-Сибирского приток речных вод вырос на 12 и 9%. Лишь реки водосбора Чукотского моря, относящиеся к региону со снижением годового стока (рис. 2–4), показали убывающую тенденцию (−2.8%). Эти изменения особенно выражены в последние 25–30 лет и связаны с естественными причинами, тогда как влияние хозяйственной деятельности на суммарные водные ресурсы рек АЧР минимально [8, 18, 36, 40, 56, 70, 76, 89, 92–94]. Наибольшее абсолютное увеличение речных водных ресурсов зафиксировано на территориях Дальневосточного и Сибирского округов, наименьшее – в Уральском [9].

Внутри огромных (по площади и широтному простиранию) водосборов арктических морей реакция годового стока рек на климатические и, возможно, криолитологические изменения в зависимости от физико-географических условий и расположения их бассейнов − неоднозначна. В то же время следует признать, что в АЧР преобладают посты и реки с увеличением среднегодовых расходов воды Q_ср и условий водообеспечения. Его изменениям по территории присущи определенные закономерности, которые демонстрируют новые карты авторов (рис. 2–4). Реки с ростом стока на 20–50% относятся к двум регионам. Первый, юго-западный, охватывает нижнюю часть бассейна Иртыша и Обь-Иртышское междуречье, восточные склоны Уральских гор; второй, самый большой, протянулся от Хатанги до Колымы, от побережья морей Лаптевых и Восточно-Сибирского до Станового и Алданского нагорий. Здесь преобладают посты со статистически значимым (по критерию Стьюдента) увеличением Q_ср (рис. 2–3). Изменение среднего квадратического отклонения (СКО) годового стока везде положительное и значительное – от 10 до >50%, но статистически значимых случаев немного. Все это предполагает более осторожное применение стандартных методов гидрологических расчетов из-за нарушения гипотезы стационарности [51]. Во-первых, их разделяют реки в северной части Западно-Сибирской равнины, в средней и нижней частях бассейна Енисея с меньшими (0–10%) положительными аномалиями Q_ср, на которых число постов со значимыми и незначимыми нарушениями стационарности примерно одинаковое. Во-вторых, это верховья Оби и Ангаро-Енисейский участок (к Ю от 60° с.ш.) с разными по знаку отклонениями стока от базового периода (от −10 до +10%), с преобладанием постов со статистически незначимыми изменениями Q_ср. В эту зону попадают Новосибирское и Ангаро-Енисейские водохранилища, неблагоприятные изменения притока в которые ухудшают экономические показатели их работы. Еще один небольшой район с положительными аномалиями Q_ср (в диапазоне 0–20%) расположен в Приморье [28, 41].

Существенно меньшую площадь по сравнению с областями, занятыми положительными аномалиями, занимают два региона со снижением Q_ср. Первый включает в себя верховья Лены (южнее 60° с.ш.), бассейн Селенги [63], верховья Амура и отдельные водосборы в среднем и нижнем течение Амура (рис. 2–3). Здесь уменьшение Q_ср наиболее существенное – в диапазоне 10−50%, но постов со статистически значимыми изменениями меньшинство (рис. 2–3). Наиболее существенное сокращение водных ресурсов рек произошло в южной части бассейна Селенги, выше поста Наушки (−34.7%). Отсюда в северо-восточном направлении снижение Q_ср уменьшается, достигая −25.7% в бассейне Шилки и −16.5% в бассейне Аргуни. Выделенная область отрицательных аномалий стока, “затухающих” от бассейна Селенги на СВ, согласуется с областью отрицательных аномалий осадков, связанной с фронтальными процессами в этой области, согласно [5]. Далее на В преобладают положительные аномалии Q_ср [28]. В бассейнах рек Зеи, Буреи и Тунгуски изменения Q_ср практически отсутствуют. Еще дальше на В изменение увеличивается до 10–15%. Общее уменьшение Q_ср для бассейна Амура (пост Богородское) составило 6%. Наиболее заметные изменения СКО выявлены для северной части водосбора оз. Байкал – бассейнов рек Верхняя Ангара (70%), Турка (27.1%) и верховий р. Баргузин (36.6%). На остальной части характер изменения СКО схож с характером аномалий Q_ср. Наиболее заметное снижение СКО произошло в бассейне Селенги. Причем оно в среднем в 1.5 раза превысило снижение Q_ср.

