Актуальность исследования. На европейской части России (ЕЧР) проживает более 75% всего населения страны. В то же время водные ресурсы этого региона ограничены и распределены весьма неравномерно, что предъявляет повышенные требования к эффективности управления ими. Большое значение имеют происходящие в последние десятилетия изменения стока  рек  ЕЧР,  что нашло свое отражение в работах ряда авторов (В.Ю. Георгиевский, Н.И. Коронкевич, Н.Л. Фролова, Р.Г. Джамалов, С.А. Журавлев, М.В. Болгов, В.И. Бабкин, П.М. Лурье и др.). Научную основу изучения изменения речного стока составляет уравнение водного баланса. При этом компонентой водного баланса, определяемой наиболее точно, является сам речной сток. Это делает необходимым поиск таких методов расчета элементов водного баланса, которые, с одной стороны, давали бы приемлемую точность для задач гидрологии, а с другой основывались бы на доступных данных, покрывающих достаточно длительный период. Влияние изменения климата на сток рек ЕЧР неоднозначно. Так, вместе с ростом осадков происходит рост потенциального испарения, а рост зарегулированности стока в результате роста температуры воздуха сопровождается ростом экстремальности осадков. Это делает актуальной оценку вклада отдельных составляющих в изменение режима речного стока. Происходящие изменения режима осадков, испарения и речного стока неизбежно приводят к изменению в режиме бассейновых влагозапасов, что делает гипотезу об их неизменности для решения ряда задач неприемлемой и ставит вопрос изучения их многолетней динамики и влияния на другие составляющие водного баланса речных бассейнов.

Степень разработанности темы. В настоящий момент для ЕЧР произведена оценка изменения величин речного стока и осадков за последние десятилетия [Второй оценочный …, 2014; Сперанская, Цыценко, 2017], есть некоторые оценки величин испарения, испаряемости и их изменчивости [Зубенок, 1976; Гусев, 1996; Сперанская, 2016; Сперанская, Цыценко, 2017], исследована динамика запасов воды в снежном покрове [Попова и др., 2014], в меньшей степени подземных и почвенных вод [Водные ресурсы …, 2008; Зверяев, Архипкин, 2017]. Подробно проблема антропогенного воздействия на водный сток рек ЕЧР изложена в монографии «Водные ресурсы России и их использование» (2008), а для бассейнов Волги и Дона – в работах ИГ РАН [Георгиади и др., 2014]. Статистические особенности полей метеоэлементов рассмотрены в работах Р.Л. Кагана, Л.С. Гандина, А.А. Исаева и многих других авторов.

Основной упор в работах, посвященных изменению речного стока в современный период [Водные ресурсы …, 2008; Георгиевский и др., 2014; Современные ресурсы …, 2015; Калюжный, Лавров, 2012], делается на изменение стока зимней межени и половодья, а основным триггером выступает изменение температуры воздуха. Меньшее внимание уделяется изменению режима осадков и испарения. Вопрос оценки изменения бассейновых влагозапасов зачастую ограничивается анализом наблюдений на водно- балансовых станциях или вовсе игнорируется.

Объект исследования – составляющие водного баланса речных бассейнов европейской части России.

Отметим, что в работе рассматривается водный баланс основной территории ЕЧР, без арктических островов и Калининградской области. Также за рамки исследования выведен водный баланс Крымского полуострова в связи с недостатком данных наземных наблюдений для этой территории.

Внимание!

Если вам нужна помощь с академической работой, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 экспертов готовы помочь вам прямо сейчас.

Расчет стоимости Гарантии Отзывы

Предмет исследования – пространственно-временная изменчивость составляющих водного баланса ЕЧР за период 1945–2014 гг. и связи между его отдельными характеристиками.

Цель работы – выявить и обобщить пространственно-временные закономерности изменений составляющих водного баланса речных бассейнов ЕЧР, а также проанализировать и количественно оценить вклад различных факторов в эти изменения.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

  1. В соответствии с имеющейся исходной информацией и степенью изученности темы подобрать параметры, наиболее полно отражающие основные черты изменчивости водного баланса и его отдельных составляющих.
  2. Оценить точность расчета отдельных составляющих водного баланса.
  3. Построить комплекс карт, отражающих основные черты изменения водного баланса ЕЧР за 1945–2014 гг., выявить пространственно-временные закономерности этих изменений.
  4. Провести оценку влияния отдельных составляющих на изменение некоторых характеристик водного режима рек ЕЧР.
  5. Оценить влияние бассейновых влагозапасов на другие составляющие водного баланса.

Основные защищаемые положения:

  1. Данные проекта GRACE по бассейновым влагозапасам более точные, чем данные глобальных моделей, входящих в Global Land Data Assimilation System (GLDAS). Анализ составляющих водного баланса в холодный период года на основе данных GRACE показал, что измеренная величина твердых осадков систематически занижена в среднем на 23.2%. Величина измеренных твердых осадков, исправленных по методике ГГО, занижена на 4%.
  2. За 1945–2014 гг., с учетом существенных региональных различий, на ЕЧР произошла интенсификация гидрологического цикла, проявившаяся в росте величин осадков, речного стока, испарения и потенциального испарения. При этом распределение осадков внутри теплого сезона стало менее равномерным, а речного стока внутри года, напротив, более равномерным.
  3. Установлено, что в изменение величины годового стока основной вклад (>60%) внесло изменение слоя годовых осадков. Выявлено изменение неравномерности стока летней межени, преимущественно в сторону увеличения. Для ряда речных бассейнов показано, что бóльший вклад в это изменение вносит рост величины подземного стока на начало летней межени.
  4. Показано, что, несмотря на пространственную неоднородность процессов формирования стока, средняя для всего бассейна величина влагозапасов во многом определяет величину расхода воды за бесснежный период.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в комплексном обобщении изменений основных характеристик водного баланса ЕЧР с учетом имеющегося массива наземной информации, данных реанализа и дистанционного зондирования; в совокупности методологических подходов, которые позволили оценить вклад различных составляющих в изменение водного режима рек; в проведенной оценке точности определения отдельных составляющих водного баланса для ЕЧР; в количественной оценке связи между бассейновыми влагозапасами, расходами воды и потенциальным испарением.

Практическая значимость работы. Проведенная  оценка систематической ошибки осадков холодного периода может быть использована в моделях формирования снежного покрова, а также для валидации осадкомерных приборов. Оценка точности бассейновых влагозапасов по данным проекта GRACE позволит определить области их возможного применения. Построенные карты изменения речного стока и ряда его характеристик могут быть использованы для расчета различных параметров в слабоизученных районах, где нет достаточно длительных рядов наблюдений. Проведенный анализ изменения бассейновых влагозапасов на ЕЧР позволяет определить районы вероятных маловодий, в силу выявленного влияния бассейновых влагозапасов на речной сток.

Степень достоверности и апробация результатов. Результаты диссертационного исследования докладывались на конференциях IGU (Москва, 2015), 33rd International Geographical Congress (Пекин, 2016); GRACE Science Team Meeting – 2016 (Потсдам, 2016), European Geosciences Union General Assembly (Вена, 2017, 2018), MARESEDU – 2017 (Москва, 2017),

всероссийских конференциях «Речной сток: пространственно-временная изменчивость и опасные гидрологические явления» (Москва, 2014), «Научное обеспечение реализации Водной стратегии Российской Федерации на период до 2020 г.» (Петрозаводск, 2015), «Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов» (Москва, 2015), «Гидрометеорология и экология: научные и образовательные достижения и перспективы развития» (Санкт-Петербург, 2017), «Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность» (Москва, 2017); на семинарах гидрологической комиссии РГО (2017) и кафедры гидрологии суши МГУ (2017).

Публикации. Автором опубликовано 15 печатных работ, в том числе 6 в журналах, определенных положением о присуждении ученых степеней в МГУ имени М.В. Ломоносова.

Личный вклад автора. Все результаты работы, за исключением анализа изменения речного стока, представленного в [Атлас возобновляемых…, 2014], выполнены автором лично.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 196 источников. Работа изложена на 141 странице текста, включает 42 рисунка и 15 таблиц. Список литературы включает 84 работы на русском языке и 112 работ на иностранном.

Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры гидрологии суши географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова за помощь и поддержку, Р.Г. Джамалову и В.М. Морейдо (ИВП РАН) за помощь в работе с базой гидрологических и метеорологических и данных.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, состояние изученности темы, изложены цель и задачи исследования, научная новизна, практическая значимость и вклад автора в работу, указаны положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы, о структуре диссертации.

В первой главе «Водный баланс речных бассейнов, его структура и методы изучения» рассматривается структура водного баланса речного бассейна, метод водного баланса и методы расчета и измерения величин элементов водного баланса (ЭВБ).

Расчет изменения величин ЭВБ за многолетний период имеет ряд сложностей. Оценка изменения речного стока в некотором створе дает интегральную характеристику для всего бассейна, без возможности пространственной дифференциации. Исходя из этого, для годовых и сезонных величин стока нами использован подход, когда определяется их изменение на участке между створами. При анализе изменения речного стока рассматривались лишь незарегулированные реки, испытывающие незначительное антропогенное воздействие. Основной проблемой при определении изменения величины осадков является наличие систематической ошибки в их рядах, связанной со сменой методики измерения, и недостаточно густая сеть метеостанций. Физически обоснованный расчет величин испарения и потенциального испарения (РЕТ) требует знания ряда характеристик, не определяемых на большинстве метеостанций. Для определения изменения величины бассейновых влагозапасов существует несколько методов. Один из них реализован в рамках проекта GRACE. В нем используется тот факт, что изменение бассейновых влагозапасов ведет к изменению в гравитационном поле Земли, которое влияет на траектории движения спутников на орбите. После вычета из аномалий гравитационного поля вклада притяжения Луны, Солнца, циркуляции атмосферы и океана, а также движения масс в мантии и земной коре получается величина влагозапаса, выраженная в миллиметрах слоя воды [Зотов и др., 2015].

Во второй главе «Оценка составляющих водного баланса на основе современной наземной и дистанционной гидрометеорологической информации» приведены сведения об используемой информации, ее предварительной обработке и точности. В работе использовались среднесуточные величины осадков, температуры воздуха и дефицита влажности воздуха (705 метеостанций), месячные суммы осадков с  устраненной систематической ошибкой (108 метеостанций), среднемесячные (порядка 350 постов) и среднесуточные (27 постов) величины расходов воды. Для зарубежных частей бассейнов Дона, Невы и Урала величины осадков и потенциального испарения рассчитывались по данным UEA CRU [Harris et al., 2014]. Информация по запасу воды в снежном покрове была взята по данным снегомерных маршрутов (284), запасов воды в почве – по данным ERA-Interim и суммарных влагозапасов по данным GRACE.

