Влияние изменений климата на формирование зимнего и весеннего стока в бассейне реки Северная Двина по данным наземных и спутниковых наблюдений
|
ВВЕДЕНИЕ 4
БАССЕЙН РЕКИ СЕВЕРНАЯ ДВИНА. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РЕК
И ВЛИЯНИЕ НА НЕГО КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ 7
1.1 Физико-географическая характеристика 7
1.2 Природные условия 8
1.2.1 Рельеф 8
1.2.2 Закономерности перемещения воздушных масс 9
1.2.3 Климатические условия в различные сезоны года 9
1.3 Водный и ледовый режимы рек. Опасные ледовые явления. Заторы 11
1.3.1 Речная сеть и водный режим рек 11
1.3.2 Ледовый режим рек 12
1.3.3 Опасные ледовые явления 14
1.3.4 Механизм образования заторов льда 14
1.3.5 Факторы образования заторов на реках бассейна Северной Двины 15
1.3.6 Затороопасные участки рек бассейна Северной Двины 17
1.4 Климатические изменения в бассейне р. Северная Двина и их влияние
на водный и ледовый режимы рек 18
1.4.1 Изменения климата в бассейне по данным различных исследований 18
1.4.2 Изменения водного режима рек 20
1.4.3 Изменения ледового режима рек 21
1.4.4 Влияние наблюдаемых изменений на образование заторов 23
КЛИМАТИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ В БАССЕЙНЕ РЕКИ МАЛАЯ СЕВЕРНАЯ ДВИНА
И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ЗИМНИЙ И ВЕСЕННИЙ СТОК,
А ТАКЖЕ ЛЕДОВЫЙ РЕЖИМ РЕК 25
2.1 Факторы формирования заторов в узле слияния рек Сухона и Юг 25
2.2 Анализ климатических изменений в осенне-зимний период в бассейне
р. Малая Северная Двина 30
2.2.1 Цели и задачи исследования 30
2.2.2 Исходные данные 30
2.2.3 Методика исследования 31
2.2.4 Результаты 32
2.2.5 Выводы 35
2.3 Влияние климатических изменений на зимний и весенний сток рек
в бассейне р. Малая Северная Двина 36
2.3.1 Цели и задачи исследования 36
2.3.2 Исходные данные 36
2.3.3 Методика исследования 37
2.3.4 Результаты 38
2.3.5 Выводы 41
2.4 Вероятное влияние наблюдаемых изменений на образование заторов у г. Великий Устюг 41
ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ
О ЗАПАСЕ ВОДЫ В СНЕЖНОМ ПОКРОВЕ 43
3.1 Введение 43
3.2 Исходные данные 44
3.2.1 Глобальные базы данных о запасе воды в снежном покрове 44
3.2.2 Данные наземных наблюдений 48
3.3 Методика исследования 49
3.3.1 Первичная обработка информации 49
3.3.2 Методика оценки точности и взаимосравнения данных 49
3.4 Результаты 51
3.5 Выводы 58
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 59
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
БАССЕЙН РЕКИ СЕВЕРНАЯ ДВИНА. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РЕК
И ВЛИЯНИЕ НА НЕГО КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ 7
1.1 Физико-географическая характеристика 7
1.2 Природные условия 8
1.2.1 Рельеф 8
1.2.2 Закономерности перемещения воздушных масс 9
1.2.3 Климатические условия в различные сезоны года 9
1.3 Водный и ледовый режимы рек. Опасные ледовые явления. Заторы 11
1.3.1 Речная сеть и водный режим рек 11
1.3.2 Ледовый режим рек 12
1.3.3 Опасные ледовые явления 14
1.3.4 Механизм образования заторов льда 14
1.3.5 Факторы образования заторов на реках бассейна Северной Двины 15
1.3.6 Затороопасные участки рек бассейна Северной Двины 17
1.4 Климатические изменения в бассейне р. Северная Двина и их влияние
на водный и ледовый режимы рек 18
1.4.1 Изменения климата в бассейне по данным различных исследований 18
1.4.2 Изменения водного режима рек 20
1.4.3 Изменения ледового режима рек 21
1.4.4 Влияние наблюдаемых изменений на образование заторов 23
КЛИМАТИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ В БАССЕЙНЕ РЕКИ МАЛАЯ СЕВЕРНАЯ ДВИНА
И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ЗИМНИЙ И ВЕСЕННИЙ СТОК,
