Географические закономерности формирования водного режима рек Беларуси под влиянием атмосферной циркуляции

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Белорусский государственный университет

УДК 911.2+556.01,556.06,556.166

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Географические закономерности формирования водного режима рек Беларуси под влиянием атмосферной циркуляции

по специальности 25.00.23 ? физическая география и биогеография,

география почв и геохимия ландшафтов

кандидата географических наук

Данилович Ирина Сергеевна

Минск, 2010

Работа выполнена в Белорусском государственном университете

Научный руководитель ? Лопух Петр Степанович доктор географических наук, доцент, заведующий кафедрой общего землеведения географического факультета Белорусского государственного университета

Официальные оппоненты: Марцинкевич Галина Иосифовна доктор географических наук, профессор, профессор кафедры геоэкологии географического факультета Белорусского государственного университета

Кадацкая Ольга Владимировна кандидат географических наук, старший научный сотрудник Государственного научного учреждения «Институт природопользования Национальной академии наук Беларуси»

Оппонирующая организация ? Республиканское унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт комплексного использования водных ресурсов»

Защита состоится 28 апреля 2010 г. в 14.00 на заседании совета по защите диссертаций Д 02.01.06 при Белорусском государственном университете (220030, г. Минск, ул. Ленинградская, 8, юридический факультет, ауд. 407. Телефон ученого секретаря (8-017) 209-55-58.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного университета.

Автореферат разослан «26» марта 2010 г.

Ученый секретарь

совета по защите диссертаций, профессор В.Н. Губин

водный циркуляция половодье атмосфера

Рэзюмэ

Даніловіч Ірына Сяргееўна

Геаграфічныя заканамернасці фарміравання воднага рэжыму рэк Беларусі пад уплывам атмасфернай цыркуляцыі

Ключавыя словы: агульная цыркуляцыя атмасферы, надвор'е, клімат, водны рэжым, паводка, доўгатэрміновы сцэнарый.

Мэта работы: вызначыць прасторава-часавыя заканамернасці фарміравання рачнога сцёку ў межах тэрыторыі Беларусі ў залежнасці ад агульнай цыркуляцыі атмасферы.

Метады даследавання: параўнальна-геаграфічны, картаграфічны, статыстычныя (карэляцыйны, рэгрэсійны, фактарны аналіз) метады і прасторава-часавы аналіз.

Атрыманыя вынікі і іх навізна: упершыню ўстановўлены заканамернасці фарміравання воднага рэжыму рэк Беларусі пад уплывам атмасфернай цыркуляцыі з выкарыстаннем працяглага перыяду назіранняў (1900-2005 гг.). Вызначаны гідраметэаралагічныя ўмовы на тэрыторыі Беларусі пры розных формах атмасфернай цыркуляцыі ў зімовы сезон і асаблівасці фарміравання максімальнага сцёку веснавой паводкі. Выканана ацэнка паўтаральнасці навадненняў веснавой паводкі і верагоднасці іх ўзнікнення ў залежнасці ад дынамікі атмасфернай цыркуляцыі. Атрыманы колькасныя характарыстыкі метэаралагічных элементаў (тэмпературы паветра і ападкаў) і расходаў вады для розных перыядаў атмасфернай цыркуляцыі і вызначаны тыпавыя значэнні рачнога сцёку. Распрацаваны сцэнарый фарміравання сцёку ў час веснавой паводкі на рэках Беларусі.

Рэкамендацыі па выкарыстанні: атрыманыя вынікі рэкамендуюцца для ацэнкі шматгадовых ваганняў воднасці рэк Беларусі і абгрунтавання прычын (прыродных, антрапагенных) змянення воднага рэжыму рэк, а таксама для ўжывання пры распрацоўцы прыродаахоўных праграм і выкарыстання ў якасці аператыўнай інфармацыі пры вызначэнні маштабаў навадненняў у час веснавой паводкі.

Галіна выкарыстання: устойлівае равіццё, планаванне і праектаванне прыродакарыстання, вучэбны працэс.

Резюме

Данилович Ирина Сергеевна

Географические закономерности формирования водного режима рек Беларуси под влиянием атмосферной циркуляции

Ключевые слова: общая циркуляция атмосферы, погода, климат, водный режим, весеннее половодье, долгосрочный сценарий.

Цель работы: установить пространственно-временные закономерности формирования речного стока в пределах территории Беларуси в зависимости от общей циркуляции атмосферы.

Методы исследования: пространственно-временной анализ, сравнительно-географический, статистические (корреляционный, регрессионный, факторный анализ), картографический методы.

