ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИПМех РАН |
||
Проект направлен на решение фундаментальной научной задачи выявления особенностей формирования речного стока как важнейшей составляющей водного баланса арктических территорий и морей России, его влияния на изменение ледового и термического режима устьевых областей и морских побережий в первой половине XXI в. Несмотря на большое количество отечественных и зарубежных исследований в арктическом регионе, нерешенным остается целый спектр задач. Это задачи, связанные с расчетами и прогнозами водного и теплового стока арктических рек России в моря, их пространственной, многолетней и сезонной изменчивости, оценкой влияния климатических и антропогенных факторов на сток не только крупных, но и малых рек, впадающих в моря Российской Арктики. Cложные гидро- и термодинамические процессы, происходящие непосредственно в устьевых областях рек, а также их ледовый режим, тоже изучены недостаточно полно. Нерешенность этих вопросов ограничивает возможности устойчивого, социально-экономически и экологически безопасного освоения и развития территорий и морских акваторий столь важного региона. Постоянное развитие технологий спутникового мониторинга водного, термического и ледового режима рек и морских побережий, особенно важно для малоизученных и труднодоступных районов арктической зоны России. Их совершенствование требует решения целого ряда методических задач, связанных, во-первых, с их апробацией и внедрением в реальную практику наблюдений и оперативных прогнозов; и, во-вторых, с оценкой точности и достоверности получаемых данных. Проект подразумевает развитие целого ряда направлений, связанных с исследованием основных закономерностей и факторов формирования водного и ледотермического режима рек, впадающих в российские моря Северного Ледовитого океана, в условиях меняющегося климата и крупномасштабной хозяйственной деятельности. Необходимо дать оценку их величины для разных уровней временной дискретности, разработать прогноз их изменений с учетом различных климатических сценариев и водохозяйственных планов, выявить основные закономерности ледового режима рек в современных климатических условиях, изучить взаимодействие речных и морских вод, взаимосвязи теплового стока рек и ледовитости арктических морей. В процессе исследования будут использованы как традиционные методы и подходы, в том числе разработанные участниками проекта, так и современные технологии дистанционного зондирования, анализа гравиметрической информации, математического моделирования, адаптированные под конкретные рассматриваемые объекты и задачи. В результате выполнения Проекта будут получены новые оценки годового и сезонного стока воды и теплоты на замыкающих створах российских рек, впадающих в Белое, Баренцево, Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское и Чукотское моря, и в их устьях. Будут сделаны выводы о характере и причинах пространственной изменчивости и неоднородности в распределении и трансформации речного стока по длине устьевых участков рек и вдоль морских побережий; проведена типизация устьев арктических рек по характеру трансформации в них речного стока, динамическому взаимодействию речных и морских водных масс. Будут созданы современные картографические обобщения характеристик водного и ледотермического режима арктических рек. Важнейшим итогом Проекта будет комплекс методик и рекомендаций по использованию данных дистанционного зондирования состояния речных систем, ледяного покрова, составляющих водного баланса. В результате выполнения Проекта будут разработаны гидродинамические модели с ледотермическим блоком для устьевых областей наиболее крупных рек Российской Арктики, расположенных в различных частях побережья Северного Ледовитого океана. Проведение экспедиционных исследований в устьях крупнейших арктических российских рек позволит получить новые данные об их гидрологическом режиме.
The project is directed for solving the fundamental scientific problem of identifying the features of the river runoff formation as most important component of the water balance in Russian Arctic terrains and seas, as well as its impact on ice and thermal regime of the estuarine regions and seacoasts in the first half of the XXI century. Despite on a large number of efforts undertaken by both Russian and foreign researchers in the Arctic region, a wide range of tasks remains unresolved. They are connected with calculations and forecasts of water and heat transfer from Russian Arctic rivers to the seas, its spatial, long-term and seasonal variability; influence of climatic and anthropogenic factors on the runoff not only of large rivers but also of small streams flowing into the seas of the Russian Arctic. Complex hydro- and thermodynamic processes in the estuaries and their ice regime are also not studied sufficiently. The unresolved nature of these issues limits the opportunities for sustainable development, socio-economically and environmentally safe functioning of territories and marine areas of such an important region. The constant development of technologies for satellite monitoring of water, thermal and ice conditions of rivers and sea coasts is especially important for poorly studied and inaccessible areas of the Arctic zone of Russia. The enhancement of them requires the solution of a number of methodological problems, connected, first, with their testing and implementation for observations and real practice of operational forecasting, and secondly, with an assessment of the accuracy and reliability of the data obtained. The project involves the development of a number of directions of the research of the basic regulations and controls of the runoff, ice and thermal regime of rivers flowing into the seas of the Russian sector of the Arctic Ocean under the conditions of changing climate and large-scale economic activities. It is necessary to assess them for the different temporal ranges, to develop a forecast of their changes according to different climatic scenarios and water management plans, to identify the main patterns of the ice regime of rivers in modern environments, to study the interaction of river and sea water, the relationship of the heat outflow from rivers with the ice cover pattern of the Arctic seas. The research will use both traditional methods and approaches, including those developed by the project participants, as well as modern technologies of remote sensing, analysis of gravimetric information, mathematical modeling, adapted for specific objects and tasks under consideration. As a result of the Project, new estimates will be made for annual and seasonal runoff of water and heat through the mouth cross-sections of Russian rivers flowing into the White, Barents, Kara, Laptev, East Siberian and Chukchi Seas. Conclusions about the nature and causes of spatial variability and heterogeneity in the distribution and transformation of river flow along their lower reaches, estuaries and seashores will be presented; the typification of the Arctic estuaries by the nature of river flow transformation in them and the dynamic interaction of river and marine water masses should be carried out. Modern cartographic generalizations of water and ice-thermal regime characteristics of Arctic rivers will be created. The most important result of the Project will be a set of tools and recommendations for the use of remote sensing data concerning the state of river systems, ice cover, and water balance components. As a result of the Project, hydrodynamic models with incorporated ice-thermal subroutine will be developed for the estuaries of the largest rivers of the Russian Arctic located in different parts of the Arctic Ocean coast. Field research in the largest Arctic Russian estuaries will provide new data on their hydrological regime.
