Влияние климата на водный баланс

Взгляд на будущее водных ресурсов и последствия изменения климата

Хотите узнать больше о деятельности МАГАТЭ? Подпишитесь на нашу ежемесячную электронную рассылку, чтобы быть в курсе самых важных новостей, получать аудио- и видеоматериалы и многое другое.

Благодаря разработанной МАГАТЭ изотопной модели водного баланса специалисты могут с достаточной точностью и надежностью прогнозировать воздействие изменения климата на водные ресурсы в далеком будущем. (Фото: Л. Торо/МАГАТЭ)

Как изменение климата может отразиться на состоянии мировых запасов воды через сто лет? Чтобы дать ответ на подобные вопросы, ученые прибегают к помощи научных моделей. Одной из них является разработанная МАГАТЭ изотопная модель водного баланса, благодаря которой специалисты могут с достаточной точностью и надежностью прогнозировать воздействие изменения климата на водные ресурсы в далеком будущем. Собранная ими информация может быть полезной для директивных органов при разработке стратегий устойчивого водопользования для будущих поколений.

Подобные модели основываются на имеющихся данных и применяются для изучения и осмысления гипотез, объектов и процессов, непосредственное наблюдение за которыми может быть затруднительно. Это относится и к предварительным расчетам, таким как прогноз погодных условий на ближайшую неделю или оценка показателей безработицы в течение следующих пяти лет. Хотя модель по сути является более общей и упрощенной картиной реального мира, каждая ее составляющая тщательно калибруется, чтобы обеспечить точное представление происходящих в реальности процессов.

Модели водного баланса описывают гидрологический цикл с точки зрения процессов выпадения атмосферных осадков, суммарного испарения, речного стока и изменения объема водных запасов. В отличие от многих традиционных моделей водного баланса, калибровка и верификация модели МАГАТЭ выполняется на основе данных об изотопах, так как изотопы характеризуются отчетливо выраженными свойствами и постоянством поведения. Опираясь на тщательно откалиброванную и верифицированную модель водного баланса, ученые могут получить точную оценку тех процессов, которые будут происходить в будущем, например, воздействие изменения климата на водные ресурсы через сто лет и более.

Точные долгосрочные прогнозы

«Для любой страны и климатической зоны важна точность долгосрочных исследований водных ресурсов, ведь пере- или недооценка доступных запасов воды в будущем может иметь негативные последствия», — говорит Десси Нидав Абтемариам, доцент Университета Аддис-Абебы (Эфиопия).

«Например, если мы неправильно спрогнозируем скорость восстановления запасов воды и, допустим, наша оценка окажется завышенной, то, попав в распоряжение директивных органов, эти результаты могут спровоцировать принятие решений, из-за которых истощение подземных вод будет происходить быстрее, чем их пополнение», — поясняет он. Подземные воды — то есть запасы воды в толще проницаемой породы ниже поверхности земли — являются для большей части населения Эфиопии основным источником питьевой воды. Как добавляет г‑н Абтемариам, «это приведет к резкому сокращению доступных запасов подземных вод, в результате чего некоторые скважины могут быть заброшены, и даже может возникнуть дефицит питьевой воды».

Недооценка запасов, с другой стороны, может подразумевать установление излишне строгих правил водопользования или влиять на решения по развитию территорий, например, сдерживать рост городов по причине недостаточности водных ресурсов.

По словам Триши Стаднюк, доцента кафедры гидротехники в Университете Манитобы (Канада), в контексте долгосрочных исследований с временным горизонтом в 100 лет и более получение точных результатов с помощью других моделей водного баланса всегда представляло значительную сложность. «Многие модели водного баланса очень хорошо воспроизводят сток воды в ручьях, реках и других водных объектах, но при этом дают очень плохое представление об объемах суммарного испарения, — уточняет она, говоря об испарении воды с поверхности суши, а также о ее возвращении в атмосферу в процессе дыхания растений. — Это серьезная проблема при составлении прогнозов об изменении климата, ведь суммарное испарение является одним из ключевых факторов».

