ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА СТОКА РЕК КАНАДСКИХ СКАЛИСТЫХ ГОР II ЕЁ СВЯЗЬ С АТМОСФЕРНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ
|
Аннотация
Введение 4
1 Изученность влияния климатических изменений на водный сток рек 6
1.1 Теоретико-методологические основы исследования 6
1.2 Изученность влияния климата на колебания речного стока рек канадских
Скалистых гор 7
1.3 Показатели динамики климатических процессов 9
2 Условия формирования стока и его многолетняя изменчивость 11
2.1 Границы исследуемого района 11
2.1.1 Рельеф 12
2.1.2 Климат 13
2.1.3 Гидрография 16
2.2 Изученность 20
2.3 Особенности атмосферной циркуляции 20
2.3.1 Южное колебание Эль-Ниньо 23
2.3.2 Тихоокеанское колебание 24
2.4 Влияние хозяйственной деятельности 27
3 Материалы и методы оценки многолетних изменений речного стока 30
3.1 Источники данных 30
3.2 Методика оценки изменений стока рек 30
3.2.1 Критерии отбора пунктов наблюдений 30
3.2.2 Восстановление рядов наблюдений 30
3.2.3 Выбор репрезентативного ряда наблюдений 31
3.2.4 Оценка изменчивости водного режима 32
3.3 Исходные данные 34
4 Динамика стока рек канадских Скалистых гор 36
4.1 Динамика метеорологических характеристик 36
4.2 Динамика стока рек 43
4.3 Связь с показателями атмосферной циркуляции 48
Заключение 57
Список использованной литературы и источников 59
Приложение А Основные статистические характеристики среднемноголетних рядов годового стока рек канадских Скалистых гор 63
Приложение Б Основные статистические характеристики среднемноголетних годовых метеорологических рядов рек канадских Скалистых гор 66
Приложение В Проверка гидрологических и метеорологических характеристик на однородность по критериям Стьюдента и Фишера 67
Приложение Г Исходные данные атмосферной циркуляции 74
Приложение Д Проверка индексов атмосферной циркуляции на однородность по критериям Стьюдента, Фишера, Уилкоксона 75
Приложение Е Сведения о гидрологических постах и метеорологических станциях на территории канадских Скалистых гор 76
Приложение Ж Типы питания рек канадских Скалистых гор 80
Введение 4
1 Изученность влияния климатических изменений на водный сток рек 6
1.1 Теоретико-методологические основы исследования 6
1.2 Изученность влияния климата на колебания речного стока рек канадских
Скалистых гор 7
1.3 Показатели динамики климатических процессов 9
2 Условия формирования стока и его многолетняя изменчивость 11
2.1 Границы исследуемого района 11
2.1.1 Рельеф 12
2.1.2 Климат 13
2.1.3 Гидрография 16
2.2 Изученность 20
2.3 Особенности атмосферной циркуляции 20
2.3.1 Южное колебание Эль-Ниньо 23
2.3.2 Тихоокеанское колебание 24
2.4 Влияние хозяйственной деятельности 27
3 Материалы и методы оценки многолетних изменений речного стока 30
3.1 Источники данных 30
3.2 Методика оценки изменений стока рек 30
3.2.1 Критерии отбора пунктов наблюдений 30
3.2.2 Восстановление рядов наблюдений 30
3.2.3 Выбор репрезентативного ряда наблюдений 31
3.2.4 Оценка изменчивости водного режима 32
3.3 Исходные данные 34
4 Динамика стока рек канадских Скалистых гор 36
4.1 Динамика метеорологических характеристик 36
4.2 Динамика стока рек 43
4.3 Связь с показателями атмосферной циркуляции 48
Заключение 57
Список использованной литературы и источников 59
Приложение А Основные статистические характеристики среднемноголетних рядов годового стока рек канадских Скалистых гор 63
Приложение Б Основные статистические характеристики среднемноголетних годовых метеорологических рядов рек канадских Скалистых гор 66
Приложение В Проверка гидрологических и метеорологических характеристик на однородность по критериям Стьюдента и Фишера 67
Приложение Г Исходные данные атмосферной циркуляции 74
Приложение Д Проверка индексов атмосферной циркуляции на однородность по критериям Стьюдента, Фишера, Уилкоксона 75
Приложение Е Сведения о гидрологических постах и метеорологических станциях на территории канадских Скалистых гор 76
Приложение Ж Типы питания рек канадских Скалистых гор 80
Поверхностный сток, являясь интегральной характеристикой водного баланса речного бассейна, чутко реагирует на изменение климата. Норма стока рек зависит от количества осадков, приходящих на поверхность водосбора и испарения с этой поверхности. Внутригодовое распределение стока зависит от соотношения источников питания, сезонного распределения осадков, интенсивности снеготаяния и водоотдачи. Все эти факторы напрямую связаны с атмосферной циркуляцией, которая претерпевает изменения благодаря воздействию внешней среды [11].