Основными результатами исследований по Проекту станут: 1. Новые оценки годового и сезонного стока воды и теплоты на замыкающих створах российских рек, впадающих в Белое, Баренцево, Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское и Чукотское, и в их устьях. Оценки общего выноса в моря речных вод и теплоты с отдельных участков побережья, включая устья больших рек, и в целом во все моря Российской Арктики. Выводы о характере и причинах пространственной изменчивости и неоднородности в распределении и трансформации речного стока по длине нижних, устьевых участков рек, морских побережий; типизация устьев арктических рек по характеру трансформации в них речного стока. Научная значимость: 1) уточнение вклада стока российских рек в водный и тепловой баланс арктических морей и, в целом, Северного Ледовитого океана; 2) основа для оценки влияния речных вод на процессы распреснения, динамики, нагрева и охлаждения морских вод, ледообразования и др. в прибрежной зоне арктических морей России и, в частности, на акваториях морского судоходства, поиска и добычи газа и нефти, рыболовства и т.п.; 3) основа для возможных расчетов выноса наносов и растворенных веществ в моря. 2. Выводы по закономерностям и факторам сезонной и многолетней изменчивости стока воды и теплоты арктических рек в их низовьях и устьях, с оценками вклада в нее случайных и детерминированных компонентов, климатических изменений (включая изменения в криолитозоне; с общим анализом изменений климата в регионе, роли северо-атлантической и арктической осцилляций) и крупномасштабной хозяйственной деятельности на речных водосборах - крупных гидротехнических сооружений, водопотребления, сбросов теплых вод с крупных ТЭЦ. Оценка вклада подземного, талого, дождевого стока в формирование годового гидрографа за последние 60-80 лет. Прогнозные оценки изменений водного и термического режима рек (на 2-ю четверть и середину XXI в.) с учетом изменения климата. Научная значимость: оценка современных тенденций изменений речного стока и генерируемых ими последствий, например, в отношении ледовых условий и переправ, работы водного транспорта, термоабразии берегов, наводнений и маловодий, водных и околоводных экосистем, корректировки хозяйственных планов по устойчивому и безопасному социально-экономическому развитию арктического региона; использования при настройках идрологических моделей стока рек и др. 3. Новые карты однородных гидрологических районов, параметров стока воды рек и теплового стока в пределах арктической и приарктической территорий России. Эмпирические региональные модели, описывающие зависимости между числовыми характеристиками стока воды и его факторами. Совершенно новые и в своем роде уникальные методические приемы расчета теплового стока, температуры воды для территорий и участков рек без постов, с обоснованием схем расчета, построением карт характеристик термического режима рек, региональных эмпирических зависимостей. Схемы и коэффициенты пересчета стока на замыкающих створах в сток в вершинах устьевых областей и дельт арктических рек и в сток непосредственно в море. Результаты адаптации методов индикационной гидрологии и водного баланса (в т.ч. с использованием данных реанализа) для целей гидрологических расчетов и решения задач Проекта; набор соответствующих регрессионных зависимостей. Научная значимость: планирующиеся методические приемы необходимы, во-первых, для успешного решения научных и фундаментальных задач Проекта, в частности при оценке стока рек не только в створах постов, но и на любом участке арктического побережья и, в целом, в моря, во-вторых, для визуализации (в виде карт) и идентификации пространственных закономерностей изменчивости стока воды и теплоты рек. В-третьих, это важный инструмент, используемый в практике гидрологических и водохозяйственных расчетов, совершенствование которого влечет увеличение точности этих самых расчетов, надежности и эффективности проектируемых сооружений и планируемых мероприятий, снижение рисков и побочных затрат. Эти инструменты не обновлялись для большинства арктических территорий с начала 1980-х гг., некоторые создаются впервые, в первую очередь для расчетов теплового стока. 4. Результаты сопоставления данных полевых гидрометрических измерений и дистанционного зондирования земной поверхности для целей изучения особенностей и механизмов продольной трансформации характеристик речного стока по длине низовьев рек и в русловой сети речных дельт. Научная значимость: позволят в условиях малого числа постов, особенно в устьевых областях рек, их продолжающегося закрытия получить важный и востребованный инструмент изучения и мониторинга процессов трансформации характеристик гидрологического режима в разных по строению и режиму устьях рек, оценивать их величину, включая даже те устья, где наземные измерения никогда не производились. 5. Характеристика современного ледового режима низовьев крупных арктических рек России с выделением особенностей, определяющих условия природопользования в регионе (прежде всего, условия судоходства и эксплуатации ледовых переправ). Методические приемы дешифрирования оптических и радиолокационных снимков для целей ледового мониторинга низовьев больших рек, методика определения толщины ледяного покрова с помощью альтиметрических спутников с оценкой их точности. Результаты анализа временной изменчивости сроков ледовых явлений и толщины ледяного покрова на реках от года к году, оценка связи водного, теплового стока рек и стока льда в арктические моря, что позволит сделать выводы о влиянии изменений водного режима рек, в том числе антропогенных, на изменение характеристик ледового режима рек. Научная значимость: Картографические обобщения станут основой методик расчета характеристик ледового режима для неизученных участков рек для использования в решении различных задач (расчет сроков ледовых явлений, продолжительности физической навигации, характерных значений толщины ледяного покрова рек). 6. Разработанные гидродинамические модели с ледотермическим блоком для устьевых областей наиболее крупных рек Российской Арктики, расположенных в различных частях побережья Северного Ледовитого океана – Печоры, Енисея и Колымы. Данные модели позволят воспроизвести типичные или уникальные гидрологических ситуации, включая опасные гидрологические явления, таких как экстремальное половодье или ветровой нагон, ледоход, ледовые заторы, а также выполнить анализ хода основных гидро- и термодинамических характеристик водных масс в пределах области моделирования, включая вынос льда и тепла в океан. Ожидаемые результаты сценарных гидродинамических расчетов в устьевой области с применением прогнозных рядов стока, полученных на основе модели ECOMAG и данных глобальных климатических моделей, позволят оценить возможность учета влияния климатически обусловленных изменений стока на динамические процессы в устья. Выявление областей с наиболее опасными проявлениями гидрологических процессов и их параметризация позволят выполнить типизацию и районирование устьевых областей в отношении вероятности проявления тех или иных неблагоприятных природных явлений речного и морского генезиса. Применение гидродинамических моделей с ледотермическим блоком позволит исследовать изменение ледовых условий Северного Морского пути при различных сценариях изменения климата и оптимизировать транзитное судоходство через устья рек. 7. Результаты работы по Проекту будут представлены в статьях в рецензируемых журналах, в научных сборниках, выступлениях на научно-практических конференциях (по теме Проекта), в том числе с международным статусом.