По мере повышения температур вследствие изменения климата увеличивается и величина суммарного испарения. Соответственно, чем больше величина суммарного испарения, тем меньше воды остается на поверхности суши, и наоборот. Это, в свою очередь, влияет на весь годовой гидрологический цикл и может спровоцировать возникновение не поддающихся прогнозированию экстремальных условий, когда недостаток воды приводит к засухам, а ее переизбыток — к наводнениям.

От подобных изменений не застрахован ни один климатический регион. Так, например, они могут затрагивать климат такой страны, как Канада, где более 60% массива суши находится в условиях вечной мерзлоты — то есть замерзшего грунта — и где отчетливо выделяются четыре времени года, либо такой страны, как Эфиопия, где большая части территории находится в зоне тропического климата и на протяжении всего года держится более-менее постоянная температура.

Все эти разнообразные условия могут быть учтены путем корректировки модели, что делает ее применимой в глобальном масштабе. В настоящее время ученые из ряда стран сотрудничают с МАГАТЭ для прохождения обучения и получения поддержки в том, что касается применения разработанной Агентством изотопной модели водного баланса и других моделей для улучшения управления водными ресурсами. Например, в Эфиопии стартует рассчитанный на три года проект технического сотрудничества по изучению Верхнеавашского бассейна — крупного массива подземных вод, который служит источником питьевой воды для более чем 2,6 млн человек. Другие страны, такие как Канада, развертывают сети станций по отбору проб для изотопного анализа или уже завершили их создание. Благодаря данным сетям можно повысить точность моделирования с помощью таких инструментов, как модель МАГАТЭ.

Изотопная модель водного баланса, разработанная МАГАТЭ

Ученые используют разработанную МАГАТЭ изотопную модель водного баланса для имитации и оценки долгосрочного влияния климатических изменений на движение и доступность воды на протяжении всего гидрологического цикла — из атмосферы, на поверхность земли, под землю и далее по кругу. Для улучшения калибровки и обоснования адекватности модели в ней учитывается массовое соотношение изотопов для каждого компонента водного баланса с шагом в один месяц.

Программная реализация модели, которая была впервые представлена в 2015 году, имеет удобный пользовательский интерфейс и основана на ПО с открытым исходным кодом, включает инструменты предварительной обработки, моделирования и анализа для упрощения загрузки данных, визуализации и анализа результатов. В ней предусмотрена поддержка различных локальных и глобальных массивов данных, относящихся, в том числе, к климату, растительности, осадкам, водному стоку, топографии и почвенному составу. Используемые для калибровки модели и обоснования ее результатов изотопные данные, как правило, основываются на локально собранных данных, а также на данных из глобальных репозиториев, таких как созданные МАГАТЭ Глобальная сеть «Изотопы в осадках» и Глобальная сеть по изотопам в реках (ГСИР).

Эта статья публиковалась в Бюллетене МАГАТЭ «Водные ресурсы» в апреле 2019 года

Материалы по теме

Всемирный день водных ресурсов: проекты МАГАТЭ в сфере изотопной гидрологии помогают улучшить доступность ресурсов (на англ. языке)

Как изменение климата влияет на водные ресурсы Коста-Рики

Как ядерные технологии могут помочь в решении проблем изменения климата: выводы Научного форума (на англ. языке)

Источник

Сценарное прогнозирование изменения составляющих водного баланса в Обь-Иртышском бассейне в связи с возможным изменением климата

• Авторы:Гусев Е.М. 1 , Насонова О.Н. 1 , Шурхно Е.А. 1 , Джоган Л.Я. 1
• Учреждения:
  1. Институт водных проблем РАН
• Выпуск: Том 46, № 5 (2019)
• Страницы: 463-473
• Раздел:Водные ресурсы и режим водных объектов
• URL:https://journals.eco-vector.com/0321-0596/article/view/16184
• DOI:https://doi.org/10.31857/S0321-0596465463-473

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Для четырех глобальных климатических сценариев семейства «Special Report on Emissions Scenarios» Межправительственной группы экспертов по изменению климата, соответствующих заданным сценариям экономического, технологического, политического и демографического развития человеческой цивилизации, получены прогностические варианты динамики метеорологических элементов в Обь-Иртышском бассейне в XXI в., на основе которых рассчитаны варианты возможного изменения составляющих водного баланса указанного речного бассейна до середины XXI в. Методика расчетов основана на использовании физико-математической модели тепло- и массообмена подстилающей поверхности суши с атмосферой SWAP и генератора климатических сценариев MAGICC/SCENGEN. Проведено сопоставление изменения годового стока р. Оби, обусловленного возможными глобальными изменениями климата, с его естественной изменчивостью, вызванной погодным шумом.