Тенденция к потеплению, начавшаяся в конце 60-х - начале 70-х годов, стала наиболее выраженной во второй половине 80-х и 90-е годы, которые относятся к самому теплому периоду прошлого столетия [46]. Происходящие изменения климата привели к сокращению ледового покрова в Северном Ледовитом океане, таянию ледников и вечной мерзлоты, уменьшению снежного покрова и изменению гидрологического режима рек Канады [60, 51].
Скалистые горы охватывают широкий спектр климатических условий, которые в свою очередь создают условия для экологических, гидрологических и антропогенных процессов в этом горном районе [53].
Сток рек - это существенная характеристика, отражающая многочисленные природные процессы и изменения, происходящие на территориях водосборных бассейнов. Речной сток напрямую связан с климатическими изменениями, различными проявлениями хозяйственной деятельности и изменениями в состоянии подстилающей поверхности [3].
Выявление современных тенденций в рядах климатических показателей (атмосферной циркуляции, температуры воздуха и осадков) необходимо для правильного понимания причин трансформации характеристик речного стока.
Главной целью магистерской диссертации является выявление изменений режима стока рек канадских Скалистых гор и его связь с атмосферной циркуляцией.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• провести аналитический обзор изученности влияния климатических изменений на речной сток Канадских Скалистых гор;
• изучить физико-географическую характеристику района исследования;
• изучить методы оценки многолетних изменений речного стока;
• провести анализ динамики стока рек Канадских Скалистых гор;
• выявить связь стока с показателями атмосферной циркуляции.
Для решения этих задач, были использованы базы данных гидрологических постов Водной Службы Канады (Environment Canada - Water Survey of Canada), национальной информационной системы по водным ресурсам (National Water Information System) с момента открытия по настоящее время, а также информация по атмосферной изменчивости с сайтов «University of East Anglia» и «NCAR Climate Data Guide». Все данные приведены в таблицах (Приложения А, Б, Г). Для изучения физико-географических характеристик, методов оценки многолетних изменений речного стока, анализа динамики стока канадских рек Скалистых гор, исследования изменений внутригодового распределения стока были использованы источники, приведённые в списке использованной литературы.
Все необходимые расчёты проводились в программе Microsoft Excel, программ StokStat, GidroStatistica 2.1.
Объектом исследования являются реки Канадских Скалистых гор, выше 48° с.ш. (территория провинций Британская Колумбия и западная часть Альберты). Предметом исследования является динамика стока рек и его связь с атмосферной циркуляцией.
Практическая значимость исследования заключается в возможности использования результатов для дальнейших исследований.
Актуальность работы заключается в необходимости изучения изменений режима стока рек, на который оказывают влияние разнообразные факторы, важнейшим из которых является климатический.
Речной сток рек канадских Скалистых гор оказывает влияние не только на экологию, но и на качество жизни населения, проживающего в провинциях Альберта и Британская Колумбия. Все возможные изменения стока рек канадских Скалистых гор главным образом влияют на работу водохозяйственных систем, на речной транспорт и другие важные аспекты народного хозяйства и экономики. Исследование пространственно-временной изменчивости стока и оценка их изменения позволит провести анализ изменчивости режима стока рек канадских Скалистых гор.
Тенденция к потеплению, начавшаяся в конце 60-х - начале 70-х годов, стала наиболее выраженной во второй половине 80-х и 90-е годы, которые относятся к самому теплому периоду прошлого столетия [46]. Происходящие изменения климата привели к сокращению ледового покрова в Северном Ледовитом океане, таянию ледников и вечной мерзлоты, уменьшению снежного покрова и изменению гидрологического режима рек Канады [60, 51].