Члены коллектива имеют многолетний опыт в изучении стока воды и теплоты, водного и ледотермического режима средних и больших рек арктической зоны РФ и приарктических территорий, в количественной оценке основных гидрологических характеристик, в изучении пространственных особенностей и выявлении закономерностей колебаний речного стока в течение года и многолетнем масштабе, в обнаружении причин изменчивости стока и оценке их вклада, в корректном и аналитическом описании и объяснении существующих между параметрами стока и его факторов связей. Сильной стороной проводившихся исследований служит разнообразие рассмотренных объектов и условий формирования стока на речных водосборах, авторский подход в выделении антропогенной составляющей многолетних колебаний характеристик стока (при учете различий в климате сравниваемых периодов, трансформации техногенного воздействия от его источника до устьевого створа реки). Кроме того, многолетняя история и большое число объектов исследования позволили сформировать уникальный массив специализированных данных и материалов. Итоги этой деятельности опубликованы в 7 монографиях, большом числе статей в журналах и научных сборниках, в том числе рецензируемых и зарубежных.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 июня 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Сток рек и изменение водного и ледотермического режима устьевых областей и морских побережий Российской Арктики в XXI веке |
Результаты этапа: Дополнена база геопозиционированных данных по суточным, характерным, среднемесячным и годовым расходам воды арктических рек. Всего около 350 действующих и закрытых постов. Обновление и дополнение базы данных характеристик ледового режима рек арктической зоны России, включающей информацию о сроках и продолжительности ледовых явлений на 230 гидрологических постах. Она дополнена за период наблюдений с 1936 по 2015 гг. Проведена стандартная (в соответствие с СП 33-101-2003 и методическими указаниями к нему) проверка и статистический анализ собранных гидрологических данных, приведенных к единому периоду, ориентировочно к 1930/1936 - 2015 гг. Сделано выделение границ гидрологических сезонов; расчет основных характеристик сезонного и годового стока воды, оценка достоверности и точности полученных результатов для створов со стационарными наблюдениями | ||
2 | 1 января 2019 г.-28 мая 2019 г. | Сток рек и изменение водного и ледотермического режима устьевых областей и морских побережий Российской Арктики в XXI веке |
Результаты этапа: В отчетном году проведена многоплановая работа по сбору и систематизации отечественной и зарубежной литературы по истории изучения водного и ледового режима рек российского сектора Арктики в XX–XXI вв., результаты которой оформлены в виде соответствующих статей. Для систематизации гидрометеорологических наблюдений в рамках проекта организована база данных, содержащая в себе информацию о характеристиках среднемесячного и сезонного стока воды, суточной информации о расходах воды, характерных расходах воды, теплового стока, информации о ледовых явлениях до 2016 г. включительно. Отобрано около 770 стоковых постов (из них 290 действующих), в отношении примерно 400 уже произведено восстановление отсутствующих средних месячных и годовых расходов воды. В целом, посты расположены к северу от 60-й параллели с полным охватом бассейнов рр. Колымы, Алазеи, Индигирки, Яны, Оленька, Анабара, Пясины, Пура, Таза, Надыма, Печоры, Мезени, Северной Двины, Онеги, рек в беломорской части Карелии, рек Кольского полуострова, бассейнов притоков в низовьях Оби, Енисея и Лены. Кроме того, для решения различных задач дополнительно использовались среднемесячные расходы воды рек, относящихся к бассейну Северного Ледовитого океана, за исключением рек бассейна Байкала, по 2898 постам, имеющим ряды среднемесячных расходов любой продолжительности за 1936–2016 гг., данные метеостанций, сеточные архивы метеорологических характеристик CRU TS 4.0 и ERA-5. Проведена предварительная работа по сравнению данных архивов и данных наземных наблюдений для 254 метеостанций азиатской территории России (АТР). База данных о ледовых явлениях содержит информацию с 242 гидрологических постов, расположенных в арктической зоне РФ за период 1936-2016 г. В базу внесены данные о: датах появления льда, уровнях воды при появлении льда, продолжительности осеннего ледохода/шугохода, датах установления ледостава, уровнях воды при установлении ледостава, толщине льда: максимальной и перед вскрытием, а также датах первой подвижки льда, подъемах уровней воды при подвижках, датах начала ледохода, максимальных срочных и средних уровнях ледохода, продолжительностей ледохода, датах очищения ото льда, данные о датах начала заторов, максимальных срочных и средних уровнях периода затора, заторных подъемах уровней воды. Собранные данные по расходам воды позволили выполнить стандартный статистический анализ приведенных к единому периоду (1936-2016 гг.) рядов годового и сезонного стока и репрезентативных зональных средних рек. Расчеты, выполненные по данным для всех замыкающих створов (как на больших, так и на средних реках), показывают, что поступление речных вод в устья арктических рек РФ увеличилось – в среднем на 5,8% (в сравнении с 1936–1975 гг.), находясь в диапазоне от 0,5 до 20% и больше. Приведены сведения об особенностях многолетних колебаний годового и сезонного стока основных арктических рек РФ. Имеющиеся в настоящее время сведения о слое осадков в бассейнах рек Северного Ледовитого океана (СЛО) за 1936–2016 гг. не позволяют достоверно определить величину его изменения за этот период. По данным CRU TS 4.0 значимого на 5% уровне изменения слоя осадков за 1976–2016 гг. по сравнению с 1953–1975 гг. не произошло ни для одного из 23 рассмотренных крупных водосборов рассматриваемой территории. В среднем слой осадков увеличился с 438 мм до 440 – менее, чем на 0.6%. В среднем для рек бассейна СЛО рассчитанный слой испарения за 1953–1975 гг. был выше слоя испарения за 1976–2016 гг. на 2.7%, т.