А ТАКЖЕ ЛЕДОВЫЙ РЕЖИМ РЕК 25
2.1 Факторы формирования заторов в узле слияния рек Сухона и Юг 25
2.2 Анализ климатических изменений в осенне-зимний период в бассейне
р. Малая Северная Двина 30
2.2.1 Цели и задачи исследования 30
2.2.2 Исходные данные 30
2.2.3 Методика исследования 31
2.2.4 Результаты 32
2.2.5 Выводы 35
2.3 Влияние климатических изменений на зимний и весенний сток рек
в бассейне р. Малая Северная Двина 36
2.3.1 Цели и задачи исследования 36
2.3.2 Исходные данные 36
2.3.3 Методика исследования 37
2.3.4 Результаты 38
2.3.5 Выводы 41
2.4 Вероятное влияние наблюдаемых изменений на образование заторов у г. Великий Устюг 41
ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ
О ЗАПАСЕ ВОДЫ В СНЕЖНОМ ПОКРОВЕ 43
3.1 Введение 43
3.2 Исходные данные 44
3.2.1 Глобальные базы данных о запасе воды в снежном покрове 44
3.2.2 Данные наземных наблюдений 48
3.3 Методика исследования 49
3.3.1 Первичная обработка информации 49
3.3.2 Методика оценки точности и взаимосравнения данных 49
3.4 Результаты 51
3.5 Выводы 58
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 59
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Северный край расположен на северо-западе Европейской территории России и включает в себя бассейны рек, впадающих в Баренцево и Белое моря (Онега, Северная Двина, Мезень, Печора и др). Это регион с богатой историей, сохранивший уникальные памятники русской культуры. Он покрыт густыми хвойными лесами и насчитывает тысячи больших, средних и малых рек, а также множество озер.
С начала заселения этой территории и до наших дней жизнь местного населения неразрывно связана с режимом водных объектов. Исторически расселение людей в регионе происходило по берегам многочисленных рек и озер [4]. Реки - это как источник чистой воды, так и естественная «дорожная сеть». Летом по ним осуществляется судоходство и лесосплав, а зимой они становятся полноценными ледовыми дорогами. Размещение населенных пунктов вблизи рек, зачастую на поймах, обуславливает повышенный риск их затопления при наводнениях. Последние характерны в период половодья, и часто бывают вызваны заторами льда при весеннем ледоходе [30]. Так, в рассматриваемом регионе от состояния водных объектов зависят безопасность жизнедеятельности населения, транспортная доступность населенных пунктов, бесперебойность работы водозаборов и др. Продолжительные, суровые зимы определяют большую роль ледового режима рек в функционирования промышленных и хозяйственных объектов [2, 4].
Важной чертой ледового режима рек севера Европейской территории России (далее - ЕТР) является образование заторов льда при вскрытии рек. Затор - это многослойное скопление льдин в русле реки, образовавшееся во время подвижки или ледохода, вызывающее стеснение водного потока и связанный с этим подъем уровня воды [8]. Заторы различной мощности случаются на крупных реках бассейна Северной Двины ежегодно - для них это естественный этап процесса вскрытия. Однако существуют такие участки, на которых возможно образование очень крупных и весьма устойчивых заторов, которое сопровождается подъемом уровня выше по течению вплоть до катастрофических отметок. Населенные пункты, расположенные близ таких участков (например, г. Великий Устюг, г. Котлас, г. Архангельск), периодически страдают от наводнений заторного характера. Такие наводнения могут принести очень значительный материальный ущерб, поскольку пойма затапливается водой с большим количеством плывущего льда, на берегах наблюдаются навалы огромных ледяных глыб. Это приводит к разрушению береговых построек, пристаней, причалов и пришвартованных судов.
