CC BY
49
Труды ИБВВ РАН, вып. 75(78), 2016
УДК 551.583 (282.247.413.5)
МНОГОЛЕТНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ГИДРОКЛИМАТИЧЕСКОГО РЕЖИМА РЫБИНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА
А. В. Законнова, А. С. Литвинов
Институт биологии внутренних вод им. И. Д. Папанина РАН 152742 пос. Борок, Ярославская обл., Некоузский р-н, e-mail: [email protected]
Приводятся результаты анализа многолетних изменений температуры воздуха и воды, осадков и притока Рыбинского водохранилища за периоды 1947-1975 и 1976-2014 гг. Выявлены и оценены линейные тренды. Показано, что повышение температуры воздуха за период потепления способствовало росту температуры воды водохранилища во все месяцы при максимальной скорости повышения в мае, июле -1.0°С /10 лет. Средняя за вегетационный период температура поверхностного слоя воды увеличилась на 0.4°С, в июле - 0.9°С и октябре - 0.7°С. За период потепления отмечен рост зимнего притока и осадков, выпавших на зеркало водохранилища. Установлены связи гидрометеорологических характеристик с интенсивностью циркуляции атмосферы над Северной Атлантикой, показателем которой является СевероАтлантическое колебание (индекс CAK).
Ключевые слова: Рыбинское водохранилище, температура воздуха, температура воды, приток, осадки, тенденции многолетних изменений.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее годы в гидроэкологических исследованиях большое внимание уделяется анализу многолетней изменчивости гидроклиматических характеристик водных экосистем в связи с потеплением климата. Температуры воздуха - главный климатический фактор, определяющий гидрологический режим, температуру воды водоема и его экологическое состояние. Начиная с середины 1970-х гг., температура воздуха на Европейской территории России повышалась со средней скоростью 0.43/10 лет, что более чем в 2.5 раза превышает скорость глобального потепления (Оценочный доклад, 2014). Начало XXI века характеризуется продолжающимся интенсивным потеплением. По данным Всемирной метеорологической организации (ВМО) за всю историю метеонаблюдений период 2001-2010 гг. был самым теплым, среднегодовые значения температуры воздуха на 0.21°С выше, чем в теплый период 1991-2000 гг. (Глобальный климат..., 2012). В бассейне Рыбинского водохранилища последнее десятилетие характеризуется повышением температуры воздуха на 2-3°С в январе, 1-2°С в июле и увеличением периода с положительными температурами воздуха (Экологический атлас, 2015).
Цель работы - анализ изменчивости характеристик гидроклиматического режима Рыбинского водохранилища за период 1947-2014 гг.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В работе использованы многолетние данные о средних (месячной и годовой) температуре воздуха на метеостанциях (МС) Пошехонье-Володарск и Рыбинск ГМО за 1947-2015 гг., температуре поверхностного слоя воды прибрежной части и акватории Рыбинского водохранилища за безледный период. В качестве основного элемента водного баланса водоема рассмотрены объем притока и количество атмосферных осадков за 1947-2014 гг. Месячные суммы осадков определены по данным осад-комерных наблюдений станций и постов, расположенных на побережье и в ближайших окрестностях водохранилища. Исследованные характеристики анализировали по двум периодам: 1947-1975 гг. и 1976-2014 гг., сравнивая их со средними значениями за период 1961-1990 гг., принятый в настоящее время Всемирной метеорологической организацией (ВМО) за норму.
Многолетние изменения характеристик экосистемы водохранилища анализировали по линейным трендам. Статистическая значимость линейного тренда оценивалась по величине коэффициента детерминации (R2), показывающего вклад линейного тренда в общую изменчивость температуры воды. При объеме выборки 50 лет и более это соответствует величине R2 > 0.08.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Температура воздуха. По многолетним данным среднегодовая температура воздуха на береговых постах Рыбинского водохранилища составляет 3.1-3.8°С. Диапазон ее колебания от 0.0 на восточном побережье (1941 г.) до 6.1°С - южном (1989 г.) (Litvinov, Roshchupko, 2010). Среднегодовая температура воздуха на южном и западном побережье водохранилища на 0.3-0.8°С выше, чем на северном и восточном. Следует отметить, что период потепления характеризуется повышением средне-
годовой температуры воздуха с 3.7 до 4.4°С - МС Рыбинск ГМО и 3.0-3.7°С - МС Пошехонье-Володарск (табл. 1).
