Изменение сроков прохождения волны половодья как следствие потепления климата Текст научной статьи по специальности «Естественные и точные науки»

Гидрология и гидрохимия

УДК 551.583, 556.166

ИЗМЕНЕНИЕ СРОКОВ ПРОХОЖДЕНИЯ ВОЛНЫ ПОЛОВОДЬЯ КАК СЛЕДСТВИЕ ПОТЕПЛЕНИЯ КЛИМАТА

Р. И. ГАЛЬПЕРИН

Д.г.н., профессор кафедры метеорологии и гидрологии (КазНУ им. аль-Фараби)

Шыгыс-К^азакстан жэне жазык взендер катарында агынныц жылдык максимумыныц ету кунжц взгеру1 бага-ланды. Реттелмеген езендерде уакыты кештеу кунге жылжыганын керсетти

Оценены изменения в датах прохождения годовых максимумов стока на ряде рек равнинного и Восточного Казахстана. Показано, что на значительных незарегулированных реках произошел сдвиг сроков на более поздние даты.

The changes of the dates of a advent of annual maximum of discharge on some rivers of Central and Oriental Kazakhstan are considered. It is shown, that on considerable unregulated rivers the shift of that time on the more early dates went on.

Глобальное потепление климата — очевидная реальность. Можно сомневаться в части причин этого явления, относительно дальнейшего развития ситуации, но сам факт, похоже, неоспорим. На графике хода глобальной температуры воздуха за 1,5 столетия, приводимом в [1], выделяются следующие его фазы:

примерно до 1910 г. — слабая тенденция роста; по первую половину сороковых годов — значительный рост (известное в литературе «потепление Арктики») — по сглаженной кривой на 0,5 оС, а по крайним значениям — 0,9оС; заметим, что во многих районах потепление охватывало и 40-е годы, и даже более поздний период;

до 60-х годов — явное снижение температуры (необъяснимое с позиций сторонников гипотезы антропогенной природы потепления) — по сглаженной кривой на 0,5 оС;

с 60-х годов — потепление — до 0,9 оС на конец 90-х годов.

При этом явное значительное потепление началось с первой половины 70-х годов (по О. А. Дроздову [2], конкретно с 1973 г.). Наибольшие изменения температуры воздуха произошли над частями континентов между широтами 40 и 70о с.ш. [1]. В этот сектор Евразии, естественно, попадает и Казахстан. Нет сомнений, что потепление продолжается и сейчас. По В. П. Мелешко и др. [3], 11 из 12 «последних» лет (имелся в виду период до 2006 г. включительно) были самыми теплыми за все время инструментальных наблюдений за глобальной температурой — с 1850 г. Видимо, эта тенденция продол-

жается. За примером далеко ходить не нужно — исключительно высокими температурами отличается текущий год.

В Казахстане рост температуры воздуха происходит интенсивнее, чем в среднем по планете. Уже к 90-м годам он превзошел 1 оС [4]. Темпы потепления с 1935 по 2005 г. оцениваются в 0,31 оС за каждые 10 лет, причем в зимний период - даже в 0,44 оС за 10 лет [5].

Изменения климата с очевидностью приводят к изменениям условий формирования речного стока, о чем имеется много свидетельств (например, [1, 6]). Так, на значительной части России годовой сток рек несколько увеличился, а весенний снизился [6]. На большей части Казахстана с 60-х - середины 70-х годов отмечалось уменьшение речного стока в сравнении с предыдущим периодом [7]. Особенно маловодным был период с середины 70-х по середину 80-х годов.

Несомненно, что на потепление климата обязаны реагировать и количественные показатели прохождения по рекам волны половодья. В части этого влияния на высоту весеннего половодья до полной ясности пока очень далеко. С одной стороны, зимнее потепление означает некоторое сокращение периода снегонакопления. Но, возможно, более ранние сроки снеготаяния могут означать более дружную весну, что обычно сопровождается резким высоким пиком половодья. Но, естественно, процесс очень сложен; как известно, огромное влияние могут иметь осадки периода снеготаяния и даже осеннее увлажнение и промерзание почвы. Вообще же, как многократ-

но озвучивалось в научной литературе, в период нестабильности климата чаще отмечаются экстремальные гидрометеорологические явления, к коим, конечно же, относятся и выдающиеся половодья. В принципе данный вопрос нуждается в специальном глубоком исследовании.