Скалистые горы охватывают широкий спектр климатических условий, которые в свою очередь создают условия для экологических, гидрологических и антропогенных процессов в этом горном районе [53].
Сток рек - это существенная характеристика, отражающая многочисленные природные процессы и изменения, происходящие на территориях водосборных бассейнов. Речной сток напрямую связан с климатическими изменениями, различными проявлениями хозяйственной деятельности и изменениями в состоянии подстилающей поверхности [3].
Выявление современных тенденций в рядах климатических показателей (атмосферной циркуляции, температуры воздуха и осадков) необходимо для правильного понимания причин трансформации характеристик речного стока.
Главной целью магистерской диссертации является выявление изменений режима стока рек канадских Скалистых гор и его связь с атмосферной циркуляцией.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• провести аналитический обзор изученности влияния климатических изменений на речной сток Канадских Скалистых гор;
• изучить физико-географическую характеристику района исследования;
• изучить методы оценки многолетних изменений речного стока;
• провести анализ динамики стока рек Канадских Скалистых гор;
• выявить связь стока с показателями атмосферной циркуляции.
Для решения этих задач, были использованы базы данных гидрологических постов Водной Службы Канады (Environment Canada - Water Survey of Canada), национальной информационной системы по водным ресурсам (National Water Information System) с момента открытия по настоящее время, а также информация по атмосферной изменчивости с сайтов «University of East Anglia» и «NCAR Climate Data Guide». Все данные приведены в таблицах (Приложения А, Б, Г). Для изучения физико-географических характеристик, методов оценки многолетних изменений речного стока, анализа динамики стока канадских рек Скалистых гор, исследования изменений внутригодового распределения стока были использованы источники, приведённые в списке использованной литературы.
Все необходимые расчёты проводились в программе Microsoft Excel, программ StokStat, GidroStatistica 2.1.
Объектом исследования являются реки Канадских Скалистых гор, выше 48° с.ш. (территория провинций Британская Колумбия и западная часть Альберты). Предметом исследования является динамика стока рек и его связь с атмосферной циркуляцией.
Практическая значимость исследования заключается в возможности использования результатов для дальнейших исследований.
Актуальность работы заключается в необходимости изучения изменений режима стока рек, на который оказывают влияние разнообразные факторы, важнейшим из которых является климатический.
Речной сток рек канадских Скалистых гор оказывает влияние не только на экологию, но и на качество жизни населения, проживающего в провинциях Альберта и Британская Колумбия. Все возможные изменения стока рек канадских Скалистых гор главным образом влияют на работу водохозяйственных систем, на речной транспорт и другие важные аспекты народного хозяйства и экономики. Исследование пространственно-временной изменчивости стока и оценка их изменения позволит провести анализ изменчивости режима стока рек канадских Скалистых гор.
В настоящей работе была проведена оценка колебаний стока, динамики, среднемноголетних изменений рек канадских Скалистых гор и связь стока с колебаниями атмосферной циркуляции вплоть до 2019 года.
В настоящее время основным подходом к оценке многолетних изменений стока рек являются физико-географические, метеорологические факторы и факторы подстилающей поверхности.
Ключевыми стокормирующими факторами в бассейнах исследуемых рек являются атмосферные осадки и температура воздуха.
Для анализа динамики речного стока, в данной работе учитывались особенности изменчивости рек на разных высотах: менее 500 м, 500 - 1000 м, более 1000 м над уровнем моря, а также разделение по площади водосбора: для малых рек с F < 200 км2, средних рек с F = 2000 - 50000 км2, крупных рек с F > 50000 км2.
Анализ показал, что в последние десятилетия увеличение метеорологических характеристик (температура воздуха, осадки) оказали влияние на изменение речного стока в разной степени в зависимости от высоты и территории. На высоте ниже 500 м над уровнем моря в разных частях канадских Скалистых гор наблюдается либо повышение/понижение либо неизменность стока. В северной части Берегового Хребта изменений не наблюдается как до 1985 года, так и после. В южной же части, что приходится на горы Маккензи и район бассейна р. Фрейзер наблюдается повышение стока на 2 % и уменьшение на 1 %, соответственно. На высоте 500 - 1000 м наблюдается увеличение стока на 3%. На высотах выше 1000 м понижение стока на 5% в сравнении периодов до 1985 года и после. Увеличение осадков на 7% наблюдается на высоте до 500 м (западная часть Берегового Хребта и юг Скалистых гор). На юге Скалистых гор на высоте до 1000 м рост количества осадков на 2%, и снижение на 6% на севере плато Нечако. На юге Скалистых гор при высотах выше 1000 м наблюдается незначительное снижение осадков на 0,1%.