Полученные результаты и их новизна: впервые установлены закономерности формирования водного режима рек Беларуси под влиянием атмосферной циркуляции с использованием длительного периода наблюдений (1900-2005 гг.). Определены гидрометеорологические условия на территории Беларуси при разных формах атмосферной циркуляции в зимний сезон и особенности формирования максимального стока весеннего половодья. Произведена оценка повторяемости наводнений весеннего половодья и вероятности их возникновения в зависимости от динамики атмосферной циркуляции. Получены количественные характеристики метеорологических элементов (температуры воздуха и осадков) и расходов воды для разных периодов атмосферной циркуляии и определены типовые значения речного стока. Разработан сценарий формирования речного стока во время весеннего половодья на реках Беларуси.

Рекомендации по использованию: полученные результаты рекомендуются для оценки многолетних колебаний водности рек Беларуси и объяснения причин (естественных, антропогенных) изменения водного режима рек, а также для использования при разработке природоохранных мероприятий и привлечения в качестве оперативной информации при определении масштабов наводнений во время весеннего половодья.

Область применения: устойчивое развитие, планирование и проектирование природопользования, учебный процесс.

Summary

Danilovich Irina Sergeevna

Geographic peculiarities of water regime forming according related to the atmospheric circulation

Key words: atmospheric circulation, weather, climate , water regime, spring flood, long-term forecasting.

The work purpose: to define the spatio-temporal peculiarities of stream flow forming within the territory of Belarus according to atmospheric circulation.

Research methods: the spatio-temporal analysis, comparative-geographical, statistical methods (correlation, regress and factor analysis), cartographical.

The results and scientific novelty: for the first time the spatio-temporal peculiarities of water regime forming in Belarus have been defined according to atmospheric circulation with using of long-term instrumental observation period 1900-2005. Hydrometeorological conditions under different forms of atmospheric circulation in winter season and forming of maximal steam flow were described. The assessment of floods frequencies and probability of their occurrence have been done. Quantitative characteristics of meteorological elements (air temperature and precipitation) and discharges for different atmospheric periods have been obtained and typical values of stream flow were calculated. The scenery of stream flow forming during the spring floods has been created.

Use recommendations: results are recommended to be used for the assessment of stream flow variability on rivers in Belarus and reason acknowledgement (natural and anthropogenic) of changes in water regime, for improvement of measure in sphere of nature protection and for definition of spring floods size.

Sphere of application: sustainable development, resources conservation, planning and projection in nature management, education.

Краткое введение

Актуальность темы диссертационного исследования связана с наблюдающимися глобальными процессами изменения климата и необходимостью оценки их влияния на формирование водных ресурсов Беларуси. Общая циркуляция атмосферы, являясь важнейшим климатообразующим фактором, обуславливает формирование гидрометеорологических условий территории и водного режима рек.

С изменением климата связана повторяемость стихийных гидрометеорологических явлений. К таковым на территории Беларуси можно отнести наводнения во время прохождения весеннего половодья и дождевых паводков. Анализ стихийных гидрометеорологических явлений и оценка влияния изменения климата на водный режим рек является одним из направлений реализации концепции устойчивого развития Республики Беларусь.

Общая характеристика работы

Связь с крупными научными программами, темами. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с темами научно-исследовательских разработок Белорусского государственного университета ГПОФИ «Природопользование» задание 11 «Изучение тенденций развития природных и искусственных гидроэкосистем замедленного водообмена под воздействием циклических биосферных процессов и антропогенных факторов и разработка путей оптимизации их режима для устойчивого использования» (Белорусский государственный университет, рук. Власов Б.П., 2006?2010 гг. №ГР 20061203), в который входит НИР «Долгосрочное прогнозирование водности рек Беларуси» (Белорусский государственный университет, рук. Данилович И.С., 2007 г.); «Разработать рекомендации по рациональному использованию природного потенциала Воложинского региона» (Белорусский государственный университет, рук. Лопух П.С., 2004?2009 гг., № ГР 20041667); «Оценка влияния атмосферной циркуляции на гидрологический режим рек Беларуси» (Белорусский государственный университет, рук. Данилович И.С., 2006 г., №ГР 2062364); в соответствии с темой НИР БРФФИ-РФФИ «Роль современных изменений снежного покрова и климата в формировании речного стока Восточно-Европейской равнины» (Республиканский гидрометеорологический центр, рук. Мельник В.И., 2009?2010 гг., № ГР 20081984).