Проще вопрос о сроках прохождения волны половодья — они в общем случае при потеплении климата должны смещаться в сторону более ранних дат. Лучшим и хорошо определяемым показателем в этом отношении является дата прохождения пика половодья.

Но выявление самого факта и количественного выражения смещения этих дат затрудняется нарушением естественного режима стока в основном водохранилищами. А значительные искусственные водоемы приурочены именно к крупным рекам, режим которых, конечно же, более показателен.

Для анализа в основном применен метод скользящих 10-летних средних дат прохождения макси-

а

мальных расходов воды (0шах). Использованы только наблюденные данные по постам с длительными рядами. Отдельные пропуски в наблюдениях, естественно, снижают точность расчетов, но, видимо, существенно общей картины не искажают.

Наиболее крупная из незарегулированных рек — Кара Ертис. Лишь в самые последние годы здесь мог существенно исказиться сток за счет хозяйственной активности в КНР. Напомним, что именно по этой реке очевидно уменьшение стока конкретно с 1974 г. - примерно на 13 % [8], хотя после очень маловодного 10-летия водность реки несколько повысилась. Исследуемый ряд — один из самых надежных в Казахстане. Он вообще не содержит пропусков.

Почти за 70 лет средние сроки прохождения пика половодья сместились в сторону более ранних дат на 15 дней — по 2,4 сут каждые 10 лет (рис. 1, а), т.е. данное смещение произошло параллельно потеплению климата, параллельно общему снижению стока.

5

10-пепи

Рис. 1. Скользящее среднее число дней от 30.04 до даты максимума стока рек Восточного Казахстана: Кара Ертис — с. Боран; б — р. Буктырма — с. Печи; в — р. Куршум — с. Вознесенское; г — р. Оби — с. Шемонаиха

в

г

а

Вторая мощная река горного Восточного Казахстана — Буктырма. Здесь также произошло смещение сроков прохождения 0тах на более ранние даты (см. рис. 1, б): за 69-летний период по линии тренда на 8 сут — с 6-го июня на 29 мая, т.е. примерно на одни сутки каждые 10 лет. Но если взять более ограниченный период — с 10-летия 1958—1967 по 1988—1997 гг., то изменение произошло на 18 дней.

Интересен вопрос: как соответствуют друг другу многолетний ход максимальных расходов воды и дат их прохождения? Из рис. 2 и 3, а

а

следует, что параллельно сдвигу сроков прохождения 0тах в сторону более ранних дат произошло уменьшение самих величин максимальных расходов воды. Коэффициент корреляции этих двух характеристик положителен и составляет г = 0,43, при столь длительном ряде он значим практически на любом уровне существенности. Но есть ли действительная, природная связь между этими характеристиками или корреляция ложная, обусловленная одним знаком тренда? Действительно, по р. Буктырме соотношение обратное (рис. 3).

б

4.0 3,5 3,0 2,5

I 2,0

1 1,0 0,5 0,0 -0,5

О О О ^ о ч/ч о цп 5 ^

< О'- -О4- С- О"' О4- О1' О Он О'-- С о гч

Годы

Рис. 2. Разностные интегральные кривые характеристик весеннего половодья р. Ертис — с. Буран: а — число дней от 30.04 до даты максимального стока; б — максимальные расходы воды

Расходи воды, 1К!/с

-Э,05х 1 522.75

Расход води, и^/е

б

1,05*+

] О-летая

10-№гии

1А О 1л чА ^ 1п ^

Рис. 3. Скользящие 10-летние средние максимальные расходы воды: а — р. Кара Ертис — с. Буран; б — р. Буктырма — с. Печи

Если по р. Кара Ертис в первую половину рассматриваемого периода максимальный расход воды в шести годах превышал 2000 м3/с, то во вторую половину — лишь дважды. Иное дело — р. Буктырма. Здесь исключительно высокими оказались пики половодья 10-летия 1993—2002 гг. В этот период прошел второй по высоте расход воды (1993 г. — 1280 м3/с), а кроме того, еще в пяти годах 0 превышал 800 м3/с,

тогда как в полном 68-летнем ряду таких значений было 15, т.е. в среднем по два за десятилетие. Но в целом в рассматриваемом аспекте общее у обеих крупнейших рек Восточного Казахстана — это постепенное смещение сроков наступления 0тах на более поздние сроки.

