Влияние изменения климата на характеристики стока рек Восточного Саяна на примере реки Ии
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 7
2. ГИДРОЛОГО-ГИДРОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ, ВКЛЮЧАЯ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ 11
2.1. Общие сведения 11
2.2. Рельеф. Геологическое строение 13
2.3. Климат 14
2.4. Почвы 15
2.5. Растительный покров 15
3. ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ МАССИВЫ ДАННЫХ 16
4. ГИДРОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ: ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ И ВЕРИФИКАЦИЯ 18
4.1. Описание методики (модели) 18
4.2. Верификация гидрологической модели 19
5. ВОССТАНОВЛЕНИЕ КАТАСТРОФИЧЕСКОГО ПАВОДКА В ИЮНЕ 2019 ГОДА .25
5.1. Данные 25
5.2. Моделирование паводка в июне 2019 года 27
6. АНАЛИЗ ДАННЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ 29
5.1. Предварительная подготовка 29
5.2. Методы 30
5.3. Результаты 34
5.3.1. Сравнение кривых вероятности превышения климатических характеристик для исторического периода 1970-2005 34
5.3.2. Сравнение трендов климатических характеристик для исторического периода 1970-2005 40
5.3.3. Выявление трендов климатических характеристик по данным климатических проекций на будущий период 2006-2098 согласно двум сценариям развития выбросов парниковых газов 45
7. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТОКА НА ОСНОВЕ ДАННЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ПРОЕКЦИЙ 49
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 58
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЫ 61
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ 62
Монографии: 62
Статьи в журналах: 62
Фондовые материалы: 66
Ресурсы сети Интернет: 67
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 7
2. ГИДРОЛОГО-ГИДРОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ, ВКЛЮЧАЯ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ 11
2.1. Общие сведения 11
2.2. Рельеф. Геологическое строение 13
2.3. Климат 14
2.4. Почвы 15
2.5. Растительный покров 15
3. ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ МАССИВЫ ДАННЫХ 16
4. ГИДРОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ: ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ И ВЕРИФИКАЦИЯ 18
4.1. Описание методики (модели) 18
4.2. Верификация гидрологической модели 19
5. ВОССТАНОВЛЕНИЕ КАТАСТРОФИЧЕСКОГО ПАВОДКА В ИЮНЕ 2019 ГОДА .25
5.1. Данные 25
5.2. Моделирование паводка в июне 2019 года 27
6. АНАЛИЗ ДАННЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ 29
5.1. Предварительная подготовка 29
5.2. Методы 30
5.3. Результаты 34
5.3.1. Сравнение кривых вероятности превышения климатических характеристик для исторического периода 1970-2005 34
5.3.2. Сравнение трендов климатических характеристик для исторического периода 1970-2005 40
5.3.3. Выявление трендов климатических характеристик по данным климатических проекций на будущий период 2006-2098 согласно двум сценариям развития выбросов парниковых газов 45
7. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТОКА НА ОСНОВЕ ДАННЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ПРОЕКЦИЙ 49
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 58
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЫ 61
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ 62
Монографии: 62
Статьи в журналах: 62
Фондовые материалы: 66
Ресурсы сети Интернет: 67
Иркутская область является одним из наиболее паводкоопасных регионов России. В зонах возможного затопления в Иркутской области расположены около 222 населенных пункта, в том числе восемь городов (Тулун, Киренск, Нижнеудинск, Иркутск, Усть-Кут, Черемхово, Зима, Ангарск). Площадь периодически затапливаемых пойменных земель превышает 25 000 км2, что составляет около 4% от общей площади региона (Кичигина, 2018).
На территории Иркутской области наводнения могут возникать вследствие половодья и дождевых паводков, а также заторов и зажоров. Часто наводнения имеют смешанный генезис — на половодье накладываются дожди или заторы, а дождевые паводки в некоторые годы усугубляются селями. Наиболее опасными являются наводнения в южных районах Иркутской области, вызванные дождевыми паводками. Они имеют наибольшую повторяемость, площади затопления, наносят значительный экономический ущерб и приводят к гибели людей. Прогнозируемость таких наводнений, определяемая степенью успешности прогнозов осадков, остается достаточно низкой.
Ранее крупные наводнения в южной части Иркутской области наблюдались в 1984, 1996, 2001 и затем в 2019 гг., наиболее разрушительным из них было наводнение в июле 2001 г. (Кичигина, 2018), а исторический максимальный расход - в 1984 году, а затем и в 2019 году. Несмотря на высокую повторяемость разрушительных паводков, в Атласе природных и техногенных опасностей и рисков, юг Иркутской области отнесен к зоне умеренно опасных наводнений.