Была проведена оценка систематической ошибки измеренных среднемесячных осадков холодного периода, откорректированных и неоткорректированных по методике ГГО [Богданова и др., 2002]. Ошибка рассчитывалась по уравнению водного баланса (1). При этом использовались измеренные величины R, рассчитанные по дефициту влажности воздуха величины E и данные о TWS по GRACE. В среднем величина осадков холодного периода, рассчитанная по методу водного баланса, оказалась на 23.2% больше измеренных. Откорректированные суммы осадков холодного периода показали меньшую величину систематической ошибки – 7.4%.

Для более детального анализа изменения режима осадков теплого периода (апрель–октябрь) были использованы суточные величины. При этом для данных до 1966 г. были введены поправки на смачивание (смена осадкомерного прибора для жидких осадков не существенна, а доля твердых осадков мала). Чтобы определить, сколько раз за сутки в среднем вводятся поправки (в дни, когда осадки выпадали), мы воспользовались данными срочных наблюдений за 1986–2014 гг. Эта величина была умножена на 0.1 мм для твердых осадков и 0.2 мм для жидких и прибавлена к суточным величинам осадков.

Для выбора источника данных по TWS было проведено сравнение величины TWS по GRACE и по глобальным моделям, входящим в GLDAS (Global Land Data Assimilation System), с таковыми, полученными с помощью модели ECOMAG (Ecological Model for Applied Geophysics) И.Н. Крыленко за 2002–2014 гг. для бассейна Печоры (створ с. Оксино) и за 2002–2015 гг. для бассейна Северной Двины (створ с. Усть-Пинега). Для оценки точности данных TWS использовались четыре критерия: величина систематической ошибки (мм), величина случайной ошибки (мм), коэффициент эффективности Нэша – Сатклиффа и близость распределения ошибки к нормальному по тесту Шапиро–Уилка. По всем четырем показателям GRACE показал лучшие результаты, практически не имея систематической ошибки, и со случайной ошибкой, на десятки процентов меньшей, чем модели GLDAS.

Сравнение 9 различных архивов данных GRACE показало, что величина среднеквадратического отклонения ( , см) между ними тесно связана с площадью водосбора и аппроксимируется логарифмической зависимостью с коэффициентом  детерминации   0.86.   Какой-либо   зависимости   величины  от величины влагозапасов (положительных, отрицательных или экстремальных значений) выявлено не было, т.е. расхождение между архивами данных о влагозапасах не зависит от самих величин влагозапасов. Это дало основание предположить, что и ошибка определения влагозапасов по GRACE не зависит от их конкретных величин и потому может быть определена лишь по данным за холодный период. Основываясь на уравнении водного баланса для холодного периода, для ряда речных бассейнов была рассчитана ошибка определения TWSC по GRACE. При этом был учтен вклад ошибки определения средних по территории водосбора осадков по данным наземных наблюдений (согласно [Гандин, Каган, 1976]). Так же, как для величины среднеквадратического отклонения между архивами, величина ошибки GRACE убывает с ростом площади. Средняя ошибка определения изменения бассейновых влагозапасов  за два и более месяцев (TWSC) составила 14.9 мм, с минимальной величиной в бассейне Дона – х. Беляевский (11 мм) и максимальной в бассейне Волги –       г. Старица (20 мм).

Третья глава «Пространственно-временная изменчивость составляющих водного баланса». Был проведен обзор литературы, посвященной вопросу изменения ЭВБ. Показано, что изменение климата, особенно в средних и высоких широтах северного полушария, проявляет себя в росте величин Р, R и E. При этом рост концентрации СО2, уменьшение скорости ветра, рост содержания аэрозолей (до 1990-х гг.) являются факторами уменьшения E и РЕТ [Huntington, 2006; IPCC, 2014]. Внутригодовое распределение стока стало более равномерным на реках со снеговым питанием и несколько менее равномерным на реках с дождевым питанием. Помимо направленного изменения водного баланса существуют квазициклические изменения, связанные с особенностями циркуляции атмосферы и геофизическими факторами.

В разделах 3.3–3.5 был проведен анализ изменения некоторых характеристик осадков, испарения, потенциального испарения и речного стока на ЕЧР за 1978–2014 гг. по сравнению с 1945–1977 гг. по методике, изложенной в [Frolova et al., 2017; Фролова и др., 2017a]. В целом для ЕЧР за 1978–2014 гг. по сравнению с 1945–1977 гг. произошел рост слоя годовых осадков (рис. 1). Уменьшение слоя осадков (более чем на 3%) наблюдается лишь на севере ЕЧР и на юге Урала. Наибольший рост (свыше 9%) имеет место на юге бассейна Дона, на севере бассейна Камы, в бассейне Волги между Казанью и Саратовом, некоторых районах Кубани, Терека, запада ЕЧР и Кольского полуострова.

Изменение P на большей части ЕЧР составило 3–9%. Для севера ЕЧР значимыми по критерию Стьюдента (p-value < 5%) являются изменения, превышающие 7–8%, а для юго-востока ЕЧР – 10–12%. Однако изменчивость слоя осадков для территории меньше, чем в отдельной точке, и, соответственно, значимыми можно считать и меньшие изменения слоя осадков [Фролова и др., 2017].