Второй большой регион с отрицательными аномалиями Q_ср охватывает Чукотку, включая правобережье Колымы и бассейн р. Анадырь, а также северное побережье Охотского моря, бóльшую часть Камчатского п-ова. Для рек Камчатского края в основном характерно наличие относительно продолжительной фазы повышенного водного стока (до конца 1970-х – начала 1980-х гг.) и фазы пониженного стока в последующие годы. Такая тенденция отмечена как для крупнейших рек Камчатки – Пенжины [20] и Камчатки [55], так и для более мелких водотоков [32]. В последние 30 лет для бассейна р. Камчатки характерно некоторое увеличение стока в ее верхнем течении и незначительное уменьшение в целом для всего бассейна. Главная причина снижения Q_ср – уменьшение сумм осадков.

Статистически значимые положительные тренды Q_ср за 1950–2019 гг. присущи, как правило, рекам АЧР, протекающим в районах с наиболее значительными и положительными аномалиями годового стока (рис. 4), что совпадает с выводом в [44]. Трендов с величиной >10%/10 лет немного, как и значимых отрицательных трендов. Так, особенности пространственного распределения величины тренда годового стока рек Забайкалья и верховий Амура схожи с пространственной изменчивостью аномалий самого стока, хотя статистическая значимость тренда не так велика – для 91% постов значимость обнаружения тренда больше, чем значимость изменений Q_ср. Можно выделить область со значимым ростом Q_ср в бассейне Тобола – на 5%/10 лет, для территории между Ямалом и Чукоткой северней 60° с.ш. – на 3–7%/10 лет. В южной и восточной частях бассейна Селенги скорость уменьшения Q_ср составила 3–5%/10 лет. Для остальной территории АЧР выявить однородные по величине изменения Q_ср не удалось.

Похожие результаты, но по меньшим объемам данных, показаны в [8, 91]. Они согласуются с тенденциями изменений высоты снежного покрова и осадков за холодный период [82, 83, 91]. К В от р. Лены, где значителен вклад в общие водные ресурсы летне-осеннего стока и осадков [18], тенденции изменений снежного покрова и годового стока не обязательно совпадают. Уменьшение осадков и снегозапасов к В от р. Колымы, включая бассейн р. Пенжины [7, 78, 90], – возможная причина снижения здесь стока рек. Но есть и отличия. Так, на приведенных в [8, 91] картах южный район с отрицательными аномалиями существенно больше, чем по данным данного исследования, и охватывает южные части водосборов Оби, Енисея и Лены – к Ю от 55°–60° с.ш., включая отдельные части бассейнов Иртыша и Ангары. В [46] анализ величины и значимости трендов Q_ср рек в Алтай-Саянском регионе за 1965–2014 гг. по 108 постам показал, что для 59 постов характерна тенденция к увеличению Q_ср (верховья Абакана и бассейн р. Кан), а для 49 – к уменьшению. Забайкалье в [8] показано территорией с положительными аномалиями Q_ср, а вся северная часть Западной Сибири – с отрицательными [8, 91].

В последнем опубликованном в 2021 г. исследовании ГГИ [44], проведенном с использованием сопоставимого количества постов (430), длины и хронологических границ рядов, в распределении изменений (%) годового стока рек АЧР по территории оказалось много схожего с результатами настоящего исследования. Главное отличие – появление еще одной зоны с отрицательными аномалиями Q_ср (−10%…0%) – в правобережной части бассейна Оби и среднем течении Енисея. Наиболее вероятная причина – разные переломные годы. Например, в [10] сравнивался сток рек за 1946–1975 и 1976–2018 гг. и получилось, что в первую зону с отрицательными аномалиями (рис. 2–4) дополнительно попадают южные части бассейнов Оби и Енисея – к Ю от 58°–60° с.ш.

Вообще, укрупненные районы с принятым единым “годом перелома” в многолетнем ходе годового стока рек в АЧР генерализуют более дробное деление со своими закономерностями. Первая из них – это запаздывание в наступлении второго периода в восточном направлении и в глубь суши. Даже в пределах большого региона, включающего северные районы ЕЧР и Западную Сибирь (рис. 2а), с годом перелома в 1985 г. в западной его части (в пределах АЧР) заметные изменения колебаний годового стока зафиксированы в основном в первой половине 1980-х гг., а в восточной части – во второй половине, в основном с 1987 по 1988 г. В пределах района с годом перелома в 1996 г. преобладает горный рельеф, что может свидетельствовать о второй закономерности – прямой связи высоты местности и запаздывания наступления второго периода. Еще одна закономерность – статистически незначимая связь засушливых и равнинных условий замкнутой Центрально-Якутской равнины, Приленского плато, срединной части Западно-Сибирской равнины с более ранней сменой прежних условий стокоформирования – с начала–середины 1970‑гг. На крайней северо-восточной территории АЧР и на равнинных участках тихоокеанского побережья заметные изменения стока видны с конца 1960-х и с 1970-х гг. Это четвертая закономерность. Безусловно, всю эту неоднородность отобразить невозможно и укрупнение районов необходимо, но оно, как уже убедились, влияет на результаты сопоставления характеристик стока базового и сравниваемого периодов.