Летом 2019 года на реках Иркутской области, стекающих с гор Восточного Саяна (Ия, Уда, Бирюса и Ока) прошли две волны экстремальных дождевых паводков, ставших самыми разрушительными в регионе за всю историю наблюдений.
Наибольший подъем уровня воды был зафиксирован на посту р. Ия - г. Тулун (с 474 до 1387 см за трое суток) в период первого паводка, 26 июня - 5 июля 2019 г. Зафиксированный уровень воды более чем на 5 м превысил опасную отметку 850 см и на более чем 2,5 м - исторический максимум 1133 см, отмечавшийся в 1984 г. Паводок привел к катастрофическому затоплению г. Тулун и других населенных пунктов, расположенных в пойме р. Ия. Всего при наводнении пострадали 107 населенных пунктов, погибли 25 человек и 8 пропали без вести1.
В период 28 июля - 4 августа 2019 г. на р. Ия произошел еще один значительный паводок (максимальный уровень воды достиг отметки 1121 см). Он по масштабу сопоставим с паводком 1984 года, до 2019 года считавшимся максимальным.
Основной причиной формирования катастрофического паводка являются продолжительные интенсивные дожди (Макарьева и др., 2020). Сотрудники Гидрометцентра охарактеризовали данное явление как развитие аномальных атмосферных процессов, проявляющихся на фоне наблюдаемых глобальных и региональных изменений климата2.
В последнее десятилетие все чаще фиксируются катастрофические паводки в разных частях страны и мира, многие из которых исследователи связывают с климатическими изменениями (Meredith et al., 2015; Kundzewicz et al., 2014; Shiklomanov et al., 2007). В прогнозе долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2030 года изменения климата указаны в качестве одного из основных внешних вызовов. Основным способом оценки климатических изменений является разработка глобальных климатических моделей и проекций на будущий период и анализ этих данных.
В связи с этим целью данной работы является оценка возможных изменений гидрологического цикла в бассейне реки Ия (Иркутская область) на основе данных климатических проекций в условиях современного и будущего климата в 21 веке в результате антропогенного воздействия на глобальную климатическую систему в соответствии со сценариями выбросов парниковых газов и аэрозолей, разработанными Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК).
Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
1) Изучить объект исследования, понять специфику опасных гидрологических явлений, наблюдаемых в рассматриваемой области;
2) Выполнить параметризацию гидрологической модели «Гидрограф» и ее верификацию на основе исторических данных наблюдений;
3) Рассчитать катастрофический паводок 2019 года на основе данных метеорологической модели и гидрологической модели Гидрограф;
4) Выбрать региональные модели климата, освоить технические методы обработки данных климатических моделей, провести сравнительный анализ на адекватность воспроизведения метеорологических условий формирования стока, выполнить их оптимизацию для использования в качестве входных данных гидрологической модели;
5) Представить прогноз трансформации гидрологического цикла, его компонент и характеристик стока, в том числе, максимального на период до 2100 г. на основе данных климатических проекций и математического моделирования гидрологических процессов;
6) Оценить полученные результаты и сделать выводы.
Актуальность настоящей работы определяется необходимостью заблаговременной адаптации всех сфер жизнедеятельности человека к последствиям изменения климата на основе исследования, моделирования и прогноза поведения природных систем и их экстремальных состояний в будущем в целях планирования хозяйственной деятельности и обеспечения безопасности населения.
На территории Иркутской области наводнения могут возникать вследствие половодья и дождевых паводков, а также заторов и зажоров. Часто наводнения имеют смешанный генезис — на половодье накладываются дожди или заторы, а дождевые паводки в некоторые годы усугубляются селями. Наиболее опасными являются наводнения в южных районах Иркутской области, вызванные дождевыми паводками. Они имеют наибольшую повторяемость, площади затопления, наносят значительный экономический ущерб и приводят к гибели людей. Прогнозируемость таких наводнений, определяемая степенью успешности прогнозов осадков, остается достаточно низкой.
Ранее крупные наводнения в южной части Иркутской области наблюдались в 1984, 1996, 2001 и затем в 2019 гг., наиболее разрушительным из них было наводнение в июле 2001 г. (Кичигина, 2018), а исторический максимальный расход - в 1984 году, а затем и в 2019 году. Несмотря на высокую повторяемость разрушительных паводков, в Атласе природных и техногенных опасностей и рисков, юг Иркутской области отнесен к зоне умеренно опасных наводнений.
Летом 2019 года на реках Иркутской области, стекающих с гор Восточного Саяна (Ия, Уда, Бирюса и Ока) прошли две волны экстремальных дождевых паводков, ставших самыми разрушительными в регионе за всю историю наблюдений.