е. произошло уменьшение с 233 мм до 227 мм. С использованием авторской программы GrWat расчленения гидрографа стока на генетические составляющие проанализированы показатели, характеризующие все фазы водного режима рек севера ЕТР, включая Кольский полуостров. Для изучения особенностей пространственно-временной динамики характерных расходов воды была отдельно систематизирована информация о максимальных суточных расходах воды по 20 постам в пределах Кольского полуострова и 68 постам на реках, впадающих в Белое и Баренцево моря. На большинстве рек наблюдается тенденция к слабому снижению максимальных расходов воды в пределах 5-10 % (если сравнивать среднее за 1945-1977 и 1978-2016 гг.), а также сдвиг дат прохождения максимальных расходов воды на 1-2 дня. Однако все эти изменения не имеют статистической значимости. Получены и проанализированы количественные оценки водопотребления (водозабора, водоотведения, безвозвратного водопотребления) в бассейнах рек, впадающих в арктические моря РФ, и отдельно для территории АТР, многолетней динамики его основных показателей, начиная с 1980-х гг. и заканчивая 2017 г., его отраслевой структуры и по составу водоисточников. Оценено возможное влияние суммарного водозабора и безвозвратного водопотребления на водные ресурсы арктических рек и приток речных вод в моря, как в 1980-е гг. (период максимальной антропогенной нагрузки), так и в 2006–2017 гг., а также до 2030 г. Впервые обозначены и подробно рассмотрены локальные гидрологические ограничения водопользования. Созданы оригинальные карты, иллюстрирующие особенности и закономерности современного распределения водохозяйственных показателей по территории АТР. Приводятся результаты сравнения достоверности и полноты разных по происхождению данных по водопотреблению, в том числе из новых (альтернативных) информационных источников. Согласно намеченному плану, решался целый ряд методических задач, связанных с использованием данных дистанционного зондирования для изучения ледяного покрова. На примере Северной Двины (в районе слияния Сухоны и Юга) и низовьев Мезени рассмотрена возможность использования данных радиолокационной съемки для изучения характеристик речного льда, в первую очередь торосистости и влажности ледяного покрова и снега на льду, для которых существовала возможность использования данных экспедиционного обследования зимой 2019 г. Построение и обработка продольных профилей данных радиолокаторов позволяет получить информацию о наличии полыней, ледяных перемычек и их динамики. Предварительные результаты показывают, что совместное использование данных радиолокационных и оптических снимков, а также наземных обследований позволяет получить непрерывную по длине рек информацию о ледовой обстановке, о физических и структурных характеристиках льда, наличии полыней, торосов льда и составить предварительный прогноз условий прохождения весеннего ледохода. Еще одно направление в исследованиях текущего года было связано с разработкой методики определения толщины ледяного покрова с помощью альтиметрических спутников и оценка ее точности. В данном исследовании были использованы геофизические измерения с альтиметрического спутника Jason 3 с соответствующими коррекциями, предоставленные Французским Космическим Агентством. В качестве объектов исследования были выбраны реки Арктической зоны Западной Сибири: нижнее течение Оби, а также Надым, Пур и Таз. В работе использованы данные 8 гидрологических постов за период 2008–2016 гг. Средняя квадратическая ошибка расчета толщины льда по значению радиояркостных температур поверхности (дополнительная информация со спутников) составила от 4 до 11 см. Средняя квадратическая ошибка для изменений толщины льда между наблюдениями – от 2 до 4 см. При разработке ледотермического блока гидродинамических моделей работа велась по двум направлениям: (1) исследование применимости существующих гидродинамических моделей, учитывающих температуру воды в условиях моделирования реверсивных водных потоков при значительных градиентах солености (а, следовательно, плотности) и температуры; (2) исследование возможности гидродинамических моделей учитывать изменения гидравлических параметров речного русла, вызванные ледовыми явлениями. Данная работа проводилась на основе программного комплекса STREAM_2D (Беликов, Кочетков, 2014) с учетом полевых наблюдений, проведенных авторами проекта в низовьях Северной Двины и Онеги. Для отработки механизма реализации ледового блока в двумерной плановой схематизации («длина-ширина», осреднение по вертикали) была использована разработанная ранее модель устьевой области Северной Двины (Лебедева и др., 2015; Alabyan, Lebedeva, 2018), охватывающая всю устьевую область от опорного гидрологического поста в с. Усть-Пинега до морского края дельты. Возможность использования программного комплекса STREAM_2D в условиях существенных приливных колебаний уровня воды в зимнюю межень была исследована для мезоприливного эстуария р.Онеги. Результаты показывают возможность моделирования среднесуточных уровней воды в условиях ледостава и вскрытия рек. Устьевая область Северной Двины выбрана и для оценки возможности интеграции моделей формирования стока на водосборе (ECOMAG) и динамики водного потока на участке от замыкающего гидрологического поста до устьевого створа реки или взморья. На данном этапе выполнения проекта акцент был сделан на исследовании самой возможности и технологии адаптации гидродинамической модели устьевой области р. Северной Двины на примере расчета половодья 2012 г., включающего периоды ледовых заторов. За истекший период были проведены две экспедиции – летом 2018 г. в устьевую область Северной Двины и зимой 2019 г. – в устьевые области Онеги, Кулоя и Мезени. | ||