По всей территории канадских Скалистых гор произошло увеличение температуры воздуха от 5 до 22%. Максимальное увеличение температуры наблюдается в северной части в районе гор Кассиар.
В летний и зимний периоды в основном наблюдается повышение температуры на 0,8 - 2,5°С после 1985 года. По осадкам летом снижение на 6 мм, а зимой на 9 - 20 мм.
Из-за изменений в температуре и по осадкам, увеличение происходит и по гидрологической составляющей канадских Скалистых гор. Годовой сток увеличился на высоте 500 - 1000 м в среднем на 6 м3/с. В районе плато Фрейзер наблюдается снижение стока на 17 м3/с, а на юге Британской Колумбии увеличение стока на 3,2 м3/с при высоте менее 500 м. В юго-восточной части Скалистых гор на высотах свыше 1000 м наблюдается снижение стока на 0,23 м3/с после 1985 года.
Также была выявленная связь стока рек канадских Скалистых гор с индексами атмосферной циркуляции - северотихоокеанское колебание (NPI), южное колебание (SOI). Североатлантическое колебание не оказывает влияние на территорию канадских Скалистых гор, поэтому сравнения с индексами не приводятся.
При сопоставлении хода температуры воздуха и осадков с индексами SOI и NPI наблюдается зеркальность. Холодной фазе соответствуют более низкие метеорологические характеристики, чем в тёплой. А в тёплую фазу наблюдается рост температуры и осадков на многих метеорологических станциях. На высоте ниже 500 м сток увеличивается с апреля по август в разные по водности годы. Этот период соответствует теплой фазе северотихоокеанского колебания, а в южном колебании в этот период наблюдается явление Эль-Ниньо (тёплая фаза). На высотах 500 - 1000 м увеличение стока в году приходится с апреля по октябрь, что также соответствует тёплой фазе атмосферных колебаний. На высотах выше 1000 м наблюдается аналогия на высотах менее 500 м.
В целом при сопоставлении многолетнего хода расходов воды с индексами атмосферной циркуляции наблюдается зеркальность.
В северотихоокеанском колебании начиная с 1964 - 1988 гг, наблюдается
синхронность чередования тёплых и холодных фаз и составляет 12 лет. После наступает холодная фаза до 1995 года, а затем снова чередование фаз в 10 - 11 лет. В настоящее время наблюдается холодная фаза. Однако сток на реках канадских Скалистых гор преимущественно растёт. В южном колебании похожая ситуация, тёплая фаза колеблется в пределах 6 - 10 лет, холодная 6 лет.
Корреляционная связь между метеорологическими характеристиками и индексами южного и тихоокеанского колебаний очень низкая. Больший вклад на формирование температуры воздуха оказывает интенсивность алеутской депрессии, которая создаёт области низкого давления. Также нужно учитывать наличие горной гряды, которая препятствует западно-восточному переносу воздушных масс и образование стационарных антициклонов, которые существенно влияют на интенсивность меридиональных потоков вдоль побережья и их межгодовую динамику.
Для некоторых рек канадских Скалистых гор характерна синхронность чередования фаз водности, что связано с физико-географическими условиями. Асинхронность колебаний фаз позволяет сделать вывод об использовании водноресурсной части канадских Скалистых гор для анализа гидрологического режима в условиях меняющегося климата.
В настоящее время основным подходом к оценке многолетних изменений стока рек являются физико-географические, метеорологические факторы и факторы подстилающей поверхности.
Ключевыми стокормирующими факторами в бассейнах исследуемых рек являются атмосферные осадки и температура воздуха.
Для анализа динамики речного стока, в данной работе учитывались особенности изменчивости рек на разных высотах: менее 500 м, 500 - 1000 м, более 1000 м над уровнем моря, а также разделение по площади водосбора: для малых рек с F < 200 км2, средних рек с F = 2000 - 50000 км2, крупных рек с F > 50000 км2.