Наибольший подъем уровня воды был зафиксирован на посту р. Ия - г. Тулун (с 474 до 1387 см за трое суток) в период первого паводка, 26 июня - 5 июля 2019 г. Зафиксированный уровень воды более чем на 5 м превысил опасную отметку 850 см и на более чем 2,5 м - исторический максимум 1133 см, отмечавшийся в 1984 г. Паводок привел к катастрофическому затоплению г. Тулун и других населенных пунктов, расположенных в пойме р. Ия. Всего при наводнении пострадали 107 населенных пунктов, погибли 25 человек и 8 пропали без вести1.
В период 28 июля - 4 августа 2019 г. на р. Ия произошел еще один значительный паводок (максимальный уровень воды достиг отметки 1121 см). Он по масштабу сопоставим с паводком 1984 года, до 2019 года считавшимся максимальным.
Основной причиной формирования катастрофического паводка являются продолжительные интенсивные дожди (Макарьева и др., 2020). Сотрудники Гидрометцентра охарактеризовали данное явление как развитие аномальных атмосферных процессов, проявляющихся на фоне наблюдаемых глобальных и региональных изменений климата2.
В последнее десятилетие все чаще фиксируются катастрофические паводки в разных частях страны и мира, многие из которых исследователи связывают с климатическими изменениями (Meredith et al., 2015; Kundzewicz et al., 2014; Shiklomanov et al., 2007). В прогнозе долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2030 года изменения климата указаны в качестве одного из основных внешних вызовов. Основным способом оценки климатических изменений является разработка глобальных климатических моделей и проекций на будущий период и анализ этих данных.
В связи с этим целью данной работы является оценка возможных изменений гидрологического цикла в бассейне реки Ия (Иркутская область) на основе данных климатических проекций в условиях современного и будущего климата в 21 веке в результате антропогенного воздействия на глобальную климатическую систему в соответствии со сценариями выбросов парниковых газов и аэрозолей, разработанными Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК).
Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
1) Изучить объект исследования, понять специфику опасных гидрологических явлений, наблюдаемых в рассматриваемой области;
2) Выполнить параметризацию гидрологической модели «Гидрограф» и ее верификацию на основе исторических данных наблюдений;
3) Рассчитать катастрофический паводок 2019 года на основе данных метеорологической модели и гидрологической модели Гидрограф;
4) Выбрать региональные модели климата, освоить технические методы обработки данных климатических моделей, провести сравнительный анализ на адекватность воспроизведения метеорологических условий формирования стока, выполнить их оптимизацию для использования в качестве входных данных гидрологической модели;
5) Представить прогноз трансформации гидрологического цикла, его компонент и характеристик стока, в том числе, максимального на период до 2100 г. на основе данных климатических проекций и математического моделирования гидрологических процессов;
6) Оценить полученные результаты и сделать выводы.
Актуальность настоящей работы определяется необходимостью заблаговременной адаптации всех сфер жизнедеятельности человека к последствиям изменения климата на основе исследования, моделирования и прогноза поведения природных систем и их экстремальных состояний в будущем в целях планирования хозяйственной деятельности и обеспечения безопасности населения.
Экстремальные осадки, несомненно, вызывают серьезную проблему для инфраструктуры и населения населенных пунктов, расположенных в зонах повышенной опасности паводковых наводнений. Из-за страшных последствий паводка в июне 2019 года в городе Тулун возникает ряд вопросов: можно ли было предсказать паводок; что стало основной причиной этого события; будут ли повторяться в будущем события подобного масштаба. Для ответа на эти вопросы в рамках настоящей работы были решены следующие задачи:
1) Собрана и обобщена гидрометеорологическая информация по району исследования. Установлено, что количество осадков на станции Белозиминская (единственная высокогорная станция водосбора р. Ия, которая в 1996 году была закрыта) значительно превосходит осадки на действующих станциях Икей и Тулун, а основная стокоформирующая часть водосбора уже более 20 лет является полностью неосвещенной данными наблюдений за осадками.
2) Выполнена схематизация водосбора р. Ия и систематизированы параметры распределенной детерминированной гидрологической модели «Гидрограф» для трех основных ландшафтов. Проведено непрерывное моделирование процессов формирования стока трех водосборов в бассейне р. Ия с суточным шагом за период с 1970 по 1996 гг. Получены суточные гидрографы стока и распределение элементов водного баланса. Ошибка моделирования среднемноголетней величины годового стока не превышает 7%. Медианное значение критерия эффективности Нэша- Сатклиффа при моделировании с расчетным шагом сутки составляет в среднем 0,69 для периода продолжительностью 26 лет, что позволило оценить полученные результаты как удовлетворительные.