Скидка 100 рублей на первый заказ!

Акция для новых клиентов! Разместите заказ или сделайте расчет стоимости и получите 100 рублей. Деньги будут зачислены на счет в личном кабинете.

Узнать стоимость Гарантии Отзывы

Для характеристики неравномерности выпадения осадков мы  использовали среднюю абсолютную разность (mean absolute difference – MD), представляющую собой среднюю величину разницы между всеми членами ряда, и относительную среднюю абсолютную разность (relative mean absolute difference – RMD).

На большей части ЕЧР наблюдается рост как абсолютной (рис. 2а), так и относительной неравномерности осадков (рис. 2б). Пространственная структура изменения MD осадков теплого периода (MDос) близка к таковой для изменения слоя годовых осадков. RMDос выросла практически на всей территории ЕЧР, с максимумом на северо-западе (до 3%). На юге и востоке ЕЧР величина роста RMDос меньше и для некоторых районов Кавказа уже становится отрицательной (>-1%).

Еще тремя важными характеристиками режима осадков теплого периода являются их средняя интенсивность, максимальная интенсивность за сутки и количество дней с осадками. Средняя интенсивность осадков теплого периода увеличилась практически на всей ЕЧР, в диапазоне 0–5% севернее 60° с.ш. и 5– 10% южнее 60° с.ш. Увеличение максимальных суточных осадков пространственно неоднородно. Для более, чем 50% территории ЕЧР рост составил более 5%, местами превышая 15%. В то же время для 13.5% станций имело место снижение максимальных суточных осадков более, чем на 5%. Количество дней с осадками в целом для ЕЧР снизилось, увеличившись для района Кавказа, северо-востока ЕЧР, Кольского полуострова и севера Карелии. Тенденция к росту средней интенсивности осадков, максимальных суточных осадков и количества дней без осадков характерна и для периода после 1976 г.

Для периода 1956–2014 гг. (с 1956 г. количество станций мало менялось) была проанализирована степень пространственной связанности обеспеченностей осадков в различных градациях, через связь с изменчивостью (во времени) площадей аномалий осадков. Было выявлено, что 1) для зимнего периода изменчивость площадей аномалий больше, чем в летний период; 2) изменчивость площадей отрицательных аномалий осадков (Р > 80%) больше, чем положительных (P < 20%) и 3) изменчивость площадей экстремальных осадков больше, чем близких к медиане.

Величины испарения рассчитывались для ряда крупных водосборов за 1945–1977 гг. и 1978–2014 гг. (табл. 1). При расчете учитывались потери воды на заполнение Ириклинского водохранилища на р. Урал (3.3 км3) и Цимлянского водохранилища на р. Дон (24 км3), а также переброска стока по каналу имени Москвы для р. Оки.

Таблица 1. Годовые величины осадков, речного стока и испарения для ряда водосборов за 1945–1977 гг. (1) и 1978–2014 гг. (2) (мм) и их изменение Δ, в %.

*Участок между створами х. Беляевский и ст. Раздорская.

В среднем для 10 рассмотренных речных водосборов, чья суммарная площадь составляет 1.88 млн км2, слой испарения за 1978–2014 гг. по сравнению с 1945–1977 гг. вырос на 10 мм, слой осадков – на 22 мм, а слой стока – на 12 мм. Максимальный рост Е (> 3%) произошел в бассейнах рек запада ЕЧР (Невы, Оки, Дона). Сильней всего Е сократилось в бассейне Мезени. На водосборах севера и востока ЕЧР, а также в бассейне Оки произошел рост коэффициента стока [Фролова и др., 2017].

Сравнение величин РЕТ до и после 1977 г. показало, что практически на всей территории ЕЧР произошел рост в пределах 3% (рис. 3). Статистический анализ рядов РЕТ показал, что наиболее вероятной датой начала направленного роста РЕТ является 1977 г. (с 1961 г. на северо-востоке ЕЧР до 1993 г. на юге и востоке). Однако в среднем для ЕЧР рост дефицита влажности воздуха (важнейшего фактора формирования РЕТ) начался лишь в 1989–1990 гг. Линейный тренд РЕТ за 1976–1993 гг. описывает лишь 3% дисперсии ряда, в то время как за 1994–2014 гг. – уже 40%. Исходя из этого, а также из динамики величин скорости ветра и прямой солнечной радиации на ЕЧР [Доклад об особенностях …, 2017], можно заключить, что направленный рост РЕТ на ЕЧР начался лишь в середине 1990-х.

Анализ изменения годового речного стока за 1945–2010 гг. на уровне речных бассейнов, проведенный с участием автора, представлен в работах [Атлас возобновляемых …, 2014; Джамалов и др., 2016]. Наибольшее увеличение годового стока (≈15–30%) произошло в бассейнах Верхней Волги, Камы и ряда рек запада ЕЧР (Западная Двина, Великая, Ловать, Нарва), где, как и в верховьях Северной Двины и Печоры, они значимы по критерию Стьюдента (p-value < 5%). К северу и югу от этой полосы рост величины стока становится близким к 0. Для рек Кавказа характерен рост величины стока в широком диапазоне 5–50%. Однако из-за пропусков в рядах наблюдений и существенной антропогенной нагрузки в этом регионе достоверность выводов об изменении стока не так высока, как для остальной территории ЕЧР.