Формирование заторов обуславливается совокупностью морфометрических, климатических и гидрологических факторов. Последние, как правило, играют важную роль [8]. При этом водный режим реки, в свою очередь, определяется климатическими условиями. Большое количество влияющих факторов, в различной степени взаимозависимых, обусловливает сложность изучения заторных явлений.
Наблюдающееся во всем мире потепление климата, которое затронуло и рассматриваемый регион, уже сказывается на водном режиме рек [15]. В целях обеспечения безопасности населения, а также поддержания эффективности хозяйственной деятельности в новых климатических условиях необходим мониторинг климатических и гидрологических изменений, их комплексная оценка и изучение реакции на них ледового режима рек (включая заторные явления). Характер влияния наблюдаемых изменений на повторяемость крупных заторов льда еще не получил однозначной оценки.
Чтобы глубже понять влияние потепления климата на процессы заторообразования, прежде всего, необходимо изучить, как оно сказывается на водном режиме рек. Поэтому цель настоящей работы заключается в том, чтобы оценить климатические изменения, происходящие в бассейне Северной Двины в холодный период года, и выявить влияние этих изменений на водный режим рек в зимние и весенние месяцы. Изучение факторов затороформирования в их взаимозависимости даст основание делать выводы о том, как наблюдающиеся климатические тенденции влияют на механизм образования заторов и чего можно ожидать при их сохранении в ближайшем будущем.
Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- рассмотреть и обобщить имеющиеся на сегодняшний день сведения о климатических изменениях и влиянии их на водный и ледовый режимы рек в бассейне р. Северная Двина;
- оценить величину и интенсивность климатических изменений в осенне-зимний период на примере одного из подбассейнов р. Северная Двина;
- выявить и количественно охарактеризовать влияние этих изменений на водный и ледовый режимы рек выбранного подбассейна;
- обосновать предположения о вероятном влиянии этих изменений на формирование заторов.
Стоит отметить, что процесс образования заторов в нашей стране достаточно хорошо изучен. Это неудивительно, поскольку, как говорилось выше, наводнения заторного характера периодически наносят большой ущерб населенным пунктам на севере ЕТР и в других регионах страны. В настоящее время существует большое количество методик прогнозирования максимальных заторных уровней воды. На особо затороопасных участках рек проводятся различные предупредительные меры, направленные на снижение максимальных заторных уровней [33]. Однако, несмотря на большое количество ресурсов, вкладываемых в эти мероприятия, их эффективность вызывает большие сомнения [3]. В качестве примера можно привести последнее крупное наводнение в г. Великий Устюг в 2016 году, когда прогноз образования крупного затора был дан заблаговременно и с большой точностью, однако оказанные меры никак не способствовали его предотвращению [14].
Для рационального планирования эффективных противозаторных мероприятий необходимо изучение механизма образования заторов в изменившихся (и продолжающих меняться) климатических условиях. Превентивные меры должны быть направлены, в первую очередь, на минимизацию действия тех факторов, которые оказывают наибольшее влияние на этот процесс [23]. Уже сейчас в результате климатических изменений значительно изменились вклады факторов, определяющих образование заторов [7]. Это говорит о том, что меняется сам механизм, или, точнее, преобладающий сценарий их образования. Поэтому изучение этих факторов с точки зрения изменения их значений по сравнению с предшествующим потеплению периодом является весьма актуальной задачей.
Работа выполнена в рамках научно-исследовательской темы Росгидромета «Разработка геоинформационной системы мониторинга гидрологического режима р. Северная Двина в зимне-весенний период для оценки вероятности возникновения опасных заторных наводнений». Специализированная информационная база многолетних гидрометеорологических данных, созданная в ФГБУ «Государственный гидрологический институт», стала основным источником исходной информации [27].