Цель и задачи исследования

Цель диссертационной работы заключалась в установлении пространственно-временных закономерностей формирования водного режима рек в пределах территории Беларуси в зависимости от общей циркуляции атмосферы. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

· исследовать многолетние колебания форм атмосферной циркуляции, температуры воздуха, осадков и расходов воды рек за период с 1900 по 2005 гг., установить зависимость формирования гидрометеорологических условий территории Беларуси от повторяемости форм циркуляции атмосферы и определить количественные и качественные характеристики типичных условий формирования речного стока при каждой форме циркуляции;

· выявить тенденции изменений во внутригодовом распределении, сезонном стоке, режиме максимальных расходов воды весеннего половодья, термическом и ледовом режимах рек и определить их циркуляционную обусловленность в период с 1988 по 2005 гг.;

· установить закономерности формирования речного стока в зимний и весенний сезоны на территории Беларуси в зависимости от интенсивности Северо-атлантического колебания (САК);

· разработать сценарий формирования максимальных расходов воды весеннего половодья на реках Беларуси с учетом динамики общей циркуляции атмосферы.

Объектом исследования является речной сток, формирующийся в пределах территории Беларуси, предмет исследования ? особенности формирования водного режима под воздействием атмосферной циркуляции.

Положения, выносимые на защиту:

1. Общая циркуляция атмосферы, обуславливающая отклонения климатических характеристик от средних многолетних значений и формирование различных гидрометеорологических условий, определяет пространственно-временные закономерности колебаний речного стока на территории Беларуси. Преобладание западной формы атмосферной циркуляции обеспечивает значения наибольших расходов воды во время весеннего половодья ниже нормы, при восточной и меридиональной формах атмосферной циркуляции ? выше нормы, что предопределяет высокую вероятность наводнений в период весеннего половодья.

2. Региональные особенности формирования водного режима рек Беларуси, выраженные в пространственной дифференциации модулей максимальных расходов воды по территории Беларуси: при западной форме циркуляции модули увеличиваются с юго-запада на северо-восток от 10 до 32 л/с км², при восточной и меридиональной - с юга-юго-запада на восток от 25 до 85 л/с км².

3. Тенденции изменений внутригодового распределения стока, минимального и максимального стока, нарушения ледового и термического режимов рек Беларуси в период с 1988 по 2005 гг. В результате высокой повторяемости в этот период западной формы циркуляции в зимний сезон произошло увеличение минимального зимнего расхода на 50?155 %, уменьшение максимального расхода весеннего половодья на 50?70 %, начало весеннего половодья зафиксировано на 1,5-2 недели раньше, а также отмечается уменьшение максимальной толщины льда и увеличение температуры воды в реках.

4. Сценарий формирования максимальных расходов воды во время весеннего половодья на реках Беларуси, предусматривающий три варианта формирования отклонений максимальных расходов воды весеннего половодья от средних многолетних значений. При преобладании западной формы циркуляции и положительных индексах САК в зимний сезон максимальные расходы воды будут колебаться в пределах 40?80 % от средних многолетних значений, что предопределяет низкую вероятность наводнений, при восточной форме циркуляции и отрицательных индексах САК ? 130?190 %, при меридиональной ? 120?170 % от средних многолетних значений, что свидетельствует о высокой вероятности наводнений во время весеннего половодья.

Личный вклад соискателя

Диссертационная работа является самостоятельно выполненным научным исследованием, основанным на обработке и анализе материалов инструментальных наблюдений Департамента по гидрометеорологии, анализе опубликованных литературных источников. Автор с 2000 г. как сотрудник отдела гидрологии Республиканского гидрометеоцентра принимает участие в подготовке «Ежегодных данных о ресурсах поверхностных вод» (гидрологические ежегодники), а также в подготовке разделов по гидрологии в межведомственных изданиях «Государственный водный кадастр» и «Экологический бюллетень». Автор принимал участие в работе по подготовке к изданию «Справочника стихийных гидрометеорологических явлений», материалов по оценке влияния изменения климата на гидрологический режим рек и озер Беларуси. Самостоятельно автором рассмотрены многолетние колебания климатических и гидрологических характеристик по территории Беларуси для разных эпох атмосферной циркуляции (по Г.Я. Вангенгейму ? А.А. Гирсу) за 1900?2005 гг. и объяснены причины изменения водного режима рек. Выявлены закономерности формирования метеорологических условий и речного стока в зимний и весенний сезоны в связи с повторяемостью форм атмосферной циркуляции.

Исследовано влияние Северо-атлантического колебания на формирование гидрологического режима рек, рассмотрены многолетние колебания индексов Северо-атлантического колебания и объемов речного стока для разных эпох атмосферной циркуляции.

Разработан сценарий формирования максимальных расходов воды весеннего половодья на реках Беларуси, составленный на основании выборки типовых лет из многолетнего ряда наблюдений с характерными циркуляционными процессами, гидрометеорологическими условиями и тенденциями формирования речного стока, предусматривающий три варианта развития весенних процессов в количественных показателях на реках в пределах физико-географических провинций.