Для оценки вклада изменения P и РЕТ в изменение стока мы воспользовались формулой П. Шрайбера (4), рассчитав частные производные по P и РЕТ и умножив их на приращения соответствующих аргументов за два периода.

Доля вклада изменения осадков в изменение речного стока показана на рис. 4. На большей части ЕЧР вклад изменения P составил более 80%. Области, где доля осадков составляет менее 60% (бассейн Невы, Онеги, Верхней Волги), соответствуют областям, где величина осадков изменилась  меньше  всего, а величина потенциального испарения – больше всего.

В результате перераспределения речного стока между сезонами (уменьшение в половодье и рост в межень) внутригодовое распределение стока стало более равномерным [Джамалов и др., 2016]. Как и для осадков, в качестве показателя неравномерности мы использовали MD, причем для расчета брались среднемесячные расходы за весь год. В итоге для большей части рек севера  ЕЧР неравномерность стока внутри года (MDгод) практически не изменилась (±10%). Исключение составляют юг бассейна Печоры и север бассейна Камы – там наблюдается рост в 5–15%. В более южных районах (бассейны Оки, Верхней Волги, Урала, южная часть бассейна Камы) MDгод сократился на 10– 20%, хотя на отдельных водосборах наблюдается рост. Сильнее всего MDгод уменьшился в бассейне Дона и Нижней Волги – более чем на 30% [Григорьев и др., 2018]. Для рек Кавказа картина пестрая, и имеющейся информации недостаточно, чтобы определить направленность изменения в этом регионе.

Существуют и изменения в неравномерности стока летней межени. За летнюю межень  был  выбран  период  с  июля  по  октябрь  (помимо  створов  с. Усть-Пинега на Северной Двине и с. Усть-Цильма на Печоре). Расчет производился для 27 водосборов по суточным данным. Для северных рек (в т.ч. Карелии и Кольского полуострова) характерно уменьшение неравномерности стока, особенно заметное на реках Мезень и Северная Двина, где оно составило 25%. Напротив, для многих рек бассейна Верхней Волги и Оки наблюдается рост неравномерности стока, максимальный для р. Оки в створе г. Муром, где он составил 49%. Увеличилась неравномерность летнего меженного стока и в бассейне р. Камы. На р. Вятка в створе г. Вятские Поляны рост составил 38%, а на р. Чепца в створе г. Глазов – 67%. В бассейне Дона, вероятно, имеет место некоторый рост неравномерности стока летней межени, хотя рост MD на реках Дон – ст. Казанская (94%) и Хопер – х. Бесплемяновский (77%) во многом может быть обусловлен антропогенным воздействием или ошибками в исходных данных. Всего на 9 из 27 рассмотренных створов произошло уменьшение MD, и лишь на одном из них оно значимо на 5% уровне. Рост MD зафиксирован на 18 створах, причем на 5 из них он значим на 5% уровне. Для RMD стока летней межени картина обратная – сокращение на 21 створе и рост на 6 [Фролова и др., 2017].

Для девяти створов, по данным за второй период, когда сток межени может считаться условно стационарным, были получены регрессионные зависимости между MD стока межени, MD осадков за период межени и величиной подземного стока на начало межени. Умножив коэффициенты линейной регрессии этих зависимостей на приращение MD осадков и подземного стока за два периода, мы получили их вклад в изменение MD стока межени. На 7 из 9 створов вклад изменения подземного стока на начало межени оказался больше, чем вклад изменения MD осадков. Скорее всего основной причиной роста MD стока летней межени послужило увеличение подземного стока на начало летней межени и более интенсивный спад запасов подземных вод при отсутствии питания в летний период. Снижение относительной неравномерности стока (RMD) связано с тем, что на фоне увеличения подземного питания паводочный сток стал менее ярко выражен.

Обзор литературы показал, что во второй половине XX в. на ЕЧР произошел рост запасов подземных вод (на 75–195 мм) и влажности почвы (в среднем на 50 мм). По данным снегомерных съемок в поле за 1966–2015 гг., максимальный запас воды в снежном покрове (SWEmax) в среднем для ЕЧР вырос на 10 мм, а по маршрутам в лесу сократился на 12 мм. Более детально была рассмотрена динамика минимальных (TWSmin) и максимальных за год бассейновых влагозапасов (TWSmax) по данным GRACE, максимальной и минимальной влажности почвы по данным реанализа ERA-Interim (SWCmin и SWCmax) и SWEmax за 2002–2015 гг.

При относительном постоянстве времени наступления TWSmax (март–май)  и TWSmin (август–октябрь) сами их величины претерпели некоторые изменения, затронувшие главным образом юг ЕЧР. Наиболее значимое снижение TWSmin произошло в бассейне Дона (в меньшей степени в бассейне Хопра и Медведицы) и Кубани, где оно превысило 15 мм/год. Области понижения максимальных влагозапасов на ЕЧР во многом совпадают с таковыми для минимальных влагозапасов. Примечательно, что в отличие от остальной части ЕЧР, на юге Урала и частично в Поволжье темпы спада TWSmax больше, чем TWSmin.