С начала заселения этой территории и до наших дней жизнь местного населения неразрывно связана с режимом водных объектов. Исторически расселение людей в регионе происходило по берегам многочисленных рек и озер [4]. Реки - это как источник чистой воды, так и естественная «дорожная сеть». Летом по ним осуществляется судоходство и лесосплав, а зимой они становятся полноценными ледовыми дорогами. Размещение населенных пунктов вблизи рек, зачастую на поймах, обуславливает повышенный риск их затопления при наводнениях. Последние характерны в период половодья, и часто бывают вызваны заторами льда при весеннем ледоходе [30]. Так, в рассматриваемом регионе от состояния водных объектов зависят безопасность жизнедеятельности населения, транспортная доступность населенных пунктов, бесперебойность работы водозаборов и др. Продолжительные, суровые зимы определяют большую роль ледового режима рек в функционирования промышленных и хозяйственных объектов [2, 4].
Важной чертой ледового режима рек севера Европейской территории России (далее - ЕТР) является образование заторов льда при вскрытии рек. Затор - это многослойное скопление льдин в русле реки, образовавшееся во время подвижки или ледохода, вызывающее стеснение водного потока и связанный с этим подъем уровня воды [8]. Заторы различной мощности случаются на крупных реках бассейна Северной Двины ежегодно - для них это естественный этап процесса вскрытия. Однако существуют такие участки, на которых возможно образование очень крупных и весьма устойчивых заторов, которое сопровождается подъемом уровня выше по течению вплоть до катастрофических отметок. Населенные пункты, расположенные близ таких участков (например, г. Великий Устюг, г. Котлас, г. Архангельск), периодически страдают от наводнений заторного характера. Такие наводнения могут принести очень значительный материальный ущерб, поскольку пойма затапливается водой с большим количеством плывущего льда, на берегах наблюдаются навалы огромных ледяных глыб. Это приводит к разрушению береговых построек, пристаней, причалов и пришвартованных судов.
Формирование заторов обуславливается совокупностью морфометрических, климатических и гидрологических факторов. Последние, как правило, играют важную роль [8]. При этом водный режим реки, в свою очередь, определяется климатическими условиями. Большое количество влияющих факторов, в различной степени взаимозависимых, обусловливает сложность изучения заторных явлений.
Наблюдающееся во всем мире потепление климата, которое затронуло и рассматриваемый регион, уже сказывается на водном режиме рек [15]. В целях обеспечения безопасности населения, а также поддержания эффективности хозяйственной деятельности в новых климатических условиях необходим мониторинг климатических и гидрологических изменений, их комплексная оценка и изучение реакции на них ледового режима рек (включая заторные явления). Характер влияния наблюдаемых изменений на повторяемость крупных заторов льда еще не получил однозначной оценки.
Чтобы глубже понять влияние потепления климата на процессы заторообразования, прежде всего, необходимо изучить, как оно сказывается на водном режиме рек. Поэтому цель настоящей работы заключается в том, чтобы оценить климатические изменения, происходящие в бассейне Северной Двины в холодный период года, и выявить влияние этих изменений на водный режим рек в зимние и весенние месяцы. Изучение факторов затороформирования в их взаимозависимости даст основание делать выводы о том, как наблюдающиеся климатические тенденции влияют на механизм образования заторов и чего можно ожидать при их сохранении в ближайшем будущем.
Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- рассмотреть и обобщить имеющиеся на сегодняшний день сведения о климатических изменениях и влиянии их на водный и ледовый режимы рек в бассейне р. Северная Двина;
- оценить величину и интенсивность климатических изменений в осенне-зимний период на примере одного из подбассейнов р. Северная Двина;
- выявить и количественно охарактеризовать влияние этих изменений на водный и ледовый режимы рек выбранного подбассейна;
- обосновать предположения о вероятном влиянии этих изменений на формирование заторов.