Апробация результатов диссертации

Материалы диссертации докладывались на 59-й научной конференции студентов и аспирантов БГУ (Минск, 2003 г.), II Международной научной конференции «Теоретические и прикладные проблемы геоэкологии» (Минск, 2006 г.), на Международном водном форуме «Современное состояние, проблемы и перспективы использования трансграничных водных объектов» (Минск, 2006 г.), второй конференции молодых ученых НГМС «Новые методы и технологии в гидрометеорологии» (Москва, 2006 г.), XXIII Nordic hydrological conference (Tallinn, 2004), XXIV Nordic hydrological conference (Danva, 2006), 15^th Stockholm Water Symposium (Stockholm, 2005), международной конференции «Сахаровские чтения 2005: экологические проблемы 21 века» (Минск, 2005 г.), IV Всероссийском гидрологическом съезде (Санкт-Петербург, 2004 г.), 3-й Международной научной конференции «Дистанционное зондирование природной среды: теория, практика, образование» (Минск, 2006), IV Международной научно-практической конференции «Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация» (Минск, 2007), 5^th International Study Conference on BALTEX (Эстония, 2007).

Опубликованность результатов

По результатам проведенных исследований опубликовано 24 научные работы: 7 статей в научных рецензируемых журналах, 2 ? в сборниках научных статей, 10 ? в материалах конференций, 4 ? в тезисах докладов конференций, в том числе 7 публикаций, соответствующих п. 18 Положения о присуждении ученых степеней и присвоении ученых званий в Республике Беларусь, объемом 2,52 авторских листа (общий объем ? 5,62 авторских листа).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из перечня условных обозначений, введения, общей характеристики работы, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 156 наименований, восьми приложений. Общий объем диссертации ? 178 страниц. Объем, занимаемый 15 таблицами на 5 страницах, 36 рисунками на 10 страницах, 8 приложениями на 71 странице, библиографическим списком на 10 страницах, составляет 90 страниц.

Основное содержание работы

В первой главе изложены теоретические и методологические основы исследования общей циркуляции атмосферы, климата и речного стока в пределах территории Беларуси.

В диссертационной работе использована комбинированная методика исследования, основанная на применении двух методов оценки влияния атмосферной циркуляции на гидрометеорологические условия региона. Первый из них ? макроциркуляционный метод долгосрочного прогнозирования, разработанный в Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте Росгидромета (ААНИИ) под руководством Я.Г. Вангенгейма и А.А. Гирса. Второй метод предложен Дж.Харреллом из Национального центра по изучению атмосферы (США), который рассчитал индексы Северо-атлантического колебания.

Макроциркуляционный метод (по Г.Я. Вангенгейму и А.А. Гирсу) основан на классификации всех синоптических процессов в трех типах атмосферной циркуляции ? западном (W), восточном (Е) и меридиональном (С), для каждого из которых характерны свои особенности состояния атмосферы. Макропроцессы определенного типа сохраняются в течение продолжительного времени (циркуляционные эпохи). В результате формируется определенный тип погоды, а затем и климат территории.

Макроциркуляционный метод описывает циркуляцию атмосферы на трех пространственных уровнях и является действующим оперативным методом, который используется более 50 лет и актуален в настоящее время. Территория Беларуси в пространственном аспекте соответствует зоне действия данного метода.

Для всестороннего анализа при оценке связи циркуляции атмосферы и речного стока Беларуси использованы индексы Северо-атлантического колебания (САК, NAO), свидетельствующие об интенсивности циркуляции атмосферы в Атлантико-евразийском секторе. Определенные наработки в этой области имеются в Польше, где ведущим учреждением выступает Познанский университет. Учеными этого учреждения установлены закономерности формирования стока рек Западной Европы в соответствии с динамикой индекса Северо-атлантического колебания. Изучением влияния Северо-атлантического колебания на сток рек России занимается Государственный гидрологический институт (Россия, г. Санкт-Петербург). Однако на региональном уровне, в частности применительно к территории Беларуси, подобные исследования требуют детализации.

Основополагающие идеи в области климатологии, использованные в настоящем исследовании, изложены в работах М.И. Будыко, А.Н. Витченко, М.А. Гольберга, А.И. Кайгородова, Н.В. Кобышевой, В.Ф. Логинова, В.И. Мельника, в которых представлены обобщения климатических характеристик и анализ их изменения.

Расчетная часть работы опирается на результаты исследования гидрологического режима рек Беларуси. Фундаментальным исследованием в этой области является обобщение многолетних данных о ресурсах поверхностных вод под редакцией К.А. Клюевой (1978). На современном этапе изучением условий формирования речного стока на территории Беларуси занимался А.А. Волчек (2002).