Таблица 1. Средняя (месячная, годовая) температура воздуха за отдельные периоды
Период, гг. I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Год
МС Рыбинск ГМО
1961-1990 -11.4 -9.5 -3.9 3.7 11.4 15.7 17.9 15.9 10.3 4.2 -2.2 -7.5 3.7
1947-1975 -11.0 -10.6 -5.3 3.5 10.8 16.1 17.7 16.2 10.6 4.3 -2.5 -6.9 3.6
1976-2015 -9.2 -8.8 -3.1 4.3 11.7 16.2 18.6 16.2 10.6 4.4 -1.9 -6.6 4.4
МС Пошехонье-Володарск
1961-1990 -12.3 -10.7 -4.7 2.8 10.8 15.2 17.3 15.4 9.6 3.6 -2.7 -8.2 3.0
1947-1975 -11.8 -11.4 -6.1 2.9 10.4 15.5 17.1 15.7 9.9 3.7 -3.0 -7.5 2.9
1976-2015 -9.7 -9.3 -3.9 3.2 11.1 15.5 17.9 15.4 10.0 3.8 -2.6 -7.5 3.7
Самый холодный месяц - январь, но в отдельные годы (25-30% случаев) температура февраля ниже температуры января. Самый теплый - июль. Наибольшей изменчивостью характеризуется температурный режим зимних месяцев (табл. 2). В период потепления средняя месячная температура января изменялась от -3.7 (1989 г.) до -21.2°С (1987 г.) В июле размах колебаний ее значений - 15.7-24.0°С. Амплитуда температуры января составляла 24.9°С (о = 4.6°С), а июля более чем в 2 раза меньше - 8.3°С (о =1.9°С). За период потепления отмечено наиболее существенное повышение температуры воздуха в зимние месяцы - на 2.1-2.2°С, и мае-июле - 0.9°С.
Таблица 2. Статистические характеристики температуры воздуха, МС Рыбинск ГМО
Харак-терис- I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Год
тика
1947-1975 гг.
Т Т щах -3.8 -1.8 -0.1 7.6 15.3 19.0 21.9 20.3 13.4 7.5 1.0 -1.0 5.3
т т щт -18.8 -19.6 -12.1 -0.4 7.6 12.4 14.4 14.0 6.9 1.1 -7.2 -19.0 1.6
о 4.6 4.3 3.1 2.0 2.1 1.8 1.7 1.3 1.6 1.6 2.1 3.7 0.9
о2 21.8 18.8 9.9 4.1 4.4 3.2 2.9 1.7 2.5 2.7 4.5 14.0 0.8
1976-2015 гг.
Ттах -3.7 -0.3 3.4 8.7 15.4 20.8 24.0 19.2 13.3 7.8 2.9 2.7 6.1
Ттт -21.2 -17.4 -10.2 0.1 7.2 12.3 15.7 13.9 6.6 -1.6 -9.4 -17.6 1.9
о 3.6 4.2 2.8 2.0 2.0 2.1 1.9 1.2 1.6 1.9 3.0 4.2 1.1
о2 13.0 17.7 8.0 4.0 3.9 4.3 3.6 1.5 2.6 3.7 8.8 17.9 1.2
Примечание. Тщах, Тщт - соответственно максимальная и минимальная температура воздуха, ное отклонение, °С; о2 - дисперсия, °С.
°С; о - стандарт-
Среднегодовая температура воздуха претерпевает от года к году весьма значительные изменения, при этом колебания происходят синхронно на исследуемых станциях (рис. 1). Общая картина динамики ее значений на 2-х станциях сходна между собой, следовательно, станции реально отражают гидрометеорологический режим на побережье водохранилища.
При анализе изменчивости многолетнего хода температуры воздуха оценены климатические тренды (тенденции) для всего периода существования водохранилища и для 1976-2015 гг. Анализ региональных трендов изменения температуры воздуха показал, что оценки тренда, полученные для разных сезонов периода 1976-2015 гг., существенно больше, чем для всего периода наблюдений. За период потепления среднегодовая температура воздуха повышалась со скоростью 0.55 °С/10 лет, зимой - скорость потепления возросла до 0.73°С/10 лет (табл. 3).
Температура воды. В Рыбинском водохранилище изменение термического режима проявляется в увеличении средней продолжительности безледного периода с 193 до 213 дней и его амплитуды в 1.6 раза. В работе (Ьйушоу, 2акоппоуа, 2012) отмечалось, что средняя за май-октябрь температура поверхностного слоя воды водохранилища практически одинакова до потепления и после (второй период заканчивался 2008 г.). За рассматриваемые периоды с учетом последних аномально теплых лет она отличалась - во втором периоде на 0.4°С выше. Наиболее существенные различия наблюдались в июле (0.9°С) и октябре (0.7°С). Следует отметить, что особенностью второго периода является наибольшая изменчивость температуры воды в летний период (июнь, июль) и осенью (октябрь) (табл. 4).