В последнее десятилетие много внимания уделялось изменению стока рек бассейна Байкала, что связано с наблюдающимся там маловодьем и негативными эффектами для этого крупнейшего, уникального и охраняемого ЮНЕСКО пресноводного водоема. Величина притока речных вод в Байкал за 1932–2016 гг. составила 62.5 км³/г. [2]. При этом в его динамике не было выявлено тенденции к монотонному изменению. Анализ более продолжительного ряда Q_ср (1901–2017 гг.) выявил статистически незначимый возрастающий тренд (<0.1%/год) [50]. В [97] сравнение периодов 1978–1995 и 1996–2015 гг. показало снижение Q_ср в пределах монгольской части бассейна Селенги. Причем снижение было связано с увеличением потенциального испарения и статистически незначимым уменьшением слоя осадков. Как видно, полученные авторами настоящей статьи результаты, демонстрирующие уменьшение Q_ср и, в меньшей степени, его изменчивости, наиболее заметное для южной и восточной части бассейна Селенги, совпадают с предыдущими работами.

Гораздо меньше работ посвящено изменению стока Амура и его притоков. Сток Амура частично зарегулирован, в частности водохранилищами на Зее (1975 г.), Бурее (2003, 2017 гг.), а также рядом водохранилищ и прудов в бассейне р. Сунгари начиная с 1970-х гг. Величина водозабора на российской части бассейна незначительна (1.44 км³/год) с небольшой долей безвозвратного водопотребления. В то же время водозабор на территории китайских провинций в 2010 г. составил 62.7 км³/год [19]. Именно с регулированием стока связывают изменение внутригодового водного режима нижнего Амура [4, 8] и в некоторой степени отрицательные аномалии годового стока [45]. В приустьевом створе Богородское (имеющем самый непродолжительный период наблюдений) число маловодных и многоводных лет практически одинаково [35].

МАКСИМАЛЬНЫЙ СТОК

Трансформация типовых гидрографов под влиянием меняющегося климата привела к драматическим изменениям максимальных расходов воды в некоторых регионах ЕЧР. На реках ЕЧР максимальные расходы воды в значительной степени формируются во время весеннего половодья. Наблюдаемые изменения водного режима характеризуются в первую очередь изменениями характеристик именно этой фазы. Анализу происходящих изменений посвящено большое количество работ как общего, так и регионального характера.

Для северных районов Русской равнины, где наблюдаются относительно слабые изменения средней водности, характерен практически повсеместный рост годовых максимумов. В большинстве случаев эта тенденция не является статистически достоверной, однако она характерна для большинства постов. Предшествующие исследования [17, 37, 54] столь однозначного слабого роста годовых максимумов не фиксировали. Согласно [44], тенденции в регионе разнонаправлены и укладываются в диапазон 10%. Схожая картина наблюдается и для рек верховьев бассейна Камы. Так, в створе р. Кама – пгт Гайны после 2000 г. заметно снизилась дисперсия колебаний, однако похожий период со значениями, близкими к среднемноголетним, был здесь и в 1950-е гг.

Согласно полученным результатам, наиболее пестрая картина изменений годовых максимумов стока (Q_макс) наблюдается на северо-западной территории ЕЧР. В Ленинградской области и в южной части Карелии преобладает положительная динамика Q_макс. Это соответствует данным, приведенным в работе ГГИ, показывающим, что именно в этом регионе наблюдаются посты с превышением максимального расхода 10%-й обеспеченности в 2–3 раза за современный период [15, 44]. На западной территории России на абсолютном большинстве гидрологичесих постов наблюдается снижение Q_макс преимущественно на 10–20%, а для отдельных водосборов – 20–50%, что согласуется с предшествующими работами [15, 44].