В целом за 2002–2015 гг. величина SWEmax, тесно связанная с формированием максимальных влагозапасов, не изменилась. На северной половине ЕЧР, как для лесных, так и для полевых маршрутов, SWEmax уменьшался на 1–5 мм/год, а на южной половине рос, также на 1–5 мм/год. Картина изменения SWCmax и SWCmin близка к таковой для TWS – незначительные изменения на севере и снижение на юге. Снижение минимальных за год запасов воды в почве (SWCmin) в районах максимального спада TWSmin не превышает 5 мм/год. Так, для бассейна Дона снижение TWSmin не более чем на 30% обусловлено снижением SWCmin. Скорость спада SWCmax уже существенно больше и для бассейнов Дона, Нижней Волги и района Кавказа объясняет уже более 50–70% уменьшения TWSmax [Grigoriev, Frolova, 2018].

Четвертая глава «Использование данных о бассейновых влагозапасах для оценки составляющих водного баланса». Величина бассейновых влагозапасов во многом определяет величину расхода воды. Для аппроксимации этой зависимости были выбраны степенная и линейная функции.

В качестве данных для построения зависимости использовались сглаженные среднемесячные значения M и TWS (методом скользящего среднего с шириной окна в два месяца) с июля по октябрь. Поскольку GRACE предоставляет только аномалию величины TWS в прямом виде, для определения параметров степенной зависимости они использованы быть не могут.

Исходя из анализа данных, было принято допущение, что при соблюдении условия TWS – min (TWS 2002–2016) < -200, величина стока становится равной нулю. Для каждого бассейна из ряда TWS было вычтено минимальное за весь период наблюдений значение и прибавлено 200 мм.

Нужна работа? Есть решение!

Более 70 000 экспертов: преподавателей и доцентов вузов готовы помочь вам в написании работы прямо сейчас.

Расчет стоимости Гарантии Отзывы

Сравнение точности полученных зависимостей M = f(TWS) в виде степенной (7) и линейной (8) функции показало близкие результаты. В среднем для 31 створа (выбирались незарегулированные створы с максимальной площадью водосбора с минимальным количеством пропусков) для периода июль–октябрь степенные зависимости показали D=56.2% (errотн = 18.1%), а линейные – 55.4% (errотн = 18.7%). Наибольшие значения D и минимальные errотн получились для створов р. Дон – х. Беляевский, р. Дон – ст. Казанская и р. Ока – г. Муром, где D превысил 80%, а errотн составила менее 10%. Одной из причин наиболее удовлетворительной аппроксимации на этих створах является значительный, в сравнении с реками севера ЕЧР, размах колебаний TWS, превышающий ошибку определения TWS в 5–10 раз [Grigoriev, Frolova, 2018].

Параметр aлин (8) определяет, на сколько увеличивается величина модуля стока при увеличении TWS на 1 мм. Соответственно, для водосборов с большими величинами aлин изменчивость бассейновых влагозапасов (σTWS) будет меньше. Так, при использовании логарифмической зависимости коэффициент детерминации между σTWS и aлин составил более 83% (рис. 6) [Grigoriev, Frolova, 2018].

Коэффициент aлин имеет тенденцию к уменьшению с севера на юг в связи с ростом глубины залегания грунтовых вод.

Для характеристики точности построенных зависимостей использовался коэффициент   детерминации (D). Мы сравнили полученные по величины D с таковыми, полученными еще более простым методом, по зависимости расходов воды за месяцы с мая (июня) по ноябрь от величины расходов воды в мае (июне) за аналогичный период.

Практически на всех участках кривых прослеживается уменьшение D при росте  заблаговременности  прогноза.  Исключение составляет прогноз по, который в среднем более точный, чем прогноз по Оценка ошибок полученных зависимостей за вычетом вклада ошибки данных GRACE показывает, что в среднем, при наличии точных значений TWS, коэффициенты детерминации полученных зависимостей были бы на 0.1 больше при заблаговременности в один месяц. С ростом заблаговременности прогноза разница становится менее существенной. Сравнение показало, что в среднем прогноз расхода воды по данным за май более точен при использовании TWS в качестве предиктора. Так же TWS более эффективен в качестве предиктора при заблаговременности прогноза в два месяца.Так, зависимость показала результаты лучше, чем зависимость на 17 из 18 водосборов, а –  на 15  из 18 по  сравнению с. Однако при росте заблаговременности прогноза зависимость начинает показывать лучшие результаты.

Бассейновые влагозапасы, содержащиеся в зоне наиболее активного тепло- влагообмена с атмосферой – почве, могут влиять на величину потенциального испарения и осадков. Влажность почвы уменьшает величину PET за счет уменьшения внутрисуточной амплитуды колебаний температуры воздуха, что за счет нелинейной связи влажности насыщения от температуры воздуха приводит к уменьшению дефицита влажности воздуха [Найденов, 2004]. Также в зависимости от влажности почвы происходит перераспределение потоков явного и скрытого тепла [Кислов и др., 2015]. Мы рассчитали коэффициент корреляции между влажностью почвы и дефицитом влажности воздуха (rдеф). Данные по влажности почвы брались за последний день месяца, по дефициту влажности воздуха – за последующий месяц. Таким образом, проверялось, насколько сильно влажность почвы влияет на величину потенциального испарения в течение целого месяца. Дефицит влажности воздуха был рассчитан по данным станционных наблюдений, а влажность почвы в верхнем метровом слое взята из реанализа ERA-Interim. Расчет производился за месяцы с мая по октябрь (влажность почвы бралась, соответственно, за последний день апреля– сентября) за 1979–2014 гг. Построенные карты представлены на рис. 8.