5 -
4 -
3 -
1 -О --
1940
1960
1980
2000
2020
Т°С
7 6 -5 -
4 -3 -
1 -0--
1940
1960
1980
2000
2020
а
б
Рис. 1. Многолетние изменения среднегодовой температуры воздуха. а - Рыбинск ГМО, б - Пошехонье-Володарск. 1 - линия тренда за период 1947-2015 гг. 2 - за период 1976-2015 гг.
Таблица 3. Параметры уравнения регрессии и критерий значимости тренда температуры воздуха, °С (МС Рыбинск, ГМО)
Сезон Параметры
А В R2
Весна 0.039 73.6 0.23
0.033 60.7 0.08
Лето 0.018 18.6 0.09
0.053 89.8 0.27
Осень 0.16 26.7 0.05
0.53 100.9 0.20
Зима 0.041 91.2 0.08
0.073 153.2 0.10
Год 0.029 30.0 0.29
0.055 105.7 0.35
Примечание. В числителе - коэффициенты для периода 1947-1975 гг., в знаменателе - для периода 1976-2015 гг.
Температура поверхностного слоя воды водохранилища значительно изменяется. За весь период его существования отмечено значимое повышение ее значений в летний период (июль, август) и осенью (октябрь). В период потепления на 95%-ном уровне значимости прослеживается тенденция повышения температуры воды в течение всего безледного периода при средней скорости роста 0.76°С/10 лет. Максимальная скорость повышения ее значений отмечалась в мае и июле - 1.1-1.0°С/10 лет, соответственно следует отметить, что характеристики тренда, полученные для второй периода существенно отличаются от таковых для первого (рис. 2, табл. 5).
Таблица 4. Температура поверхностного слоя воды и ее статистические характеристики
Характеристика 3-я декада апреля V VI VII VIII IX X 1-я декада ноября Средняя за май-октябрь
1947-1975 гг.
Т Т ср 2.0 9.0 16.9 19.6 18.5 12.9 5.8 2.1 13.8
Т Тмак 7.6 14.2 20.0 24.6 20.6 15.3 9.3 5.6 15.0
т т мин 1.2 4.0 13.7 17.0 17.5 9.1 2.6 0.2 12.5
а 1.5 2.4 1.7 1.6 1.1 1.6 1.4 1.4 0.7
а2 2.1 5.9 3.0 2.6 1.1 2.6 2.1 2.0 0.5
Md 1.5 9.3 17.0 19.6 18.5 12.8 5.9 2.1 13.8
1976-2014 гг.
Тср 3.1 9.4 17.1 20.5 19.0 13.1 6.5 2.4 14.2
Тмак 8.0 14.0 22.2 25.2 22.6 15.4 9.3 5.2 16.3
тмин 1.1 4.6 12.3 16.7 17.0 10.0 2.4 0.1 11.3
а 2.0 2.0 2.6 2.1 1.4 1.3 1.7 1.4 1.3
а2 3.8 6.8 6.0 4.0 1.7 1.5 2.6 2.1 1.6
Md 2.3 8.9 17.0 20.3 19.0 12.8 6.6 2.4 14.2
Примечание. Тср, Тмак, Тмин - соответственно средняя, максимальная и минимальная температура воды, °С; а -стандартное отклонение, °С; а2 - дисперсия, (°С)2, Мd - медиана, °С.
Таблица 5. Параметры уравнения регрессии и критерий значимости трендов температуры воды (°С) Рыбинского водохранилища
Месяц Параметры
А В R2
Май 0.032 54.2 0.063
0.116 221.9 0.256
Июнь 0.017 16.28 0.023
0.086 154.51 0.159
Июль 0.042 63.93 0.197
0.102 182.8 0.337
Август 0.024 29.69 0.155
0.067 114.79 0.344
Сентябрь 0.010 6.95 0.020
0.044 75.11 0.168
Октябрь 0.027 46.63 0.111
0.063 119,5 0.196
Май-октябрь 0.022 0.076 29.13 136.78 0.167 0. 473
Примечание. В числителе коэффициенты для периода 1947-2014 гг., в знаменателе - для периода 1976-2014 гг.