С продвижением на Ю интенсивность снижения Q_макс растет: в верховьях Оки она составляет в среднем 20–50%, а для бассейна Дона – повсеместно сокращение Q_макс > 50%. Это соответствует проведенным ранее региональным обобщениям [25, 30, 54]. Они же согласуются с оценками ГГИ в [15, 44], где показано, что в бассейнах Нижней Волги, Дона, Днепра, а также в южной части бассейна Оки на преобладающей части рек с 1979–1983 гг. произошло снижение Q_макс на 40–60% и статистически значимое уменьшение дисперсии.

Интересен факт, что линия “смены тенденций” четко проходит по Волжской макродолине. Для левобережных притоков Верхней Волги ниже Рыбинского водохранилища повсеместно наблюдается рост Q_макс на 10–50%. В среднем течении Камы наблюдаются разнонаправленные тенденции, но преобладают посты с увеличением Q_макс. Реки, текущие с Ю, уже имеют обратную тенденцию – Q_макс здесь снижаются на 20–50% в преобладающем большинстве случаев. Для большинства рек изменения Q_макс статистически значимы. Полученные результаты соответствуют предшествующим исследованиям ГГИ [15, 33, 44]. В работе [33] показано, что для 70% рек наблюдается снижение слоя стока половодья, для 30% – рост. При этом лишь для одной трети изученных водосборов изменения на тот момент имели статистически значимый характер, сейчас это число удвоилось. Для рек с отрицательным трендом снижение объема половодья за период 1978–2010 гг. составляло в среднем 10%, согласно проведенным расчетам сейчас это уже 40–60% [44], что согласуется с результатами настоящей работы.

Интересно, что изменения Q_макс половодья заметно выражены для рек именно с преимущественно снеговым питанием в масштабе всей Европы. В работе [59] Русская равнина выделена как отдельный регион, для которого характерны снижение максимумов половодья и заметное смещение его дат на более ранние сроки.

В бассейне Урала тенденции изменения максимумов неоднозначные, для рек в верхнем течении бассейна характерен рост Q_макс, для среднего и нижнего течения Урала – уменьшение на 20–50%. Такие результаты могут быть связаны с тем, что с завершением условно естественного периода параметры весеннего половодья существенно изменились: ранее его доля в годовом стоке составляла здесь 75–85%, сейчас – лишь до 65–75%, исключение – р. Орь [39].

Для большинства рек Северного Кавказа и его предгорий характерно преобладание роста Q_макс в последние десятилетия в среднем на 10–20%, в отдельных случаях до 50%. На реках высокогорий максимумы, наоборот, снижаются. Это частично согласуется с предшествующими исследованиями ИВП РАН. Так, для бассейна Терека отмечено снижение на 5–50% [84] для горной и предгорной частей бассейна, в том числе для предгорных районов Дагестана. В равнинной части изменений не выявлено — незначительное снижение в бассейнах Терека и Сулака и небольшой рост в бассейне Самура. Аналогичная ситуация наблюдается в верхнем и нижнем течении Кубани, где также, по расчетам до 2016 г., отсутствуют статистически значимые изменения. Однако в среднем течении Кубани еще тогда был выявлен рост Q_макс, составивший за рассматриваемый период 30–45% [84]. Авторы связывают эти тенденции с прохождением фазы пиковых расходов в период дегляциации в регионе [85]. В работе [84] также показано, что Q_макс дождевых паводков в 1960–2016 гг. имели тенденцию к увеличению в предгорных районах, в то время как в горах направленные изменения не выявлены.

Данные по рекам Крыма, находящимся в близких к естественным условиях формирования стока, свидетельствуют о незначительном росте Q_макс на ~10%.

Более интенсивная по сравнению со средними годовыми расходами реакция годовых максимумов на изменения климата подтверждается практически повсеместной статистической достоверностью трендов. Наибольшие скорости изменения характеристики приурочены к Черноземью, где в среднем за 10 лет максимальные расходы сокращаются на >25%. Именно снижение годовых максимумов в южной части Русской равнины максимально ярко демонстрирует, каким образом трансформация климата региона влияет на водный режим рек.

