Чувствительность водного стока реки Колымы к современным климатическим изменениям

Колыма – крупная река в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород, бассейн которой подвержен значительным климатическим изменениям. В качестве инструмента исследования особенностей водного режима и изучения его динамики в работе использован информационно-моделирующий комплекс ECOMAG, рассчитывающий ежесуточные расходы воды в заданных створах на основе метеорологических данных с разрешением одни сутки.

В работе анализируется современная динамика водного стока Колымы и стокоформирующих факторов за период 1979–2013 гг., проводится адаптация физико-математической модели для бассейна р. Колымы, а также исследуется чувствительность характеристик водного режима реки к изменениям климатических параметров.

Калибровка и верификация показали хорошую воспроизводимость моделью ECOMAG фактических расходов воды для двух створов на р. Колыме и удовлетворительную воспроизводимость на притоке – Большом Анюе. Использование модели ECOMAG, впервые применяемой для бассейна Колымы, позволило исследовать климатически обусловленные изменения стока. Предварительный статистический анализ показал, что при сравнении средних значений гидрологических характеристик за 2000–2013 гг. со средними за 1979–1999 гг. зафиксирован рост годового стока на 5,1% в гидростворе Колымское в 283 км от устья Колымы (от 99,4 км3 в 1979–1999 гг. до 104,5 км3 в 2000–2013 гг.). Фактические изменения годового стока и его внутригодового распределения хорошо воспроизводятся расчетами и по модели ECOMAG.

Для современного периода характерен рост среднегодовой температуры воздуха на 1,3°С. При этом в марте, апреле, ноябре и декабре температура воздуха по данным метеостанций возросла более чем на 2,5°С. Годовая сумма осадков увеличилась на 8,3%, наиболее резкий рост характерен для сентября и марта.

Для более полного понимания механизмов отклика водного режима р. Колымы на изменения климатических характеристик на базе модели ECOMAG выполнен анализ чувствительности характеристик стока к изменениям температуры воздуха и осадков на основе искусственно смоделированных метеорологических рядов. Показано, что сток воды на 5% чувствительнее к увеличению осадков, чем к росту температуры на 1°С.

1. Алексеевский Н.И., Магрицкий Д.В., Михайлов В.Н. Антропогенные и естественные изменения гидрологических ограничений для природопользования в дельтах рек Российской Арктики // Водное хозяйство России. 2015. № 1. С. 14–31.

2. Гельфан А.Н., Фролова Н.Л., Магрицкий Д.В., Киреева М.Б., Григорьев В.Ю., Мотовилов Ю.Г., Гусев Е.М. Влияние изменения климата на годовой и максимальный сток рек России: оценка и прогноз // Фундаментальная и прикладная климатология. 2021. Т. 7. № 1. С. 36–79. DOI: 10.21513/2410-8758-2021-1-36-79.

3. Георгиади А.Г., Коронкевич Н.И., Милюкова И.П. и др. Сценарная оценка вероятных изменений речного стока в бассейнах крупнейших рек России. Ч. 1: Бассейн реки Лены. М.: Макс Пресс, 2011. 179 с.

4. Глотов В.Е., Глотова Л.П. Изменения ресурсов пресных природных вод в горных районах криолитозоны при глобальномпотеплении климата(на примере северо-востока России) // Водные ресурсы. 2011. № 1. С. 1408–1412.

5. Гусев Е.М., Насонова О.Н., Джоган Л.Я., Айзель Г.В. Сценарное прогнозирование изменения составляющих водного баланса рек Оленек и Индигирка в связи с возможным изменением климата в районе Республики Саха (Якутия) // Водные ресурсы. 2014. Т. 41. № 6. С. 621–636. DOI: 10.7868/S0321059614030092.

6. Кучмент Л.С., Мотовилов Ю.Г., Назаров Н.А. Чувствительность гидрологических систем. М.: Наука, 1990. 144 с.

7. Магрицкий Д.В. Антропогенные воздействия на сток рек, впадающих в моря Российской Арктики // Водные ресурсы. 2008. Т. 35. № 1. С. 3–16.

8. Магрицкий Д.В., Повалишникова Е.С., Фролова Н.Л. История изучения стока воды и водного режима рек Арктической зоны России в XX в. и начале XXI в. // Арктика и Антарктика. 2019. № 3. С. 61–96. DOI: 10.7256/2453-8922.2019.3.29939.

9. Мотовилов Ю.Г., Гельфан А.Н. Модели формирования стока в задачах гидрологии речных бассейнов. М.: Российская академия наук, 2018. 296 с.

10. Соколов О.В., Ушаков М.В. Учет климатических изменений при прогнозировании притока воды в Колымское водохранилище на май // Труды Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова. 2012. № 566. С. 289–297.