3) Проведен расчет и оценка характеристик паводков в июне 2019 г. на р. Ия. Для расчетов использовались данные наблюдений двух метеорологических станций Икей и Тулун. Интерполяция осадков при моделировании на водосборе производилась с учетом распределения осадков по высоте. Рассчитанный слой стока при формировании первого паводка за период с 25 июня по 5 июля 2019 г. составил 162 мм. Максимальный рассчитанный суточный расход достиг значения 6570 м3/с.
4) Проведен анализ метеорологических условий формирования паводка на р. Ия - г. Тулун в июне 2019 г. с использованием глобальной модели прогноза погоды ICON. Выявлено, что в ситуации июня 2019 г. модель ICON спрогнозировала более раннее выпадение значительных сумм осадков, чем фактически наблюдалось на метеорологических станциях, однако удовлетворительно предсказала общую сумму осадков, которая отличается от наблюденных величин не более чем на 7%.
5) Выполнена оценка характеристик паводка 2019 года на основе данных модели погоды ICON. Максимальный рассчитанный 3-часовой расход составил 5260 м3/с. При сравнении рассчитанных гидрографов стока на основе данных модели ICON и метеостанций выявлено, что по данным метеостанций максимальный расход превысил прогноз по модели ICON на 1800 м3/с (слой стока превысил на 26 мм), что связано с разным временным распределением осадков во время паводка.
6) Проведен анализ данных климатических моделей на исторический период. Рассчитаны климатические характеристики, отражающие климатические условия рассматриваемого года. Построены кривые вероятности превышения климатических характеристик. Получено, что модель NCC-NorESM1-M завышает общее количество осадков до 20% для равнинной местности, но лучше воспроизводит осадки для горной. Также отмечено, что суточные экстремумы, являющиеся основной причиной формирования паводочных наводнений, плохо воспроизводят все модели. Однако по характеристикам, отражающим внутригодовое распределение осадков и их количества (сумма осадков не менее 10 мм и годовая интенсивность осадков) данным наблюдений лучше соответствуют данные модели NCC-NorESM1-M. Доля интенсивных осадков в годовой сумме преимущественно занижается всеми климатическими моделями.
7) Для данных климатических проекций на будущий период рассчитаны климатические характеристики и проведен анализ на наличие трендов. Показано, что согласно сценарию эмиссии парниковых газов RCP8.5 наблюдается увеличение всех климатических характеристик по осадкам. Согласно сценарию эмиссии парниковых газов RCP2.6 статистически значимых трендов не выявлено. Несмотря на увеличение всех характеристик для RCP8.5 в течение будущего периода, относительно данных наблюдений в историческом периоде не наблюдается изменений экстремальных характеристик. Сформулированы три заключения: 1) при развитии атмосферы согласно сценарию RCP8.5 действительно возможно увеличение количества и интенсивности осадков в будущем относительно прошлого, если не принимать во внимание исторические экстремумы, не улавливаемые климатическими моделями; 2) никаких значимых изменений величины и интенсивности осадков не ожидается согласно сценарию RCP2.6; 3) наблюдаемые экстремумы как явление вероятностное предсказать невозможно, как и появление на свет «черного лебедя».
8) Выполнен расчет гидрологических характеристик на основе данных климатических проекций. Для оценки общей тенденции изменения максимальных характеристик стока проведена оценка трендов. Обнаруженные тренды не являются статистически значимыми. Сделан вывод, что согласно прогнозу RCP2.6 возможно увеличение частоты максимальных расходов величин 2000-3000 м3/с как относительно данных наблюдений, так и относительно рассчитанных характеристик на исторический период. Согласно проекции RCP8.5 возможно увеличение частоты максимальных расходов величин 2500 - 4000 м3/с. Об увеличении экстремумов малых повторяемостей, согласно этим данным, нельзя сделать однозначное заключение ввиду сглаживания климатическими моделями полей осадков по времени.
Все задачи, поставленные в настоящей выпускной квалификационной работе выполнены, а поставленная цель достигнута.
1) Собрана и обобщена гидрометеорологическая информация по району исследования. Установлено, что количество осадков на станции Белозиминская (единственная высокогорная станция водосбора р. Ия, которая в 1996 году была закрыта) значительно превосходит осадки на действующих станциях Икей и Тулун, а основная стокоформирующая часть водосбора уже более 20 лет является полностью неосвещенной данными наблюдений за осадками.