Однако и в этом отношении не все так согласовано в режиме рек района. Несколько

ранних дат в конце 50-х — начале 60-х годов по р. Куршум (с. Вознесенское) искажают общую картину (см. рис. 1, в). Но с 70-х годов по начало 2000-х есть определенная тенденция к переходу на более ранние сроки. И уж совершенно неопределенный многолетний ход рассматриваемой характеристики по р. Оби (см. рис. 1, г).

а

СГч ЧТ О1"! '¿Г' ТТ ф*. С". *Т !У-1

та- Л ч^ чо » О--

О О | г, о чп в 1П & V, Э

1Л игь щ ЧО Г-- Г~- ОС- ОС-

О"-. стч ф". {¡^ ф".

] О-лстия

В Центральном Казахстане вполне определенно просматривается отрицательный тренд дат по р. Нура (с. Романовское) (рис. 4, а). Крайние значения дат в 75-летнем ряду различаются на 10 дней, а по линии тренда — всего на 5. По р. Сарысу (раз. 189) отрицательный тренд просматривается лишь с 90-х годов, а по р.Торгай не просматривается вообще.

б

] (Ьлетш

Рис. 4. Скользящее среднее число дней от 31.03 до даты максимума стока рек Центрального Казахстана: а — р. Нура — с. Романовское; б — р. Сарысу — рзд. № 189; в — р. Торгай — пески Тусум

Итак, в Центральном Казахстане — либо отрицательный тренд дат 0шах, либо картина неопределенная.

По рекам Есиль и Тобыл очевидно очень значительно искажающее влияние водохранилищ. На р. Тобыл у г. Костаная ранее почти все максимальные расходы воды проходили в апреле, а после создания водохранилищ эта закономерность сохранилась лишь для многоводных лет с высокими максимумами стока; в маловодные же годы максимум стока теперь может сместиться на любой месяц с января (2006 г.) по август (1997 г.).

По р. Есиль у г. Петропавловска за 100-летний период отрицательный тренд дат 0шах прослеживается, правда, всего на 10 дней по линии

тренда, но по крайним значениям — на 20 дней — с 15 мая по 25 апреля (рис. 5, а). Однако после ввода в строй водохранилищ тренд вообще не прослеживается.

В створе с.Каменный Карьер на р.Есиль к началу 90-х годов за 40 лет произошло явное смещение в сторону более ранних дат — на 11 дней — с 24-го на 13 апреля (см. рис. 5, б). Но затем максимум стока стал отмечаться явно позже — до 29 апреля. Хотя определенную роль при осреднении сыграл один маловодный год — 2006-й, когда 0шах составил всего 23,1 м3/с. Отмечен он 10 июня, что явно не характерно для этой реки.

В Западном Казахстане створ р. Жайык — с. Кушум имеет практически непрерывный ряд наблюдений (кроме ранних лет 1919, 1920) с 1912 г.,

Рис. 5. Скользящее среднее число дней от 31.03 до даты максимума стока р. Есиль: а - г. Петропавловск; б - с. Каменный Карьер

характеризует сток, приходящий из России. Там были образованы крупные водохранилища, в первую очередь Ириклинское. Однако уже ниже водохранилища впадает крупнейший приток Сак-мара, а также Илек, Утва и др. Вообще, по [9], «ниже впадения Сакмары влияние Ириклинско-го водохранилища на современный гидрограф реки становится малозаметным». Трудно согласиться с этим тезисом, когда дело касается максимальных расходов воды, особенно выдающихся. Величины максимальных расходов воды в нижнем течении р. Жайык заметно снизились. Так, если в створе с. Кушум в 1957 г. зафиксирован расход 14 000 м3/с, а до этого отмечались 11 900 (1922 г.) и 13 500 м3/с (1942 г.), то после создания водохранилищ самые большие расходы составили в 1970 г. 10 600 м3/с, в 1971 г. 7320 м3/с, а затем, когда гидроузел стал функционировать на полную мощность, самый высокий расход воды за 38-летний период отмечен в 1994 г. — 5540 м3/с, что явно несопоставимо с приводимыми цифрами. Значительно снизилась и абсолютная изменчивость максимального стока (среднее квадратическое отклонение), что свидетельствует о межгодовом регулировании стока.