Методика исследования. Для выявления пространственных закономерностей формирования водного режима рек под влиянием атмосферной циркуляции использованы схемы физико-географического и гидрологического районирования территории Беларуси. Границы физико-географических провинций и гидрологических районов имеют значительные общие территории, что дало возможность осуществить сопряженный анализ формирования речного стока.

В работе рассматривался период с 1900 по 2005 гг. Исходными данными послужили данные наблюдательной сети Департамента по гидрометеорологии: характеристики стока (среднемесячные и годовые расходы воды, максимальные расходы воды весеннего половодья, внутригодовое распределение стока, даты основных фаз гидрологического режима рек) по 40 гидрологическим постам, метеорологические элементы (среднемесячная, сезонная и годовая температура воздуха, месячные, сезонные и годовые суммы осадков, максимальные запасы воды в снеге) по 24 метеорологическим станциям.

Для исследования влияния атмосферной циркуляции на формирование водного режима рек Беларуси использованы картографический, сравнительный, системный методы, методы статистического анализа ? корреляционный (линейная корреляция Пирсона), регрессионный и дисперсионный анализ (t-критерий Стьюдента), факторный анализ.

Для определения величины стока в зимний сезон и наибольших значений расходов воды во время весеннего половодья при западной, восточной и меридиональной формах циркуляции проведен анализ многолетних колебаний атмосферной циркуляции, климатических и гидрологических характеристик. Оценена связь между этими элементами, выявлены синхронные колебания, рассмотрены колебания климатических и гидрологических характеристик по периодам, совпадающим с эпохами атмосферной циркуляции.

Прежде всего, вычислены отклонения речного стока от средних многолетних значений для зимнего сезона (декабрь-февраль) и максимального стока весеннего половодья за каждый год. Во внимание принимались отклонения расходов воды, которые отличались от среднего многолетнего значения (1900?2005 гг.) на 10 % в большую или меньшую сторону. Таким образом, в расчеты приняты статистически значимые отклонения расходов воды по критерию Стьюдента (Р_случ<5 %). Из многолетнего ряда наблюдений выбраны типичные годы, когда в зимний и весенний сезоны наблюдалось преобладание одной из форм атмосферной циркуляции. Затем сезонные расходы воды за зиму и наибольшие расходы воды весеннего половодья по каждому посту осреднены по годам с преобладанием одной из форм атмосферной циркуляции и произведен анализ разницы между полученными значениями по критерию Стьюдента.

Для исследования территориальных закономерностей распределения речного стока в период весеннего половодья проведен анализ этих показателей по физико-географическим провинциям и гидрологическим районам Беларуси с учетом всех форм атмосферной циркуляции, который показал пространственную дифференциацию формирования водного режима рек на территории Беларуси.

Во второй главе рассмотрены многолетние колебания общей циркуляции атмосферы и климатических характеристик территории Беларуси по периодам, совпадающим с эпохами атмосферной циркуляции, оценены их отклонения от средних многолетних значений и их пространственное распределение, установлены закономерности формирования метеорологических условий (температуры воздуха, атмосферных осадков) на территории Беларуси в зависимости от повторяемости западной, восточной и меридиональной форм атмосферной циркуляции (по Г.Я. Вангенгейму и А.А. Гирсу).

В эпоху западной циркуляции (1900?1928 гг.) температура воздуха в зимний сезон колебалась в пределах нормы, а летом отмечалась прохладная погода с отклонениями температуры воздуха в переделах до ?1 ^оС. В эпоху восточной циркуляции (1929?1939 гг.) наблюдались холодная погода зимой (отклонения температуры воздуха достигали ?1,5 ^оС) и теплая летом (положительные отклонения были в пределах +1,0…+1,3 ^оС). Меридиональная эпоха циркуляции (1940?1948 гг.) выделялась низкими температурами во все месяцы, отклонения температуры воздуха зимой составили ?1,5…?3,0 ^оС, летом колебались в пределах 1 ^оС. Комбинированная меридиональная+восточная эпоха (1949?1970 гг.) отличалась холодной погодой в зимние месяцы и начале весны, отклонения достигали ?1,5 ^оС, в остальные месяцы отмечалась температура незначительно выше нормы. Восточная эпоха (1971?1995 гг.) характеризовалась повышенной температурой зимой и в начале весны, отклонения составили +1,0…+1,3 ^оС, что связано с постепенным увеличением повторяемости западной формы циркуляции в зимний сезон. Западная эпоха (1996?2005 гг.) отличалась высокими положительными аномалиями (до +2,7 ^оС) во все месяцы, но наибольшие положительные отклонения характерны для зимы, что объясняется преобладающей западной формой циркуляции зимой.