2) Выполнена схематизация водосбора р. Ия и систематизированы параметры распределенной детерминированной гидрологической модели «Гидрограф» для трех основных ландшафтов. Проведено непрерывное моделирование процессов формирования стока трех водосборов в бассейне р. Ия с суточным шагом за период с 1970 по 1996 гг. Получены суточные гидрографы стока и распределение элементов водного баланса. Ошибка моделирования среднемноголетней величины годового стока не превышает 7%. Медианное значение критерия эффективности Нэша- Сатклиффа при моделировании с расчетным шагом сутки составляет в среднем 0,69 для периода продолжительностью 26 лет, что позволило оценить полученные результаты как удовлетворительные.
3) Проведен расчет и оценка характеристик паводков в июне 2019 г. на р. Ия. Для расчетов использовались данные наблюдений двух метеорологических станций Икей и Тулун. Интерполяция осадков при моделировании на водосборе производилась с учетом распределения осадков по высоте. Рассчитанный слой стока при формировании первого паводка за период с 25 июня по 5 июля 2019 г. составил 162 мм. Максимальный рассчитанный суточный расход достиг значения 6570 м3/с.
4) Проведен анализ метеорологических условий формирования паводка на р. Ия - г. Тулун в июне 2019 г. с использованием глобальной модели прогноза погоды ICON. Выявлено, что в ситуации июня 2019 г. модель ICON спрогнозировала более раннее выпадение значительных сумм осадков, чем фактически наблюдалось на метеорологических станциях, однако удовлетворительно предсказала общую сумму осадков, которая отличается от наблюденных величин не более чем на 7%.
5) Выполнена оценка характеристик паводка 2019 года на основе данных модели погоды ICON. Максимальный рассчитанный 3-часовой расход составил 5260 м3/с. При сравнении рассчитанных гидрографов стока на основе данных модели ICON и метеостанций выявлено, что по данным метеостанций максимальный расход превысил прогноз по модели ICON на 1800 м3/с (слой стока превысил на 26 мм), что связано с разным временным распределением осадков во время паводка.
6) Проведен анализ данных климатических моделей на исторический период. Рассчитаны климатические характеристики, отражающие климатические условия рассматриваемого года. Построены кривые вероятности превышения климатических характеристик. Получено, что модель NCC-NorESM1-M завышает общее количество осадков до 20% для равнинной местности, но лучше воспроизводит осадки для горной. Также отмечено, что суточные экстремумы, являющиеся основной причиной формирования паводочных наводнений, плохо воспроизводят все модели. Однако по характеристикам, отражающим внутригодовое распределение осадков и их количества (сумма осадков не менее 10 мм и годовая интенсивность осадков) данным наблюдений лучше соответствуют данные модели NCC-NorESM1-M. Доля интенсивных осадков в годовой сумме преимущественно занижается всеми климатическими моделями.
7) Для данных климатических проекций на будущий период рассчитаны климатические характеристики и проведен анализ на наличие трендов. Показано, что согласно сценарию эмиссии парниковых газов RCP8.5 наблюдается увеличение всех климатических характеристик по осадкам. Согласно сценарию эмиссии парниковых газов RCP2.6 статистически значимых трендов не выявлено. Несмотря на увеличение всех характеристик для RCP8.5 в течение будущего периода, относительно данных наблюдений в историческом периоде не наблюдается изменений экстремальных характеристик. Сформулированы три заключения: 1) при развитии атмосферы согласно сценарию RCP8.5 действительно возможно увеличение количества и интенсивности осадков в будущем относительно прошлого, если не принимать во внимание исторические экстремумы, не улавливаемые климатическими моделями; 2) никаких значимых изменений величины и интенсивности осадков не ожидается согласно сценарию RCP2.6; 3) наблюдаемые экстремумы как явление вероятностное предсказать невозможно, как и появление на свет «черного лебедя».
8) Выполнен расчет гидрологических характеристик на основе данных климатических проекций. Для оценки общей тенденции изменения максимальных характеристик стока проведена оценка трендов. Обнаруженные тренды не являются статистически значимыми. Сделан вывод, что согласно прогнозу RCP2.6 возможно увеличение частоты максимальных расходов величин 2000-3000 м3/с как относительно данных наблюдений, так и относительно рассчитанных характеристик на исторический период. Согласно проекции RCP8.5 возможно увеличение частоты максимальных расходов величин 2500 - 4000 м3/с. Об увеличении экстремумов малых повторяемостей, согласно этим данным, нельзя сделать однозначное заключение ввиду сглаживания климатическими моделями полей осадков по времени.
Все задачи, поставленные в настоящей выпускной квалификационной работе выполнены, а поставленная цель достигнута.