Картина изменения Q_макс рек АЧР более разнообразна (рис. 5, 6). Так, полноценный анализ характера и закономерностей временных и пространственных изменений Q_макс ограничен меньшим числом постов с достаточной продолжительностью наблюдений и непрерывными рядами. Да и сами сетевые данные содержат большие по величине ошибки [90]. Это повлияло на решение о разделении АЧР всего на два региона с примерно одинаковым годом перелома – 1985 и 1997 гг. (рис. 2б). Тем не менее отчетливо видно, что на АЧР, в отличие от ЕЧР, во-первых, явно преобладают реки с положительными аномалиями Q_макс, а во-вторых, их размещение схоже с распределением положительных аномалий Q_ср. Причем реки на юго-восточной территории АЧР со значительной ролью летне-осенних дождевых паводков и дальневосточного типа водного режима демонстрируют уменьшение Q_макс, тогда как реки с основной фазой в весеннее половодье – в основном увеличение Q_макс. Неоднозначные изменения (от −20/−10 до +10/+20%) установлены для крайней северо-восточной территории АЧР, водосборов Охотского и Японского морей, в пределах Ангаро-Енисейского участка (к Ю от 60° с.ш.). Наиболее выраженная (от −10 до ≥−50%) и компактная зона с отрицательными аномалиями Q_макс, как и в случае с годовым стоком, расположена в Забайкалье и верховьях Амура, а с положительными аномалиями – в нижней части бассейна Иртыша, на Обь-Иртышском междуречье и восточных склонах Уральских гор (+10…≥+50%) (рис. 3, 4).

Рис. 5.

Изменение максимального стока и оценка его статистической значимости по критерию Стьюдента для p‑value < 5%.

Рис. 6.

Распределение трендов за период 1950–2019 гг. в рядах максимального стока (%/10 лет) с указанием их статистической значимости.

А.И. Шикломанов и коллеги [90] на основе данных по 139 постам за 1930–2001 гг. не подтвердили преобладание положительной тенденции в многолетних колебаниях Q_макс, но выявили возрастающий тренд за 1960–2001 гг. в средней и северной частях бассейнов крупнейших рек азиатской части водосбора арктических морей. В [15] по результатам анализа за 1950–2016 гг. увеличение Q_макс с середины 1980-х гг. в диапазоне от 0 до 20% обнаружено у рек между Енисеем и Колымой (т. е. у рек с восточно-сибирским типом водного режима), а также в российской части водосбора Иртыша; хотя бассейн р. Яны в [15] обозначен территорией с отрицательной аномалией. В целом, в [9, 15, 48], несмотря на разницу методических подходов, доминирующей тенденцией для рек Средней и Восточной Сибири (вплоть до Колымы) и к C от 55°–60° с.ш. признается рост Q_макс. Если он еще и не привел к положительным отклонениям, то благодаря возрастающему тренду это произойдет. Поскольку более интенсивное таяние сезонных снегов, связанное с весенним повышением температуры воздуха [90], бóльшие (чем ранее) снегозапасы и жидкие осадки в период весеннего половодья, сохранение малых потерь талого стока в условиях сплошной мерзлоты [83] и предвесеннего водонасыщения будут этому способствовать.

Интересная ситуация складывается в Алтай-Саянском горном и предгорном районе. В [9, 27] отмечено, что с 1990-х по 2010-е гг. у больших и наиболее многоводных рек Алтая – Катуни и Бии, формирование стока которых происходит в нескольких высотных зонах, – отрицательный тренд максимального стока сменился на положительный и Q_макс стали чаще наблюдаться во время весеннего половодья. Важнейшая причина – потепление весной, вследствие чего снеготаяние охватывает одновременно несколько высотных поясов, обеспечивая большее и интенсивное поступление воды в русловую сеть. Для средних и малых рек с формированием стока в одном высотном поясе это не характерно. По сути, это модель возможной реакции максимального стока рек на рост температуры воздуха в подобных горных районах Сибири и Дальнего Востока. Другая причина – увеличение жидких осадков весной [27]. В какой-то мере это подтверждается результатами [46]: за 1965–2014 гг. лишь в 18 случаях из 112 была выявлена положительная тенденция Q_макс половодья.

По новым оценкам авторов статьи, все основные зарегулированные реки АЧР, впадающие в арктические моря РФ, по-прежнему демонстрируют уменьшение Q_макс. Максимальные расходы на замыкающих створах Оби, Енисея, Лены и Колымы уменьшились с 1976 г. на 2, 6.5, 2.9 и 6.9% в сравнении с 1936–1975 гг. Незначительное и неустойчивое повышение Q_макс с середины 1990х гг. наблюдается лишь на замыкающем створе Колымы. В низовьях Енисея с середины 2000-х гг. произошло резкое снижение Q_макс.