Наибольшее количество осадков выпадало в эпохи западной циркуляции (1900?1928 гг. и 1996?2005 гг.). В первом периоде 1900?1928 гг. наибольшее количество осадков приходилось на январь, в период 1996?2005 гг. ? на февраль. Наименьшее количество осадков отмечено в эпоху меридиональной циркуляции в зимние месяцы. В остальные эпохи атмосферной циркуляции отклонения осадков от нормы незначительные.

Преобладание процессов западной формы циркуляции атмосферы обуславливает оттепельную погоду с положительными отклонениями среднемесячной температуры воздуха в январе, феврале на +2,5…+4,0 ^оС. Отклонения месячных сумм осадков за месяц составляют 10?15 % от нормы.

Восточная форма циркуляции обуславливает отрицательные отклонения среднемесячной температуры воздуха в зимние месяцы ?2,0…?3,6 ^оС, причем наибольшие отклонения характерны для северной части Беларуси, наименьшие ? для западной. Осадки при восточной форме атмосферной циркуляции в декабре-феврале составляют 112?139 % от месячной нормы, за исключением северной части, где отмечен недобор 10?25 %.

При преобладании меридиональной циркуляции погода зимой в Беларуси формируется под влиянием арктических воздушных масс, отрицательные отклонения среднемесячной температуры составляют ?1,5…?2,8 ^оС. Вместе с тем в периоды с преобладанием меридиональной циркуляции в Беларуси устанавливается очень холодная погода с наиболее низкими отрицательными температурами воздуха до ?25…?30 ^оС. Осадки в это время выпадают меньше нормы и составляют 69?95 % в декабре, 64?81 % в январе, а в феврале близки к норме.

В третьей главе приведены результаты исследования многолетних колебаний гидрологических характеристик, оценены их отклонения от средних многолетних значений, рассмотрена повторяемость стихийных гидрологических явлений в зависимости от преобладания западной, восточной и меридиональной форм атмосферной циркуляции.

В эпоху западной циркуляции (1900?1928 гг.) в зимний сезон сток колебался в пределах многолетних значений и был ниже на 10?20 %, а весной на 10?20 % выше средних многолетних значений. Пониженный речной сток зимой объясняется невысокой повторяемостью западной формы в этот сезон, основное количество случаев западной формы приходилось на лето. В эпоху восточной циркуляции (1929?1939 гг.) речной сток в зимний сезон наблюдался ниже на 10?30 %, а весной выше на 20?60 % по сравнению со средним многолетним. В меридиональную эпоху (1940?1948 гг.) и меридиональную+восточную эпоху (1949?1970 гг.) отмечен очень низкий зимний сток (на 10?40 % ниже среднего многолетнего), а весной речной сток оказался выше до 20 % по сравнению со средним многолетним (рисунок 1).



Рисунок 1 ? Изменение модулей максимальных расходов воды весеннего половодья и индексов Северо-атлантического колебания за декабрь-март

В эпоху восточной (1971?1995 гг.) и западной (1996?2005 гг.) циркуляции отмечается повышенный зимний сток до 25 %, а весной пониженный ? до 45?87 % от среднего многолетнего, что связано с постепенным увеличением повторяемости западной формы циркуляции начиная с 1970 г. Наибольшее количество случаев с западной формой циркуляции приходилось на зимний сезон, в отличие от эпохи западной циркуляции в период 1900?1928 гг.

Речной сток весной, количество и масштаб наводнений во время весеннего половодья существенно отличались по циркуляционным эпохам (таблица 1). В эпоху западной циркуляции (1900?1928 гг., 1996?2005 гг.) максимальные расходы весеннего половодья наблюдались ниже средних многолетних значений; в эти периоды отмечено наименьшее количество наводнений (всего 2) во время весеннего половодья. В эпоху восточной циркуляции (1929?1939 гг., 1971?1995 гг.) условия для формирования весеннего половодья более благоприятны, что обусловило высокую повторяемость (каждые 4 года) наводнений в период весеннего половодья. В эпоху меридиональной циркуляции (1940?1948 гг.) формировались условия для высокого с наводнением весеннего половодья, которые отмечались трижды за 9 лет. Наиболее благоприятные условия для формирования высокого весеннего половодья наблюдались в эпоху комбинированной восточной+меридиональной эпохи (1949-1970 гг.), когда отмечено наибольшее количество наводнений (каждые два года) и зафиксированы экстремальные значения характеристик весеннего половодья.

Таблица 1 ? Повторяемость наводнений весеннего половодья различных градаций на реках Беларуси за период 1900?2005 гг.