3 | 29 мая 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Сток рек и изменение водного и ледотермического режима устьевых областей и морских побережий Российской Арктики в XXI веке |
Результаты этапа: Проведены полевые работы в устье р.Колыма. Обработаны и проанализированы данные полевых наблюдений. Собрана информация о термическом режиме рек Арктики, рассчитан тепловой сток. Проанализирована пространственно-временная изменчивость основных характеристик заторных и зажорных явлений по данным наблюдений на сети гидрологических постов Росгидромета, построены соответствующие карты. Изложена история научно-прикладного изучения водного режима рек российского сектора Арктики в XX–XXI вв. Выделены этапы и основные направления приоритетных исследований, определявшихся в разное время необходимостью обеспечения функционирования Северного морского пути и транспортных артерий судоходных рек, водопользованием и водопотреблением, активно развивающимся со второй половины XX в., изучения и прогнозирования последствий глобального потепления климата, появлением новых методов сбора и обработки данных, физико-математического моделирования гидрологических процессов. Сделан детальный обзор отечественных и зарубежных исследований гидрологического режима рек арктической зоны России, опубликованных за прошедшее столетие. Приведены исследования по наиболее крупным рекам Арктики и основные обобщающие труды, содержащие оценки их стока, водных ресурсов региона, закономерностей и факторов пространственно-временной изменчивости, в том числе под влиянием нарастающих изменений климата и антропогенной нагрузки. Отдельный блок формируют исследования трансформации стока, водного режима и динамики вод в устьях арктических рек. | ||
4 | 1 января 2020 г.-13 июня 2020 г. | Сток рек и изменение водного и ледотермического режима устьевых областей и морских побережий Российской Арктики в XXI веке |
Результаты этапа: Для исследования особенностей гидрологического режима рек криолитозоны арктической зоны России оценивалась динамика различных метеорологических параметров (по данным реанализа ERA-5) и глубины сезонного протаивания (по данным программы CALM). Выполнена оценка точности воспроизведения приземной температуры воздуха (2 м), дефицита влажности воздуха и осадков по данным наземной сети метеостанций и реанализа для отдельных точек и крупных речных бассейнов Европейской части России. В точке ERA-5 и сеть метеостанций показывают близкую точность воспроизведения температуры и дефицита влажности воздуха по величинам коэффициента корреляции, систематической ошибки и коэффициента вариации. При этом ERA-5 лучше воспроизводит температуру воздуха на юге ЕЧР, а метеостанции – на севере. Осадки по всем критериям достоверней воспроизводятся сетью метеостанций. Ошибка определения температуры, дефицита влажности воздуха и осадков для крупных речных бассейнов по данным ERA-5 в 2.5-3 раза меньше, чем для отдельных точек, что, тем не менее, в 2-7 раз больше, чем по данным сети метеостанций. Сделана попытка связать полученные метеорологические параметры и их изменение с изменением годового и сезонного стока арктических рек. Для водосборов морей Лаптевых (к северу от 60о с.ш.), Восточно-Сибирского (всего), Чукотского (всего), Берингова (в пределах Чукотского АО) и Охотского (в пределах Магаданской обл.) на основе данных стационарного мониторинга за расходами воды (всего 263 поста), приведенных к периоду 1936-2017 гг., уточнены или рассчитаны впервые основные числовые характеристики годового стока, получены районные эмпирические зависимости стока от площади, средней высоты, заболоченности и залесенности водосбора, длины водотока, определены границы между зональными и малыми реками, обновлено районирование территории по характеру изменения модуля стока и Cv с высотой (всего 14 районов), построена новая карта модуля годового стока, уточнены величины нарастания годового стока ниже замыкающих створов на главных реках региона, рассчитан приток в моря Лаптевых, Восточно-Сибирское и Чукотское – общий и для каждого характерного участка в отдельности. Выполнен статистический анализ особенностей и закономерностей многолетней изменчивости притока речных вод в арктические моря России. Оценен вклад в эти колебания водохозяйственной деятельности – отдельно в арктической зоне РФ и, в целом, на всем водосборе арктических морей. Получено, что в настоящее время на водосборах изымается 21,28 км3/год, а в пределах АЗРФ – 2,58 км3/год; объемы водоотведения в водные объекты на водосборах морей Российской Арктики сопоставимы с объемами изъятия свежей воды – 71% водозабора. Продолжена работа по анализу генетических компонентов стока на основе суточных данных ряда рек Арктической зоны России с помощью программы GRWAT. В целом за водохозяйственный год роль грунтовой компоненты в формировании общей водности рек заметно увеличилась, что, предположительно связано с более глубоким и интенсивным сезонным оттаиванием. Для большинства постов на замыкающих створах крупнейших рек характерна тенденция слабого снижения объема половодья и его максимальных расходов воды, на средних реках, протекающих в пределах криолитозоны она обратна. На реках севера европейской части выявлена тенденция к увеличению объема дождевых паводков за летний период. Для прогнозных оценок изменений поступления речных вод в моря с ключевых участков арктического побережья использовалась модель формирования стока с распределенными параметрами ECOMAG (авт. Мотовилов Ю.