Ключевые слова

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Полярные регионы, как отмечается в [1], в значительной мере контролирующие гидрологические процессы и водные ресурсы северного полушария планеты, подвергнутся самым ранним и наиболее глубоким изменениям, вызванным возможным изменением климата. Особую озабоченность по поводу влияния меняющегося климата на водные ресурсы полярных регионов вызывает Арктика. Пан-Арктический бассейн характеризуется огромным разнообразием водных ресурсов, включая многие самые большие реки мира. При этом в докладах Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) [15, 16] даны оценки приращения температуры в северном полушарии к концу XXI в. на 3–5°C, а приращения осадков – на 15%.

В связи с этим одна из проблем, требующих решения, – прогнозирование изменения составляющих водного баланса северных рек при возможных климатических изменениях в данном регионе. В предыдущих работах авторов рассмотрено сценарное прогнозирование для нескольких рек Российской части Арктического региона: Северной Двины, Оленька, Индигирки и Лены [3, 6, 7, 9]. В настоящей работе ставится задача оценить изменение составляющих водного баланса одной из пяти величайших рек земного шара, а также одной из крупнейших рек бассейна Северного Ледовитого океана и всей России – Оби (с ее крупнейшим притоком – р. Иртыш) до 2070 г. Физико-географическое описание Обь-Иртышского бассейна представлено в [11].

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ СЦЕНАРНОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ ВОДНОГО БАЛАНСА СЕВЕРНЫХ РЕЧНЫХ БАССЕЙНОВ В СВЯЗИ С ВОЗМОЖНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ КЛИМАТА

В настоящей работе поставленная задача решалась с помощью методики сценарного прогнозирования изменения составляющих водного баланса северных речных бассейнов в связи с возможным изменением климата, разработанной в [2, 3]. В основе методики – модель взаимодействия подстилающей поверхности суши с атмосферой Soil Water – Atmosphere – Plants (SWAP) [4, 5, 19], глобальные базы данных по характеристикам подстилающей поверхности суши и сценарные прогнозы изменения метеорологических элементов в районе рассматриваемых бассейнов в ХХI в. Последние базируются на климатических сценариях, полученных с учетом изменения интенсивности выбросов парниковых газов и аэрозолей в атмосферу в соответствии с тем или иным сценарием социально-экономического развития человеческой цивилизации. Поскольку в указанных выше работах по оценке влияния климата на изменения водного баланса рек Северной Двины, Оленька, Индигирки и Лены применялись климатические сценарии МГЭИК семейства SRES (Special Report on Emissions Scenarios): A1, A2, B1, B2 [23], то и в данной работе с целью сопоставимости полученных для разных рек результатов решено было использовать те же сценарии (хотя существует и более современное семейство сценариев – RCP – Representative Concentration Pathway [22], предназначенное для того, чтобы в конечном итоге заменить SRES). Сценарии SRES использовались при разработке третьего оценочного доклада МГЭИК на Седьмой конференции сторон Рамочной конвенции ООН по изменению климата (Марракеш, Марокко, 7 ноября 2001 г.). Они включают в себя широкий спектр предположений о том, как интенсивность выброса парниковых газов будет меняться при наличии или отсутствии той или иной специальной политики, осуществляемой человечеством в области воздействия на климат.

Что касается модели SWAP, то ее основу составляет физико-математическое описание процессов тепло- и влагообмена в системе грунтовые воды – почва – растительный / снежный покров – приземный слой атмосферы, а также описание трансформации стока воды как в русловой сети, так и в процессе ее движения по элементам поверхности речного бассейна. При этом речной бассейн схематизируется в виде совокупности ячеек, соединенных между собой каналами речной сети. В настоящей работе пространственное разрешение расчетных ячеек Обь-Иртышского бассейна в меридиональном и широтном направлениях составляло 1 о ×1 о (рис. 1).