Градация наводнений	Форма циркуляции атмосферы
	Западная W	Восточная E	Меридиональная C	Восточная+Меридион. E+C
Катастрофические, обеспеченность 1%		1931 г.		1956 г. 1958 г.
Выдающиеся, обеспеченность 1?2%	1999 г. (Припять)	1929 г. 1974 г. 1979 г.	1941 г.	1951 г.
Большие, обеспеченность до 10%	1908 г.	1932 г. 1970 г. 1975 г. 1981 г.	1940 г. 1947 г.	1953 г. 1962 г. 1963 г. 1965 г. 1968 г.

На основании выборки лет с преобладанием определенной циркуляции рассчитаны значения речного стока в зимний и весенний сезоны, которые приняты как типичные для каждой формы циркуляции.

Западная форма циркуляции атмосферы в зимний сезон обуславливает повышенный речной сток на реках Поозерской провинции (Западно-Двинский гидрологический район); на отдельных реках Полесья и самой р. Припять речной сток оказывается выше средних многолетних значений на 50?68 %. На реках Западно-Белорусской провинции (Вилейский и Неманский районы) превышения речного стока составляют 27?37 %, Восточно-Белорусской (Верхне-Днепровский район) ? 40?42 %, Предполесской провинции (Центрально-Березинский район) и р. Днепр ? на 32?40 %.

При восточной форме циркуляции в зимний сезон сток ниже нормы отмечается по всей территории Беларуси. На территории Поозерской провинции его объем составляет 65?75 %, Восточно-Белорусской провинции и Предполесской ? 77?81 %, в пределах территории Западно-Белорусской провинции ? 77?87 %, Полесской провинции ? 70?81 % от среднего многолетнего стока.

В годы с преобладанием меридиональной формы циркуляции меженный сток зимой составляет 72?85 % от среднего многолетнего значения в пределах территории Поозерской и Западно-Белорусской провинций, 66?76 % на реках Восточно-Белорусской провинции, 67?83 % в Предполесской провинции, 63?83 % в Полесской провинции, На реках Днепр и Сож сток составляет около 80 % , на Припяти и ее притоках Горыни и Уборти - 60 % от среднего многолетнего.

Речной сток во время весеннего половодья формируется следующим образом. Наименьшие значения модулей максимальных расходов воды отмечены на юго-западе и составляют 10?12 л/с км² (Полесская провинция (V)), постепенно увеличиваясь в центральной части до 16 л/с км² (Западно-Белорусская (II) и Предполесская провинции (III))_, и достигают наибольших значений 32 л/с км² на северо-востоке (Поозерская провинция (I)) (рисунок 2).



Рисунок 2 ? Модули максимальных расходов воды весеннего половодья в годы с преобладанием западной (W) формы циркуляции (л/с км²)

Максимальные расходы воды весеннего половодья наблюдаются значительно ниже средних многолетних и составляют 63?81 % от нормы на реках Поозерской провинции, 40?67 % в Восточно-Белорусской провинции, 33?57 % в пределах Западно-Белорусской провинции, 53?65 % в Предполесской провинции, 40?76 % на реках Полесья. При преобладании западной циркуляции начало весеннего половодья наступает раньше обычных сроков ? в среднем на две недели, и заканчивается половодье раньше до двух недель.

Восточная форма циркуляции обуславливает устойчивую морозную погоду в течение зимнего сезона, в результате чего к весеннему сезону происходит накопление запасов воды в снеге, что определяет высокие значения модулей максимальных расходов воды весеннего половодья. Наименьшие значения модулей отмечены на юго-юго-западе (Полесская провинция (V)) и составляют около 25 л/с км². Увеличение модулей происходит в направлении запада (Западно-Белорусская провинция (II) ? до 55 л/с км²), севера (Поозерская провинция (I) ? до 70 л/с км²) и востока (Восточно-Белорусская провинция (IV)), где отмечены наибольшие значения модулей ? до 85 л/с км² (рисунок 3).

Рисунок 3 ? Модули максимальных расходов воды весеннего половодья в годы с преобладанием восточной (E) формы циркуляции (л/с км²)

Максимальные расходы воды составляют 129?162 % от средних многолетних значений на реках Поозерской провинции, 140?171 % в Восточно-Белорусской провинции, 150?200 % в пределах Западно-Белорусской провинции, 145?165 % в Предполесской провинции, 159?192 % на реках Полесской провинции. В такие годы половодье обычно начинается позже обычного, пик проходит позже обычных сроков.