Анализ показал, что в последние десятилетия увеличение метеорологических характеристик (температура воздуха, осадки) оказали влияние на изменение речного стока в разной степени в зависимости от высоты и территории. На высоте ниже 500 м над уровнем моря в разных частях канадских Скалистых гор наблюдается либо повышение/понижение либо неизменность стока. В северной части Берегового Хребта изменений не наблюдается как до 1985 года, так и после. В южной же части, что приходится на горы Маккензи и район бассейна р. Фрейзер наблюдается повышение стока на 2 % и уменьшение на 1 %, соответственно. На высоте 500 - 1000 м наблюдается увеличение стока на 3%. На высотах выше 1000 м понижение стока на 5% в сравнении периодов до 1985 года и после. Увеличение осадков на 7% наблюдается на высоте до 500 м (западная часть Берегового Хребта и юг Скалистых гор). На юге Скалистых гор на высоте до 1000 м рост количества осадков на 2%, и снижение на 6% на севере плато Нечако. На юге Скалистых гор при высотах выше 1000 м наблюдается незначительное снижение осадков на 0,1%.
По всей территории канадских Скалистых гор произошло увеличение температуры воздуха от 5 до 22%. Максимальное увеличение температуры наблюдается в северной части в районе гор Кассиар.
В летний и зимний периоды в основном наблюдается повышение температуры на 0,8 - 2,5°С после 1985 года. По осадкам летом снижение на 6 мм, а зимой на 9 - 20 мм.
Из-за изменений в температуре и по осадкам, увеличение происходит и по гидрологической составляющей канадских Скалистых гор. Годовой сток увеличился на высоте 500 - 1000 м в среднем на 6 м3/с. В районе плато Фрейзер наблюдается снижение стока на 17 м3/с, а на юге Британской Колумбии увеличение стока на 3,2 м3/с при высоте менее 500 м. В юго-восточной части Скалистых гор на высотах свыше 1000 м наблюдается снижение стока на 0,23 м3/с после 1985 года.
Также была выявленная связь стока рек канадских Скалистых гор с индексами атмосферной циркуляции - северотихоокеанское колебание (NPI), южное колебание (SOI). Североатлантическое колебание не оказывает влияние на территорию канадских Скалистых гор, поэтому сравнения с индексами не приводятся.
При сопоставлении хода температуры воздуха и осадков с индексами SOI и NPI наблюдается зеркальность. Холодной фазе соответствуют более низкие метеорологические характеристики, чем в тёплой. А в тёплую фазу наблюдается рост температуры и осадков на многих метеорологических станциях. На высоте ниже 500 м сток увеличивается с апреля по август в разные по водности годы. Этот период соответствует теплой фазе северотихоокеанского колебания, а в южном колебании в этот период наблюдается явление Эль-Ниньо (тёплая фаза). На высотах 500 - 1000 м увеличение стока в году приходится с апреля по октябрь, что также соответствует тёплой фазе атмосферных колебаний. На высотах выше 1000 м наблюдается аналогия на высотах менее 500 м.
В целом при сопоставлении многолетнего хода расходов воды с индексами атмосферной циркуляции наблюдается зеркальность.
В северотихоокеанском колебании начиная с 1964 - 1988 гг, наблюдается
синхронность чередования тёплых и холодных фаз и составляет 12 лет. После наступает холодная фаза до 1995 года, а затем снова чередование фаз в 10 - 11 лет. В настоящее время наблюдается холодная фаза. Однако сток на реках канадских Скалистых гор преимущественно растёт. В южном колебании похожая ситуация, тёплая фаза колеблется в пределах 6 - 10 лет, холодная 6 лет.
Корреляционная связь между метеорологическими характеристиками и индексами южного и тихоокеанского колебаний очень низкая. Больший вклад на формирование температуры воздуха оказывает интенсивность алеутской депрессии, которая создаёт области низкого давления. Также нужно учитывать наличие горной гряды, которая препятствует западно-восточному переносу воздушных масс и образование стационарных антициклонов, которые существенно влияют на интенсивность меридиональных потоков вдоль побережья и их межгодовую динамику.
Для некоторых рек канадских Скалистых гор характерна синхронность чередования фаз водности, что связано с физико-географическими условиями. Асинхронность колебаний фаз позволяет сделать вывод об использовании водноресурсной части канадских Скалистых гор для анализа гидрологического режима в условиях меняющегося климата.