Приток и осадки. Современные изменения климата оказывают непосредственное влияние на речной сток. Формирование стока во многом определяется атмосферными осадками и температурным режимом на водосборе. Максимумы годового стока обычно совпадают с максимумами осадков и минимальными температурами воздуха. За период существования водохранилища в его бассейне наблюдались три многоводных (1947-1962, 1978-1995, 2004-2014 гг.) и два маловодных периода (1963-1977 и 1996-2003 гг.) (рис. 3). В многоводные периоды объем притока в водохранилище составил 34.91-36.41 км3, а в маловодные - 25.79-27.98 км3. При этом, в многоводные периоды наблюдались отдельные годы с низкой водностью (1948 г. - 26.99, 1972 г. - 16.20 км3), а в маловодные - с водностью значительно выше средней (1998 г. - 44.02 км3), что связано с климатическими особенностями отмеченных лет. В целом, за период с 1947 по 2014 гг. средний объем притока в водохранилище составил 32.79 км3.
За период потепления самым многоводным годом был 1990 г., объем притока - 53.4 км3, что составило 170% нормы. Причиной послужило выпадение аномально высокого количество осадков на протяжении всего года. Анализ многолетних изменений зимнего стока и осадков, выпавших на зеркало водохранилища, выявил синхронность их колебаний. Коэффициент корреляции составил 0.68 приp < 0.05, п = 68.
■ i 1 1 1 1 1 1 1 10 -|-1--1-1--1-1-1-1
19-И 1955 1965 197^ 19S5 1995 2005 2015 1945 1955 1955 1975 1955 1995 2005 2015
1945 1955 1965 1975 19S5 1995 2005 2015 1945 1955 1965 1975 19S5 1995 2005 2015
ж
Т.°С
1945 1955 1965 1975 19S5 1995 2005 2015
Годы
Рис. 2. Многолетняя динамика средней температуры поверхностного слоя воды Рыбинского водохранилища. а - май, б - июнь, в - июль, г - август, д - сентябрь, е - октябрь, ж - май-октябрь. 1 - линейный тренд для периода 1947-2014 гг., 2 - для периода 1976-2014 гг.
Значительное повышение температуры воздуха холодного периода года в период потепления привело к росту объема зимнего (ноябрь-март) притока водохранилища на 20-37% (табл. 6). Выявлен значимый положительный тренд - рост величины притока составил 12.4%/10 лет, а вклад тренда в общую дисперсию - 20%. При этом, отмечено снижение весеннего притока.
Количество осадков, выпавших на зеркало водохранилища в теплое время года (апрель-октябрь), изменялось от 74% в первом периоде до 71% во втором, с максимумом в июле (15%) и июне (13.4%) и минимумом в марте (3.7, 4.2%), соответственно (рис. 4). Следует отметить, что годо-
вая сумма осадков во второй период на 0.36 км (около 15%) больше, чем в первый. За период потепления отмечена тенденция увеличения зимних осадков со скоростью 0.048 км3/10 лет.
Таблица 6. Изменение объема притока Рыбинского водохранилища за период 1976-2013 гг. по сравнению с периодом 1947-1975 гг., %
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
37.4 32.8 36.8 -6.4 -9.0 -4.5 12.4 4.7 11.0 7.5 20.3 21.6
км3 70 -|
60 -
50 -
40 -
30 -
20 -
10 -
о —
-10 -
-20 -
-30 -
-40 -
1945 1955 1965 1975 19S5 1995 2005 2015
Рис. 3. Разностно-интегральная кривая притока Рыбинского водохранилища (последовательная сумма отклонений от среднего за период 1947-2014 гг.).
Выполнен анализ взаимосвязей между индексом САК и гидроклиматическими характеристиками бассейна. Установлено, что в зимний период возрастание интенсивности атмосферной циркуляции над Северной Атлантикой сопровождается повышением температуры воздуха, ростом количества осадков и объема стока (табл. 7).
Таблица 7. Корреляционная матрица индекса САК и гидроклиматических характеристик (декабрь - март), п = 64
Переменные Индекс САК Сток Атмосферные осадки Твоздуха, Рыбинск, ГМО
Индекс NAO 1.00 0.30 0.05 0.60
Сток 0.30 1.00 0.68 0.54
Атмосферные осадки 0.05 0.68 1.00 0.39
Твоздуха, Рыбинск, ГМО 0.60 0.54 0.39 1.00
Примечание. Курсивом выделены значимые коэффициенты корреляции приp < 0.05.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполненные исследования показали, что современные изменения климата оказывают определяющее влияние на температуру воздуха и воды, осадки и приток Рыбинского водохранилища. На побережье водохранилища за период потепления отмечено повышение температуры воздуха с 3.7 до 4.4°С (МС Рыбинск ГМО) и 3.0-3.7°С (МС Пошехонье-Володарск). Анализ региональных трендов изменения температуры воздуха показал, что оценки тренда, полученные для разных сезонов периода 1976-2015 гг., существенно больше, чем для всего периода существования водохранилища. За период потепления среднегодовая температура воздуха повышалась со скоростью 0.55°С/10 лет, зимой -скорость потепления возросла до 0.73°С/10 лет.