Стоит отметить, что процесс образования заторов в нашей стране достаточно хорошо изучен. Это неудивительно, поскольку, как говорилось выше, наводнения заторного характера периодически наносят большой ущерб населенным пунктам на севере ЕТР и в других регионах страны. В настоящее время существует большое количество методик прогнозирования максимальных заторных уровней воды. На особо затороопасных участках рек проводятся различные предупредительные меры, направленные на снижение максимальных заторных уровней [33]. Однако, несмотря на большое количество ресурсов, вкладываемых в эти мероприятия, их эффективность вызывает большие сомнения [3]. В качестве примера можно привести последнее крупное наводнение в г. Великий Устюг в 2016 году, когда прогноз образования крупного затора был дан заблаговременно и с большой точностью, однако оказанные меры никак не способствовали его предотвращению [14].
Для рационального планирования эффективных противозаторных мероприятий необходимо изучение механизма образования заторов в изменившихся (и продолжающих меняться) климатических условиях. Превентивные меры должны быть направлены, в первую очередь, на минимизацию действия тех факторов, которые оказывают наибольшее влияние на этот процесс [23]. Уже сейчас в результате климатических изменений значительно изменились вклады факторов, определяющих образование заторов [7]. Это говорит о том, что меняется сам механизм, или, точнее, преобладающий сценарий их образования. Поэтому изучение этих факторов с точки зрения изменения их значений по сравнению с предшествующим потеплению периодом является весьма актуальной задачей.
Работа выполнена в рамках научно-исследовательской темы Росгидромета «Разработка геоинформационной системы мониторинга гидрологического режима р. Северная Двина в зимне-весенний период для оценки вероятности возникновения опасных заторных наводнений». Специализированная информационная база многолетних гидрометеорологических данных, созданная в ФГБУ «Государственный гидрологический институт», стала основным источником исходной информации [27].
В результате проделанной работы были решены все поставленные задачи:
- по данным различных источников были исследованы изменения климата в бассейне р. Северная Двина в осенне-зимний период, а также их влияние на водный и ледовый режимы рек и, в частности, на образование заторов льда;
- была количественно оценена величина и интенсивность климатических изменений, наблюдающихся в бассейне р. Малая Северная Двина в осенне-зимний период;
- было выявлено и количественно оценено влияние этих изменений на зимний и весенний сток рек;
- были сделаны обоснованные выводы о влиянии этих изменений на механизм образования заторов на затороопасном участке в узле рек Сухона - Юг - Малая Северная Двина.
Были получены следующие выводы:
1. По данным многочисленных исследований, в бассейне р. Северная Двина в течение последних 40-50 лет наблюдаются значимые тенденции в изменении температурно-влажностного режима в осенне-зимние месяцы, что значительно сказывается на ледовом режиме рек; оценки влияния этих тенденций на водный режим рек неоднозначны.
2. В бассейне р. Малая Северная Двина наблюдаются аналогичные изменения: увеличение количества теплых дней в течение зимнего периода (с ноября по март), которое влечет за собой уменьшение максимальных за зимний период запасов воды в снеге, сокращение продолжительности залегания снега, а также сокращение периода ледостава и уменьшение максимальной толщины ледяного покрова.
3. Среди указанных изменений наибольшее значение для водного режима рек имеет уменьшение максимального запаса воды в снеге - оно приводит к уменьшению объема весеннего стока; наблюдается перераспределение стока внутри года - увеличение зимнего стока за счет уменьшения весеннего, однако для средних и крупных рек его величина незначительна.
4. Сокращение периода ледостава происходит преимущественно за счет смещения сроков замерзания к более поздним; при этом увеличивается продолжительность периода замерзания, что становится основной причиной более частого замерзания рек по «зажорному» типу.
5. Последнее, в сочетании с уменьшением максимальной толщины льда и весенних расходов воды, приводит к тому, что ведущим фактором в механизме образования заторов становится зашугованность русла; поэтому на участках рек с интенсивным зажорообразованием (к числу которых относится участок у г. Великий Устюг), повторяемость заторов может увеличиться.