Воздействие влажности почвы на дефицит влажности воздуха наиболее заметно в июле–августе, а на востоке, юго-востоке ЕЧР и в октябре. На большей части европейской территории России rдеф за июль–август составляет менее -0.4, местами опускаясь ниже -0.6.

Влияние влажности почвы на осадки осуществляется через два основных механизма. Первый – механизм возобновления, когда атмосферные осадки выпадают из влаги, испарившейся с той же территории, на которую они выпадают. Второй механизм – это перехват адвективной влаги, выражающийся через коэффициент перехвата осадков, равный доли влаге адвективного происхождения, выпавшей в виде осадков, в общем потоке влаги, проходящем через данную территорию [Li et al., 2016].

Для проверки значимости вклада изменения влажности почвы в изменение осадков была проделана процедура, аналогичная проведенной для дефицита влажности воздуха, с той разницей, что влажность почвы бралась в верхнем 28 см слое. Однако на ЕЧР во все месяцы величина коэффициента корреляции между влажностью почвы и величиной осадков не превышает 0.4, а значительные по площади области существуют лишь для rос > 0.2.

В заключении приведены основные результаты диссертационного исследования, сформулированы выводы работы.

1. Сравнение рассчитанных и измеренных осадков холодного периода показало, что измеренные осадки занижены в среднем на 23.2%. Откорректированные по методике ГГО величины осадков занижены в среднем на 7.4%. Выявлено, что данные проекта GRACE по бассейновым влагозапасам более точные, чем данные глобальных моделей, входящих в систему GLDAS. В сравнении с ними данные GRACE практически не имеют систематической ошибки, а случайная ошибка меньше на десятки процентов.

2. Основным фактором, определяющим ошибку определения величины влагозапасов и величину расхождения между различными центрами обработки для данных GRACE для какой-либо территории, является ее площадь. Ошибка определения величины изменения бассейновых влагозапасов для ряда средних и крупных водосборов составила 12–20 мм.

3. На большей части европейской территории России норма годового слоя осадков за второй период (1978–2014 гг.) по сравнению  с  первым  (1945–  1977 гг.) увеличилась на 3–9%. Вместе с тем, имеются области роста осадков более, чем на 9% и области уменьшения слоя осадков более, чем на 3%. За этот же период увеличились такие показатели неравномерности и экстремальности осадков теплого периода, как средняя абсолютная разность (MD), относительная средняя абсолютная разность (RMD), средняя интенсивность осадков, максимальные суточные осадки и количество дней без осадков. Тенденция к росту средней интенсивности осадков, максимальных суточных осадков и количества дней без осадков характерна и для периода после 1976 г.

4. На примере 10 крупных речных бассейнов показано, что на севере и востоке ЕЧР существенного (более, чем на 3%) изменения слоя испарения за второй период по сравнению с первым не произошло. Исключение составляет бассейн Мезени (выше створа д. Малонисогорская), где сокращение составило порядка 17%. На западе ЕЧР (бассейны Дона, Оки, Невы) слой испарения вырос от 3 до 9%. На всех рассмотренных бассейнах, помимо бассейнов рек Дона и Невы, произошел рост коэффициента стока. Показано, что во второй период величина потенциального испарения была в среднем на 0–3% больше, чем за первый период. При этом направленный рост потенциального испарения начался лишь с середины 1990-х гг.

5. Рост годового слоя стока составил 15–30% в средней полосе России (бассейны Верхней Волги и Камы), уменьшаясь к северу и югу до 0%. Практически на всей ЕЧР вклад осадков в изменение годового стока превышает вклад потенциального испарения. Уменьшение абсолютной неравномерности сезонного стока (MDгод) произошло лишь южнее 58–60° с.ш., достигая для некоторых бассейнов Дона и Нижней Волги 50%. На многих реках ЕЧР произошло увеличение абсолютной неравномерности стока летней межени (MD) и уменьшение относительной неравномерности (RMD). Вероятно, главной причиной этих изменений является рост подземного питания на начало летней межени.

Нужна работа? Есть решение!

Более 70 000 экспертов: преподавателей и доцентов вузов готовы помочь вам в написании работы прямо сейчас.

Расчет стоимости Гарантии Отзывы

6. Существенной чертой изменения бассейновых влагозапасов во второй половине XX в. является поднятие уровня грунтовых вод в 1970-х – 1980-х гг. В XXI в. на северной половине ЕЧР изменения влагозапасов не произошло, в то время как для южной половины произошло сокращение, достигающее 200 мм на части бассейна Дона и Кубани. Основным источником снижения минимальных за год влагозапасов (за 2002–2015 гг.), вероятно, стали подземные воды, в то время как в снижении максимальных за год влагозапасов существенная роль могла принадлежать почвенным водам.

7. Среднемесячные величины расходов воды за июль–октябрь (бесснежный период) тесно связаны с величиной бассейновых влагозапасов за этот же период. Аппроксимация этой зависимости степенной и линейной функцией дает близкие результаты. Показано, что изменчивость величины бассейновых влагозапасов за июль–октябрь зависит от особенностей водосбора, определяющих, насколько быстро растет величина расхода воды при росте бассейновых влагозапасов.