11. Тепловодообмен в мерзлотных ландшафтах Восточной Сибири и его факторы / отв. ред. А.Г. Георгиади, А.Н. Золотокрылин. М.: Триада, 2007. 576 с.

12. Ушаков М.В. Влияние Колымской ГЭС и климатических изменений на гидрологический режим р. Колыма // Вестник СВНЦ ДВО РАН. 2013. № 2. С. 20–24.

13. Ушаков М.В., Лебедева Л.С. Климатические изменения режима формирования притока воды в Колымское водохранилище // Научные ведомости БелГУ. Сер. Естественные науки. 2016. Т. 25. № 246. С. 120–127.

14. Dai A., Luo D., Song M., Liu J. Arctic amplification is caused by sea-ice loss under increasing CO2, Nature Communications, 2019, vol. 10, no. 1, p. 121, DOI: 10.1038/s41467-018-07954-9.

15. Gelfan A., Gustafsson D., Motovilov Yu. et al. Climate change impact on the water regime of two great Arctic rivers: modeling and uncertainty issues, Clim. Change, 2017, vol. 141, p. 499–515, DOI: 10.1007/s10584–016–1710–5.

16. Gelfan A., Motovilov Y., Krylenko I. et al. Testing the robustness of the physically-based ECOMAG model with respect to changing conditions, Hydrological Sciences Journal, 2014, vol. 60, no. 7–8, p. 1266–1285, DOI: 10.1080/02626667.2014.935780.

17. Gottschalk L., Beldring S., Engeland K. et al. Regional/ macroscale hydrological modelling: A Scandinavian experience, Hydrological Sciences Journal, 2001, no. 46, p. 963–982, DOI: 10.1080/02626660109492889.

18. Krylenko I., Motovilov Y., Antokhina E. et al. Physicallybased distributed modelling of river runoff under changing climate conditions, IAHS–AISH Proceedings and Reports, 2015, vol. 36

19. Kuchment L.S., Gelfan A.N., Demidov V.N. A distributed model of runoff generation in the permafrost regions, Journal of Hydrology, 2000, vol. 240, no. 1–2, p. 1–22, DOI: 10.1016/S0022-1694(00)00318-8.

20. Lebedeva L., Makarieva O., Vinogradova T. Analysis of spatial variability of river streamflow at the catchment area of the Kolyma reservoir, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2019, vol. 321, no. 1, p. 012022, DOI: 10.1088/1755-1315/321/1/012022.

21. Magritsky D.V., Frolova N.L., Evstigneev V.M. et al. Longterm changes of river water inflow into the seas of the Russian Arctic sector, Polarforschung, 2018, vol. 87, no. 2, p. 177–194, DOI: 10.2312/polarforschung.87.2.177.

22. Majhi I., Yang D. Streamflow characteristics and changes in Kolyma basin in Siberia, Journal of Hydrometeorology, 2008, vol. 9, no. 2, p. 267–279, DOI: 10.1175/2007jhm845.1.

23. Motovilov Y., Gottschalk L., Engeland K., Rodhe A. Validation of a distributed hydrological model against spatial observations, Agric. For. Meteorol., 1999, no. 98–99, p. 257–277, DOI: 10.1016/S0168-1923(99)00102-1.

24. Motovilov Y., Gelfan A. Assessing runoff sensitivity to climate change in the Arctic basin: empirical and modelling approaches, IAHS-AISH Proceedings and Reports, 2013, vol. 360, p. 105–112.

25. Nash J.E., Sutcliffe J.V. River flow forecasting through conceptual models, рt I, A discussion of principles, Journal of Hydrology, 1970, vol. 10, no. 3, p. 282–290.

26. Yang D., Kane D.L. Arctic Hydrology, Permafrost and Ecosystems, Cham., Springer, 2021, 914 p., DOI: 10.1007/978-3-030-50930-9.

27. Автоматизированная информационная система государственного мониторинга водных объектов (АИС ГМВО). URL: https://gmvo.skniivh.ru (дата обращения 01.07.2023).

28. АО Усть-Среднеканская ГЭС им. А.Ф. Дьякова: URL: http://www.usges.rushydro.ru/ (дата обращения 01.07.2023).

29. Научно-популярная энциклопедия «Вода России». URL: https://water-rf.ru/Водные_объекты/434/Колыма (дата обращения 01.07.2023).

30. CALM Program Description, URL: https://www2.gwu.edu/~calm/about/program.html (дата обращения 01.07.2023).

31. GlobSnow, Finnish meteorological institute, ESA, URL: http://www.globsnow.info/ (дата обращения 01.07.2023).