За полный почти столетний период наблюдений в створе р. Жайык — с. Кушум отмечается положительный тренд исследуемых дат, правда изменения произошли всего на несколько дней (рис. 6, а). Однако до 10-летия 1965-1974 гг. -совершенно явный отрицательный тренд. С 10-летия 1925-1934 гг. к упомянутому 10-летию сроки прохождения 0шах сдвинулись на более ранние даты на 10 дней. Затем максимумы стока

стали фиксироваться в июне (см. рис. 6, б), что вряд ли вызвано природным сдвигом. Запаздывание исследуемых дат, примерно на 14 дней, очевидно, связано с работой гидроузлов на р. Жайык.

На более поздние сроки за 70 лет сместилась дата прохождения пика половодья и на р.Елек (см. рис. 6, в). И здесь изменения фактически начались с 10-летия 1965-1974 гг., а составили они три недели. Несомненно, определяющую роль в этом плане сыграло регулирование стока водохранилищем.

А по р. Шаган у пос. Каменный за более чем 70-летний период при сложном многолетнем ходе исследуемой характеристики (см. рис. 6, г) тренд отрицателен, хотя и незначителен: по линии тренда изменения всего на 4 дня, а по абсолютным значениям, начиная с 10-летия 1951-1960 гг., -на 12 дней.

Итак, природная картина по большинству крупных рек искажена водохранилищами. Если при прохождении высоких половодий в сроках наступления их максимума особых влияний этих водоемов не обнаруживается, то в маловодные годы на некоторых реках (например, Тобыл) оно может быть очень значительным. На малых же реках велико влияние узко местных, «случайных», факторов.

Тем не менее можно с уверенностью констатировать смещение сроков пика половодья на более ранние сроки на незарегулированных реках, что особенно явно выражено начиная с 70-х годов - параллельно интенсивному глобальному (и местному) потеплению и некоторому уменьшению водности рек на значительной части

г 0,417* + 30,46

у = 0J9* + 27,ТЯ

10-летия

Ю-лстая

Рис. 6. Скользящее среднее число дней от 31.03 до даты максимума стока рек Западного Казахстана: а, б — р. Жайык — с. Кушум; в — р. Елек — г. Актобе; г — р. Шаган — пос. Каменный

а

в

г

территории. Четко выражена данная тенденция, например, на такой крупной реке, как Кара Ертис. Но эта общая закономерность проявляется не на всех реках, особенно на малых. Даже одна «выскакивающая» из ряда дата может существенно повлиять на всю картину.

И главное, пока не ясно, как эта выявленная закономерность может сказаться на самих величинах Qmax, высота которых очень зависит от дружности весны, весенних осадков, а также от осеннего увлажнения и промерзаемости почвы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Современные глобальные изменения природной среды. М.: Научный мир, 2006. Т. 1. 696 с.

2. Дроздов О.А. О надежности использования аналогов прошлого для прогноза водного режима на будущее // Водные ресурсы. 1992. № 4. С.7-12.

3. Мелешко В.П. и др. Климат России в XXI веке. Ч. 1. Новые свидетельства антропогенного изменения климата и современные возможности его расчета// Метеорология и гидрология. 2008. № 6. С.5-19.

4. Долгих С.А. Мониторинг и сценарий изменения климата Республики Казахстан с учетом глобального потепления: Автореф. дис. ... к.г.н. Алматы. 1999. 23 с.

5. Центральноазиатская программа ПРООН по адаптации к изменению климата. Казахстан. Проект 2. Астана, 2011. 97 с.

6. Водные ресурсы России и их использование. СПб.: ГГИ, 2008. 600 с.

7. Гальперин Р.И., Достай Ж.Д. Вопросы совершенствования методов гидрологических расчетов и прогнозов для управления водными ресурсами // Географические проблемы устойчивого развития: теория и практика. Алматы, 2008. С. 214-224.

8. Гальперин Р.И. Современные и ожидаемые водные ресурсы Черного Иртыша// Вестник КазНУ. Сер. геогр. 2001. № 1(12). С. 59-65.

9. ЧибилевА.А. Река Урал. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 167 с.