8. Использование данных по бассейновым влагозапасам для прогноза речного стока с заблаговременностью в два месяца может дать лучшие результаты по сравнению с прогнозом на основе предыдущих величин стока. Повышение точности данных о бассейновых влагозапасах, вероятно, не приведет к значительному росту точности регрессионной зависимости между величинами речного стока и влагозапасов.

9. Для бóльшей части европейской территории России в летние месяцы существует зависимость между величинами влажности почвы и дефицита влажности воздуха с коэффициентами корреляции более 0.4 по модулю. При этом влажность почвы оказывает влияние на дефицит влажности воздуха на протяжении, по крайней мере, одного месяца. Для величины осадков такой связи не прослеживается.

Основные публикации по теме диссертации

Соискатель имеет 15 опубликованных работ, в том числе по теме
диссертации 15 работ, из них 6 статей, опубликованных, в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных для защиты в диссертационном
совете МГУ по специальности:

1. Grigoriev V.Yu., Frolova N. L. Terrestrial water storage change of European Russia and its impact on water balance // Geography, Environment, Sustainability. 2018. vol. 11. № 1. pp. 38–50.
2. Зотов Л.В., Фролова Н.Л., Григорьев В.Ю., Харламов М.А. Использование спутниковой системы измерения поля гравитации (GRACE) для оценки водного баланса крупных речных бассейнов // Вестник Московского университета. Серия 5. География. 2015. № 4. С. 27–33. (impact factor JCR = 0.107)
3. Джамалов Р. Г., Фролова Н.Л., Бугров А.А., Григорьев В.Ю., Киреева М.Б., Рец Е.П., Сафронова Т.И., Телегина А.А., Телегина Е.А. Оценка возобновляемых водных ресурсов Европейской части России и пространственно-временной анализ их распределения // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2016. № 4. С. 18–31. (Импакт- фактор РИНЦ = 0.304)
4. Фролова Н.Л., Белякова П.А., Григорьев В.Ю., Сазонов А.А., Зотов Л.В. Многолетние колебания стока рек в бассейне Селенги // Водные ресурсы. 2017 a. Т. 44, № 3. С. 1–13. (impact factor JCR = 0.388)
5. Frolova N.L., Belyakova P.A., Grigoriev V.Y., Sazonov A.A., Zotov L.V., Jarsjö J. Runoff fluctuations in the Selenga river basin // Regional Environmental Change. 2017. Vol. 17. Pp. 1–12. (impact factor JCR = 2.919)
6. Григорьев В.Ю., Фролова Н.Л., Джамалов Р.Г. Изменение водного баланса крупных речных бассейнов европейской части России // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2018. № 4. С. 36–47. (Импакт-фактор РИНЦ = 0.304)

Разделы в монографиях:

1. Джамалов Р.Г., Фролова Н.Л., Бугров А.А., Григорьев В.Ю., Игонина М.И., Киреева М.Б., Кричевец Г.Н., Рец Е.П., Сафронова Т.И., Телегина А.А., Телегина Е.А., Фатхи М.О. Атлас возобновляемых водных ресурсов Европейской части России. М.: ИВП РАН, 2014. 96 с.
2. Варенцова Н.А., Григорьев В.Ю., Харламов М.А. Динамика климата и его влияние на условия формирования стока рек. В кн.: Водные ресурсы бассейна Дона и их экологическое состояние. М.: ГЕОС, 2017. 204 с.

В других журналах и сборниках:
1. Григорьев В.Ю., Попова Н.О. Оценка возможности применение данных спутникового эксперимента GRACE для исследования водного баланса крупных рек ЕТР // Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность. М., ИВП РАН. 2014. С. 77–84.
2. Григорьев В.Ю. Сравнение запасов воды в снежном покрове по данным снегомерных съёмок и спутниковой системы измерения поля гравитации Земли (GRACE) // Речной сток: пространственно-временная изменчивость и опасные гидрологические явления. М., 2014. С. 179–180.
3. Григорьев В.Ю., Телегина А.А. Влагозапас снежного покрова Европейской части России по данным спутниковой гравиметрии // Сборник научных трудов. т. 1. Научное обеспечение реализации Водной стратегии Российской Федерации на период до 2020 г. Петрозаводск: Карел. НЦ РАН, 2015. С. 122–128.
4. Григорьев В.Ю., Джамалов Р.Г., Фролова Н.Л. Речной сток бассейнов Оки и Дона – его динамика и причины изменения // Вопросы географии. 2018.
№ 145. С. 194–205.
5. Фролова Н.Л., Григорьев В.Ю. Изменение водного баланса европейской части России // Труды VI Международной научно-практической конференции «Морские исследования и образование (MARESEDU-2017)». Труды MARESEDU. ООО «ПолиПРЕСС». Тверь, 2017a. С. 641–645.
6. Фролова Н.Л., Григорьев В.Ю. Изменение составляющих водного баланса европейской части России // Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность. М., ИВП РАН. 2017б. С. 80–82.
7. Фролова Н.Л., Григорьев В.Ю., Зотов Л.В., Киреева М.Б., Магрицкий Д.В. Оценка составляющих водного баланса речных бассейнов России на основе современных наземных и дистанционных данных // Труды Всероссийской конференции «Гидрометеорология и экология: научные и образовательные достижения и перспективы развития». Санкт-Петербург, 2017. С. 266–269.