Г.), адаптированная для замыкающих створов крупных рек севера ЕТР, включая р. Сев.Двина – п.Усть-Пинега, р. Онега – д. Порог, р. Мезень – д. Малосогорская, р. Печора – п. Оксино. Для исторического периода наблюдений параметры модели ECOMAG были настроены на основе расчетов по базе данных реанализов EWEMBI с пространственным шагом 0.5*0.5° за 1979-2012гг. По результатам сценарных расчетов с использованием глобальных моделей климата GFDL-ESM2M, HadGEM2-ES, IPSL-CM5A-LR, MIROC-ESM-CHEM и проектов CMIP5 и ISIMIP2b на конец 21 века для бассейнов рек Сев. Двины, Онега и Мезени отмечается тенденция перехода изменений годового стока от уменьшения к росту с запада на восток. Изменения во внутригодовом распределении стока выражены в уменьшении максимумов половодья, сдвиге его в более ранние сроки и увеличении меженных расходов воды для всех исследуемых бассейнов. В рамках исследований 2019-2020 гг. были собраны данные о среднемесячных температурах воды на 95 гидрологических постах на малых, средних и больших реках арктической России, данные о термическом режиме перемерзающих и пересыхающих водотоков. Вычислен тепловой сток больших рек, показана роль различных регионов в формировании годового теплового стока российской Арктики. Создана геоинформационная система «Ледовый режим рек Российской Арктики», имеющая два блока: общегеографический и тематический. Созданы различные карты основных характеристик ледового режима (сроков и продолжительности ледовых явлений), карты характеристик ледовой опасности (повторяемости выхода воды на пойму в период ледохода, продолжительности физической навигации, максимальной толщины льда 1% обеспеченности, повторяемости максимальных уровней воды в период с ледовыми явлениями и др) и карты, отражающие временную изменчивость (результаты проверки рядов на соответствие статистическим гипотезам, наблюдаемые изменения). Проведен корреляционный анализ характеристик термического и ледового режима рек арктической зоны (рядов дат перехода температуры воды через 0,2⁰С, среднемесячных температур воды, сроков и продолжительности ледовых явлений). Установлены количественные линейные соотношения между этими характеристиками. На примере устьевых участков рр. Мезень и Кулой отработана схема пространственного анализа предварительно подготовленных радиолокационных изображений. Анализ этой информации позволил выделить особенности формирования ледяного покрова по длине устьевых участков: образование заторошенного льда, срыв кромки ледяного покрова, разрушение льда в весенний период. Привлечение дополнительных оптических снимков (Landsat 4, 5, MODIS и VIIRS) за прошлые годы позволило собрать информацию о динамике ледовых условий за период с 1983 по 2020 г. Спутниковая альтиметрия ENVISAT, Jason-2 и -3, Sentinel-3A, CryoSat-2 и AltiKa использовалась для оценки стока двух арктических рек: Оби и Пура в Западной Сибири, и Sentinel-3A и 3B - для р.Колыма. Так, для р.Колыма предложена пространственно-временная модель уровня воды, которая позволяет вычислить для любых заданных створов на 400 км участке одновременно уровень и уклон воды с недельным разрешением. Собраны исходные данные, включая гидрологическую и картографическую информацию, материалы ДЗЗ на устьевую область Печоры для ее двумерной гидродинамической модели, разрабатываемой впервые в рамках выполняемого проекта. На основе программного комплекса STREAM_2D (авт. Беликов В.В.) проведена схематизация расчетной области и построена гибридная прямоугольно-треугольная расчетная сетка. Она описывает все основные русловые разветвления и протоки устьевой области. Тестовые расчеты показали, что модель правдоподобно воспроизводит основные течения в устьевой области и масштабы затопления. Созданные ранее модели Онеги и Северной Двины и результаты климатического прогноза на середину XXI в. (2036-2065 гг.) в отношении изменения двух основных факторов – уровня моря и объема речного стока по глобальным климатическим моделям GFDL-ESM2M, HadGEM2-ES, IPSL-CM5A-LR, MIROC-ESM-CHEM проекта CMIP5 использованы для расчета 12 сценариев гидродинамического моделирования весеннего половодья, летней и зимней межени, соответствующих различным сочетаниям граничных условий для исторического периода и для наиболее вероятных или же неблагоприятных условий середины XXI в. Представлен анализ возможных изменений гидродинамических характеристик водного потока в устьевых областях и их влияния на различные аспекты использования водных ресурсов исследуемых рек. Экспедиционные исследования летом 2019 г. включали комплекс работ по изучению уровенного, температурного режима, изучения стока воды, наносов, растворенных веществ, батиметрические исследования, измерение уклонов водной поверхности и др.. Район исследований включал участок Нижней Колымы длиной около 350 км от устья Омолона до м/с Амбарчик на побережье Восточно-Сибирского моря. | ||
5 | 14 июня 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Сток рек и изменение водного и ледотермического режима устьевых областей и морских побережий Российской Арктики в XXI веке |
Результаты этапа: | ||
6 | 1 января 2021 г.-30 сентября 2021 г. | Сток рек и изменение водного и ледотермического режима устьевых областей и морских побережий Российской Арктики в XXI веке |