Рис. 1. Расчетная схема Обь-Иртышского бассейна и его речной сети [11]. Светло-серым цветом отмечен бассейн р. Иртыша (главного притока р. Оби) до стоковой станции Ханты-Мансийская (2), темно-серым – часть бассейна р. Оби до стоковой ст. Колпашево (3), не закрашена оставшаяся часть Обь-Иртышского бассейна до стоковой ст. Салехард (1).

Необходимое для расчетов информационное обеспечение модели SWAP включает в себя заданные для каждой расчетной ячейки значения метеорологических элементов с временным разрешением не более суток (обычно 3 ч) (которые для исторического периода были взяты из данных наблюдений метеорологических станций, расположенных в Обь-Иртышском бассейне) и параметров подстилающей поверхности (почвы и растительного покрова, а также топографических характеристик). Методика подготовки указанного информационного обеспечения описана в [11].

Для повышения точности расчетов значения ряда основных модельных параметров (набор которых для водосборов северных рек определен и обоснован в [8]) были оптимизированы [11]. Большие размеры Обь-Иртышского бассейна потребовали в целях повышения точности оценки оптимальных параметров разделения бассейна на три части (рис. 1), для каждой из которых по данным об измеренном стоке в соответствующем замыкающем створе оптимизировалось 8 параметров [11]. При этом использовались суточные значения стока, измеренного на стоковых станциях Ханты-Мансийская (для первой части бассейна), Колпашево (для второй части) и Салехард (для третьей части бассейна) (рис. 1).

Калибровка модельных параметров проводилась на основе метода глобального поиска экстремума SCE-UA [17]. При этом ставилась задача достижения максимума целевой функции, в качестве которой использовалась эффективность расчета суточного стока по Нэшу и Сатклиффу [24] Eff при условии, что абсолютное значение систематической ошибки расчетов ǀBiasǀ ≤ 5%.

При оценке качества воспроизведения моделью SWAP наблюдаемых значений суточного стока использовались традиционно применяемые в гидрологии статистические критерии: систематическая ошибка расчета Bias, равная разности между рассчитанными и измеренными средними значениями суточного стока, и эффективность расчетов Eff. Сопоставление измеренных и смоделированных (при оптимальных значениях параметров) суточных слоев стока для указанных выше створов рек Оби и Иртыша показало довольно хорошее их соответствие для проверочных периодов [11]. Это позволяет сделать вывод о возможности использования модели SWAP для решения поставленной в настоящей работе задачи – сценарного прогнозирования изменения составляющих водного баланса Обь-Иртышского бассейна в связи с возможным изменением климата. Кроме того, указанную возможность подтверждают оценки робастности модели SWAP для северных рек РФ (устойчивость воспроизведения измеренного речного стока для диапазона метеорологических характеристик, отличного от того, при котором проводилась оптимизация модельных параметров) [6, 25, 26].

Так же как и для бассейнов рек, указанных выше, для Обь-Иртышского бассейна для каждого климатического сценария подготовлены прогностические ряды метеорологических элементов с 3-часовым шагом за период 2000–2070 гг. (методика подготовки таких рядов описана в [3]). При этом основой послужили результаты расчета климатических характеристик, полученные с использованием генератора климатических сценариев MAGICC/SCENGEN [21] и осредненные по ансамблю 16-ти моделей общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО) (таблица). Применение мультимодельного (ансамблевого) подхода обусловлено тем, что, как отмечается в [13], расчеты современного климата и сезонные климатические прогнозы оказываются более успешными, если они усредняются по ансамблю независимых моделей. Кроме того, для повышения точности расчетов прогнозируемых метеорологических полей Обь-Иртышский бассейн был разделен на 20 областей, для каждой из которых получены свои изменения климатических характеристик. Полученные в итоге трехчасовые прогностические метеорологические поля для всех четырех климатических сценариев, наряду с полями исторического периода, позволили провести расчеты характеристик водного режима Обь-Иртышского бассейна с использованием модели SWAP за период с 1967 по 2070 г.

Таблица. Модели общей циркуляции атмосферы высокого разрешения, использованные в работе модельного комплекса SCENGEN

Расшифровка аббревиатуры (страна)

Hadley Centre Unified Model 2 Transient Ensemble-mean (UK)

Источник