Дополнительно была рассмотрена возможность использования альтернативных источников информации о запасе воды в снежном покрове (глобальных баз данных различного генезиса) для подобных исследований в случае дефицита данных наземных наблюдений на метеостанциях. В результате анализа данных глобальных сеточных архивов на предмет соответствия данным маршрутных снегомерных съемок были получены следующие выводы:
- данные глобальных архивов SWEC, AMSR-E и Blended практически не соответствуют данным наземных наблюдений; использование их в научных и прикладных целях не представляется рациональным;
- данные глобальных архивов ESA и СМС в высокой степени соответствуют данным наземных наблюдений; рекомендуется использование их для бассейнов крупных рек с учетом занижения значений на величину от 2 до 15 %;
- значения запаса воды в снеге, полученные с помощью микроволнового дистанционного зондирования, содержат систематическую ошибку, связанную с особенностями метода получения исходной информации.
- по данным различных источников были исследованы изменения климата в бассейне р. Северная Двина в осенне-зимний период, а также их влияние на водный и ледовый режимы рек и, в частности, на образование заторов льда;
- была количественно оценена величина и интенсивность климатических изменений, наблюдающихся в бассейне р. Малая Северная Двина в осенне-зимний период;
- было выявлено и количественно оценено влияние этих изменений на зимний и весенний сток рек;
- были сделаны обоснованные выводы о влиянии этих изменений на механизм образования заторов на затороопасном участке в узле рек Сухона - Юг - Малая Северная Двина.
Были получены следующие выводы:
1. По данным многочисленных исследований, в бассейне р. Северная Двина в течение последних 40-50 лет наблюдаются значимые тенденции в изменении температурно-влажностного режима в осенне-зимние месяцы, что значительно сказывается на ледовом режиме рек; оценки влияния этих тенденций на водный режим рек неоднозначны.
2. В бассейне р. Малая Северная Двина наблюдаются аналогичные изменения: увеличение количества теплых дней в течение зимнего периода (с ноября по март), которое влечет за собой уменьшение максимальных за зимний период запасов воды в снеге, сокращение продолжительности залегания снега, а также сокращение периода ледостава и уменьшение максимальной толщины ледяного покрова.
3. Среди указанных изменений наибольшее значение для водного режима рек имеет уменьшение максимального запаса воды в снеге - оно приводит к уменьшению объема весеннего стока; наблюдается перераспределение стока внутри года - увеличение зимнего стока за счет уменьшения весеннего, однако для средних и крупных рек его величина незначительна.
4. Сокращение периода ледостава происходит преимущественно за счет смещения сроков замерзания к более поздним; при этом увеличивается продолжительность периода замерзания, что становится основной причиной более частого замерзания рек по «зажорному» типу.
5. Последнее, в сочетании с уменьшением максимальной толщины льда и весенних расходов воды, приводит к тому, что ведущим фактором в механизме образования заторов становится зашугованность русла; поэтому на участках рек с интенсивным зажорообразованием (к числу которых относится участок у г. Великий Устюг), повторяемость заторов может увеличиться.
Дополнительно была рассмотрена возможность использования альтернативных источников информации о запасе воды в снежном покрове (глобальных баз данных различного генезиса) для подобных исследований в случае дефицита данных наземных наблюдений на метеостанциях. В результате анализа данных глобальных сеточных архивов на предмет соответствия данным маршрутных снегомерных съемок были получены следующие выводы:
- данные глобальных архивов SWEC, AMSR-E и Blended практически не соответствуют данным наземных наблюдений; использование их в научных и прикладных целях не представляется рациональным;
- данные глобальных архивов ESA и СМС в высокой степени соответствуют данным наземных наблюдений; рекомендуется использование их для бассейнов крупных рек с учетом занижения значений на величину от 2 до 15 %;
- значения запаса воды в снеге, полученные с помощью микроволнового дистанционного зондирования, содержат систематическую ошибку, связанную с особенностями метода получения исходной информации.