Результаты этапа: Для систематизации гидрометеорологических наблюдений в рамках проекта организована база данных, содержащая в себе информацию о характеристиках среднемесячного и сезонного стока воды, суточной информации о расходах воды, характерных расходах воды, теплового стока, информации о ледовых явлениях до 2018 г. включительно. Получены данные об особенностях многолетних колебаний годового и сезонного стока основных арктических рек РФ. Расчеты, выполненные по данным для всех замыкающих створов, показывают, что поступление речных вод в устья арктических рек РФ увеличилось – в среднем на 5,8% (в сравнении с 1936–1975 гг.), находясь в диапазоне от 0,5 до 20% и больше. Выполнена оценка точности воспроизведения приземной температуры воздуха (2 м), дефицита влажности воздуха и осадков по данным наземной сети метеостанций и реанализа ERA-5 для отдельных точек и крупных речных бассейнов России. Совместный анализ данных метеостанций, реанализа и данных программы CALM по глубине сезонно-талого стока позволил получить современную информацию о факторах формирования стока арктических рек. Получены и проанализированы количественные оценки водопотребления (водозабора, водоотведения, безвозвратного водопотребления) в бассейнах рек, впадающих в арктические моря РФ, и отдельно для территории азиатской части, многолетней динамики его основных показателей, начиная с 1980-х гг. и заканчивая 2017 г., его отраслевой структуры и по составу водоисточников. Оценено возможное влияние суммарного водозабора и безвозвратного водопотребления на водные ресурсы арктических рек и приток речных вод в моря, как в 1980-е гг. (период максимальной антропогенной нагрузки), так и в 2006–2017 гг., а также до 2030 г. Изложены основные результаты использования миссии GRACE при оценке отдельных составляющих бассейновых влагозапасов, расчете составляющих водного баланса и гидрологическом моделировании. Для отдельных арктических бассейнов проведено сравнение воспроизведения суточных величин бассейновых влагозапасов региональной гидрологической моделью ECOMAG (по данным метеостанций), данными спутниковой гравиметрии (GRACE) и глобальной гидрологической моделью LISFLOOD (на основе данных ERA5). Показаны современные возможности использования спутниковой системы GRACE для решения гидрологических задач. С использованием авторской программы GrWat расчленения гидрографа стока на генетические составляющие проанализированы показатели, характеризующие все фазы водного режима рек. Для рек Русского севера перераспределение генетических компонент стока не имеет существенной значимости на всем периоде наблюдений и укладывается в 5 % диапазон, но с 1990х годов тенденция усиливается и при смещении переломного года на 1990 начинает иметь статистическую значимость. Для азиатских рек было выявлено некоторое снижение роли талых снеговых вод (на 5-9 %) и рост грунтовой, более медленной компоненты стока в бассейне Оби и Лены. Исследование максимальных расходов воды показало, что в целом для современного водного режима рек Арктической зоны наблюдаются тенденции снижения максимумов, которые, однако, пока не имеют статистически достоверной значимости. В отличие от максимумов характерные минимальные расходы с различными интервалами осреднения растут на 25-56 %. Для прогнозных оценок изменений поступления речных вод в моря с ключевых участков арктического побережья использовалась модель формирования стока с распределенными параметрами ECOMAG (авт. Мотовилов Ю.Г.), адаптированная для замыкающих створов крупных рек севера ЕТР, включая р. Сев.Двина – п.Усть-Пинега, р. Онега – д. Порог, р. Мезень – д. Малосогорская, р. Печора – п. Оксино и данные глобальных моделей климата GFDL-ESM2M, HadGEM2-ES, IPSL-CM5A-LR, MIROC-ESM-CHEM проектов CMIP5 и ISIMIP2b с учетом четырех сценариев антропогенных воздействий за исторический период 1972-2001г. и период климатического прогноза 2012-2099 гг. По результатам сценарных расчетов на конец 21 века для бассейнов рек Сев. Двины, Онега и Мезени отмечается тенденция перехода изменений годового стока от уменьшения к росту с запада на восток. Изменения во внутригодовом распределении стока выражены в уменьшении максимумов половодья, сдвиге его в более ранние сроки и увеличении меженных расходов воды для всех исследуемых бассейнов. С помощью модели ECOMAG проведен анализ чувствительности моделируемых расходов воды р. Колыма к климатическим изменениям. Это позволило сравнить чувствительность годового стока р. Колыма с другими крупнейшими реками – р. Лена и р. Северная Двина. Создана геоинформационная система «Ледовый режим рек Российской Арктики», имеющей два блока: общегеографический и тематический. Созданы карты основных характеристик ледового режима (сроков и продолжительности ледовых явлений), карты характеристик ледовой опасности (повторяемости выхода воды на пойму в период ледохода, продолжительности физической навигации, максимальной толщины льда 1% обеспеченности, повторяемости максимальных уровней воды в период с ледовыми явлениями и др) и карты, отражающие временную изменчивость (результаты проверки рядов на соответствие статистическим гипотезам, наблюдаемые изменения). Статистически значимые смещения сроков ледовых явлений наблюдаются на реках европейского сектора арктической зоны и на отдельных участках рек Западной Сибири. Также выделены изменения для зарегулированных рек для р. Енисея (до поста д. Подкаменная Тунгуска в 1568 км от устья) и р. Колыма. Разработаны методики расчета средних значений сроков появления льда, установления ледостава, вскрытия, очищения ото льда, продолжительности ледостава и ледовых явлений, толщины льда в начале ледостава и максимальной толщины льда. В качестве предикторов использовались климатические характеристики (сумма температур воздуха ниже 0 и –5 °С, число дней с отрицательными температурами воздуха и сумма твердых осадков за разные месяцы, а также площадь водосбора и географическая широта заданного створа. Среднеквадратическая ошибка расчета на независимом материале для сроков и продолжительности ледовых явлений составила 3–4 сут., относительная ошибка расчета толщины льда – от 9 до 16%. Для Северо-востока АТР, охватывающего северные