Установлено, что средняя за май-октябрь температура поверхностного слоя воды водохранилища за период 1976-2014 гг. была на 0.4°С выше, чем за 1947-1975 гг. Наиболее существенные различия наблюдались в июле (0.9°С) и октябре (0.7°С). В период потепления отмечена тенденция повышения температуры воды в течение всего безледного периода при средней скорости роста 0.76°С/10 лет и максимальной в июле - 1.0°С/10 лет.
Значительное повышение температуры воздуха холодного периода года в период потепления привело к росту объема зимнего (ноябрь-март) притока водохранилища - рост его величины составил 12.4%/10 лет. Годовая сумма осадков, выпавших на зеркало водохранилища во второй период, на 15% больше, чем в первый.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №14-05-00346-а) и Программы Президиума РАН: 1.21П Биоразнообразие природных систем. Биологические ресурсы России: оценка состояния и фундаментальные основы мониторинга. 2.5. Влияние антропогенного регулирования уровневого режима водохранилищ и температуры на динамику численности рыб различной экологии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Второй оценочный доклад Росгидромета об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. М.: Росгидромет. 2014. 1008 с. Vtoroy otsenochny doklad Rosgidrometa ob izmeneniyakh klimata i ikh posledstviykh na territorii Rossiyskoy Federatsii. M.: Rosgidromet. 2014. 1008 s. [Second Roshydromet Assessment Report on Climate Change and its Consequences in Russian Federation. Moscow: Roshydromet.2014.1008 p]. In Russian. Глобальный климат в 2001-2010 годы: Десятилетие экстремальных климатических явлений // Изменение климата. Информ. бюлл. № 7. 2014. С. 9-11. Globalniy klimat v 2001-2010 gody: Desyatiletie ekstremalnikh klimat-icheskikh yavlenii. Inform. bull. No. 7. 2014. S. 9-11. [The Global Climate in 2001-2010: A Decade of Climate Extremes // Climate Change.Inform. Bull. No. 7. 2014. P. 9-11]. In Russian. Экологический атлас Ярославской области / Департамент охраны окружающей среды природопользования Ярославской области; научн. ред. Г.А.Фоменко. Ярославль. 2015. 154 с. Ekologicheskii atlas yaroslavskoy ob-lasti / Departament okhrani okruzhauscheuy sredi prirodopolzovaniy yaroslavskoy oblasti; nauchn. red. G.A. Fo-menko. Yaroslavl. 2015. 154 s.[Environmental Atlas of Yaroslavl region/ Department of Environment Protection and Natural Resource Use of Yaroslavl Region; Science Ed. G.A. Fomenko. Yaroslavl. 2015. 154 p.]. In Russian. Litvinov A.S., Zakonnova A.V. Thermal Regime in the Rybinsk reservoir under Global Warming // Meteorology and
Hydrology. Vol. 37. No. 9. 2012. P. 640-644. (DOI: 10.3103/S1068373912090087). Litvinov A.S., Roshchupko V.F. Long-term Variations of elements Hydrometeorogikal Regime of the Rybinsk Reservoir // Meteorology and Hydrology. Vol. 35. No.7. 2010. P. 483-489. (DOI: 10.3103/S1068373910070083).
LONG-TERM CHANGES IN THE HYDROCLIMATIC REGIME OF THE RYBINSK RESERVOIR
A. S. Litvinov, A. V. Zakonnova
I.D. Papanin Institute for biology of inland waters Russian Academy of Sciences, 152742 Borok, Russia
e-mail: [email protected]
The results of the analysis of long-term changes in air and water temperatures, the amount of precipitation and water inflow into the Rybinsk Reservoir are presented for the periods 1947-1975 and 1976-2014. Linear trends have been found and estimated. It is shown that the increase in air temperature for the period of warming promoted the rise of water temperature in the reservoir during all months at the maximum rate of rise in May and July by 1.0°С /10 years. The average temperature of the surface water layer for the vegetation period increased by 0.4°С, 0.9°С in July and by 0.7°С in October. Over the period of warming, the water inflow and the amount of precipitation which fell on the on the surface area of the reservoir increased. The relationship between hydro-meteorological characteristics and intensity of the atmospheric circulation over the North Atlantic which is indicated by the North Atlantic oscillation (the NAO index) is established.
Keywords: Rybinsk Reservoir, air temperature, water temperature, inflow, precipitation, trends of long-term changes.