Согласно [53], для всех постов в пределах бассейна Селенги все тренды Q_макс оказались отрицательными. В [49] выявлены отрицательный тренд Q_макс (~0.5%/год) весеннего половодья на Селенге с середины 1930-х гг. по 2015 г., отсутствие изменений на Баргузине и рост на Верхней Ангаре (~0.5%/год). По [97], за 1978–2015 гг. изменение Q_макс в пределах монгольской части бассейна было наиболее интенсивным. Уменьшение суточных Q_макс было выявлено для всех 12 постов и составило в среднем 62%. Анализ изменения Q_макс дождевых паводков в пределах российской части бассейна Байкала за 1979–2018 гг. показал их уменьшение на 43 постах, причем для 20 постов снижение статистически значимо [21].

Для многолетней динамики максимальных расходов Амура свойственно чередование серий лет пониженной и повышенной водности [42]. В [43] показано, что в 1961–2017 гг. риск формирования высоких паводков был в два раза ниже по сравнению с 1896–1960 гг. В то же время в [15] сообщается, что в бассейне Амура выросла повторяемость Q_макс малой обеспеченности (<10%).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В целом для территории России в последние десятилетия произошли значимые изменения годовых и максимальных расходов воды. На ЕЧР изменения произошли в середине 1970 – середине 1980-х гг. Далее на В год перелома смещается на более поздние даты. Если для Западной Сибири и значительной части бассейна Енисея преобладает 1985 г., то для бассейнов Байкала, Амура, верхней и средней Лены – 1996 г. Для рядов максимальных расходов воды картина схожа – 1980 и 1988 гг. в пределах ЕЧР сменяется на 1985 г. для Западной Сибири, среднего и нижнего течения Енисея и 1996 г. – для бассейнов Амура, Лены и северо-востока России.

Для рек Русской равнины характерны разнонаправленные изменения величины годового стока. На преобладающем большинстве водосборов водность рек увеличилась на 20–50% относительно базисного периода. Особенно рост заметен для левобережных притоков Волги и рек северо-западной части Русской равнины. Меньше всего изменения затронули реки Русского Севера и бассейн Дона.

Годовой сток рек Сибири и Дальнего Востока в арктические моря России неуклонно растет с 1980-х гг. Наиболее заметен рост (10–50%) в нижней части бассейна Иртыша и на Обь-Иртышском междуречье, на восточном склоне Уральских гор, а также на территории от Хатанги до Колымы. Их разделяют регионы незначительного роста (0–10%) и неоднозначной тенденции (±10%) – это северная часть Западно-Сибирской равнины, бассейн Ангары, средняя и нижняя части бассейна Енисея, верховья Оби. Существенно меньшую площадь занимают два региона со снижением Q_ср. Первый включает верховья Лены (южнее 60° с.ш.), бассейн Селенги и верховья Амура. Второй большой регион с отрицательными аномалиями охватывает Чукотку, северное побережье Охотского моря, бóльшую часть Камчатского п-ова.

В ЕЧР наиболее интенсивное уменьшение максимальных расходов воды фиксируется в бассейнах Дона и Оки. Здесь с конца 1970-х гг. снижение максимальных расходов воды составляет в среднем 46 и 37% соответственно. Одновременно с этим увеличился разброс дат их прохождения. Заметно снизились весенние максимумы и в нижнем течении Волги. В западной части Русской равнины также фиксируется снижение максимумов весеннего половодья, но здесь оно имеет характер тенденции. На средних и крупных реках северных и восточных районов ЕЧР тенденция снижения максимумов весеннего половодья практически не выражена. Снижение максимальных расходов воды было выявлено для высокогорных водосборов в бассейне Терека (от −5 до −50%), в то время как для высокогорных водосборов бассейна Кубани заметен рост (25–50%). Предгорные водосборы в целом испытывают рост максимальных расходов.

В отличие от ЕЧР, на АЧР явно преобладают реки с положительными аномалиями максимальных расходов, а их размещение схоже с распределением положительных аномалий годового стока. Реки на юго-восточной территории АЧР со значительным дождевым питанием демонстрируют уменьшение максимальных расходов, тогда как на реках с основной фазой в весеннее половодье доминирует их увеличение_. В целом изменения не были выявлены для крайней северо-восточной территории АЧР, водосборов Охотского и Японского морей, южной части бассейна Енисея. Наиболее выраженная зона с отрицательными аномалиями максимальных расходов расположена в Забайкалье и верховьях Амура, а с положительными аномалиями – в нижней части бассейна Иртыша, на Обь-Иртышском междуречье и восточных склонах Уральских гор (+10…≥+50%).