районы Республики Саха (Якутия), Чукотский АО и север Магаданской обл. на основе проверенных и восполненных данных стационарного мониторинга (вплоть до 2018 г.) за расходами воды (выбрано 153 полноценных поста), температурой воды (231 поста), температурой воздуха и осадками (34 метеостанции) рассчитаны основные характеристики температурного режима и теплового стока рек, выполнен всесторонний анализ внутригодовой изменчивости температур воды и теплового стока с установлением основных факторов. Впервые построены карты среднемесячных температур воды, отвечающие условиям периода 1955-2012 г., произведено районирование региона, охарактеризованы закономерности и факторы пространственной изменчивости температуры воды и теплового стока. Важным научно-методическим и прикладным результатом исследования стало разработка методики расчета теплового стока рек региона при отсутствии данных и обеспечение ее необходимым инструментарием - региональными зависимостями теплового стока и температур воды от водного стока, площади и средней высоты водосбора, первой Картой модуля годового теплового стока. Успешным примером реализации разработанной методики стала оценка стока теплоты, выносимого большими реками в устья и всеми реками в арктические моря России, причем с дифференциацией по участкам арктического побережья. Основной вынос теплоты осуществляют большие реки: море Лаптевых их доля 96% (на Лену приходится 72,2%), Восточно-Сибирское море – ~90%. При выполнении Проекта был решен целый ряд методических задач, связанных с использованием данных дистанционного зондирования для изучения ледяного покрова. На примере Северной Двины (в районе слияния Сухоны и Юга) и низовьев Мезени рассмотрена возможность использования данных радиолокационной съемки для изучения характеристик речного льда, в первую очередь торосистости и влажности ледяного покрова и снега на льду, для которых существовала возможность использования данных экспедиционного обследования зимой 2019 г. Построение и обработка продольных профилей данных радиолокаторов позволяет получить информацию о наличии полыней, ледяных перемычек и их динамики. Предварительные результаты показывают, что совместное использование данных радиолокационных и оптических снимков, а также наземных обследований позволяет получить непрерывную по длине рек информацию о ледовой обстановке, о физических и структурных характеристиках льда, наличии полыней, торосов льда и составить предварительный прогноз условий прохождения весеннего ледохода. Еще одно направление было связано с разработкой методики определения толщины ледяного покрова с помощью альтиметрических спутников и оценка ее точности. В данном исследовании были использованы геофизические измерения с альтиметрического спутника Jason 3 с соответствующими коррекциями, предоставленные Французским Космическим Агентством. В качестве объектов исследования были выбраны реки Арктической зоны Западной Сибири: нижнее течение Оби, а также Надым, Пур и Таз. В работе использованы данные 8 гидрологических постов за период 2008–2016 гг. Среднеквадратическая ошибка расчета толщины льда по значению радиояркостных температур поверхности (дополнительная информация со спутников) составила от 4 до 11 см. Среднеквадратическая ошибка для изменений толщины льда между наблюдениями – от 2 до 4 см. Спутниковая альтиметрия ENVISAT, Jason-2 и -3, Sentinel-3A, CryoSat-2 и AltiKa использовалась для оценки стока двух арктических рек: Оби и Пура в Западной Сибири, и для р.Колыма - новейшие альтиметрические спутники Sentinel-3A и 3B. Для каждой станции с периодичностью измерений спутника (22 дня) рассчитан уровень воды по алгоритму, разработанному специально для арктических рек с ледовым покрытием. Предложена пространственно-временная модель уровня воды, которая позволяет вычислить для любых заданных створов на 400 км участке одновременно уровень и уклон воды с недельным разрешением. За период выполнения проекта были проведены 4 экспедиции – летом 2018 г. в устьевую область Северной Двины, зимой 2019 г. – в устьевые области Онеги, Кулоя и Мезени, летом 2019 г. –в низовья р.Колыма. В августе 2020 г. состоялась гидрологическая экспедиция в устье Печоры, результаты которой позволяют коренным образом переосмыслить приливную динамику вод в дельте крупнейшей реки Западного сектора Российской Арктики. Использование новейшего гидрологического и геодезического оборудования позволило выявить ранее неизвестные особенности циклических изменений гидравлических параметров водотоков дельты, вызываемые приливными колебаниями уровня моря. В ходе выполнения проекта впервые разработана, откалибрована и верифицирована на детальных данных натурных измерений, полученных в ходе экспедиционного выезда 2020 г., двумерная гидродинамическая модель (программный комплекс STREAM_2D (автор В. Беликов)) устьевой области р. Печоры суммарной протяженностью 190 км, ширина 45 км. По результатам калибровки и верификации модель адекватно воспроизводит уровни воды в контрольных створах- местах установки логгеров-самописцев в Андеге, Нарьян-Маре, у д. Большая Сопка и в Оксино в течение нескольких приливных циклов с 21 по 25е августа 2020г и расходы воды в створах измерений. Граничными условиями для сценарных расчетов по разработанной гидродинамической модели послужили результаты климатического прогноза на середину XXI в. (2036-2065 гг.) в отношении изменения двух основных факторов – уровня моря и расходов воды по глобальным климатическим моделям GFDL-ESM2M, HadGEM2-ES, IPSL-CM5A-LR, MIROC-ESM-CHEM проекта CMIP5. Даны оценки изменения площади затопления, дальности проникновения обратных течений в зависимости от изменения уровня моря и расходов воды. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".