В годы с преобладанием меридиональной формы циркуляции в зимний сезон, когда наблюдается преимущественно очень холодная погода, происходит накопление запасов воды в снеге и наблюдается более глубокое промерзание почвы, что затрудняет впитывание воды в начале весны и обуславливает дополнительный сток талых вод в реки. Модули максимальных расходов воды после таких зим наблюдаются выше средних многолетних значений. Наименьшие значения модулей отмечены на юго-юго-западе (Полесская провинция) и составляют около 20 л/с км², постепенно увеличиваясь к северо-востоку (Поозерская провинция) до 55 л/с км², но наибольшие значения модулей зафиксированы на северо-западе (Поозерская провинция) и юго-востоке (Восточно-Белорусская провинция) и колеблются в пределах 65-70 л/с км² .

Отклонения максимальных расходов составляют 118?129 % на реках Поозерской провинции, 131?146 % в Восточно-Белорусской провинции, 137?160 % в пределах территории Западно-Белорусской провинции, 130?144 % в Предполесской провинции, 123?169 % в Полесской провинции. Начало весеннего половодья и пик наблюдаются позже обычных сроков на 1?1,5 недели.

На основании вышеизложенного сформулирован сценарий формирования максимального стока весеннего половодья. При западной форме циркуляции зимой на реках Беларуси следует ожидать повышенный сток в зимний сезон и низкое весеннее половодье, при котором максимальные расходы воды будут составлять 33?81 % от средних многолетних значений. Увеличение повторяемости восточной формы и наступление более холодных и снежных зим обусловит формирование высокой водности рек во время весеннего половодья и максимальные расходы ожидаются в пределах 129?200 % от средних многолетних значений. В случае преобладания меридиональной формы циркуляции с холодными зимами ожидается высокое весеннее половодье и максимальные расходы будут составлять 118?169 % от средних многолетних значений. При таких высоких значениях максимальных расходов воды во время весеннего половодья будет происходить подтопление прилегающих территорий ? населенных пунктов, сельскохозяйственных угодий, естественных ландшафтов.

В четвертой главе рассмотрено взаимодействие Северо-атлантического колебания (САК) и формирования речного стока в пределах территории Беларуси. Для оценки взаимодействия Северо-атлантического колебания и формирования стока рек Беларуси была использована линейная корреляция Пирсона. Получены коэффициенты корреляции между:

а) среднемесячными индексами САК и среднемесячными расходами воды;

б) сезонными индексами САК и сезонными расходами воды;

в) среднегодовыми индексами САК и среднемесячными и среднегодовыми расходами воды;

г) сезонным индексом САК за декабрь-март и среднемесячными, сезонными и среднегодовыми расходами воды.

Выявлена статистически значимая связь Северо-атлантического колебания и стока рек Беларуси. Наиболее высокие коэффициенты получены при корреляции сезонных индексов САК_{декабрь-март} и расходов воды за декабрь-март (0,4?0,6). При разделении рядов в соответствии с периодами эпох атмосферной циркуляции получены более высокие значения коэффициентов. При преобладании зональных процессов индексы получены положительные и высокие (до 0,7). Во время меридиональных процессов отмечаются наиболее высокие значения коэффициентов корреляции, но они отрицательные (до ?0,9). При процессах восточной формы коэффициенты также отрицательные и составляют до ?0,7.

Индексы Северо-атлантического колебания характеризуют условия формирования речного стока в пределах Беларуси в зимний и весенний сезоны. Положительные значения индексов свидетельствуют о преобладании западной формы циркуляции, отрицательные ? о восточной и меридиональной. В последние десятилетия наблюдается высокая повторяемость положительных значений индексов Северо-атлантического колебания, что обусловило изменения в гидрологическом режиме рек Беларуси. Для оценки происходящих изменений в период 1988?2005 гг. выполнен детальный анализ гидрологических характеристик.

Колебания среднегодового стока в период 1988?2005 гг. происходили в соответствии с выпадением осадков, поэтому влияния потепления на среднегодовые расходы не обнаружено. Увеличились средние месячные расходы воды на реках всей территории Беларуси на 30?90 % в январе-марте, и особенно в марте на реках бассейна Западной Двины на 170?200 %.

Отмечено увеличение минимального зимнего расхода в сравнении с предшествующим периодом на малых реках до 155 %, на больших реках увеличение составило от 45 до 85 %, на средних на 16?61 % (рисунок 4).

Рисунок 4 - Минимальные расходы воды за зимний сезон

Среднее значение максимальных расходов воды в период 1988?2005 гг. по отношению к предыдущему периоду составило на малых и средних реках бассейна Западной Двины 46?52 %, на самой р. Западная Двина 71?75 %, на реках бассейна Немана 39?54 %, реках Днепр и Сож ? 31?50 %, р. Припять ? 67 % (рисунок 5). Слой стока весеннего половодья уменьшился в реках бассейна Западной Двины на 5?21 %, на самой р. Западная Двина слой стока не изменился, на р. Неман уменьшился на 24?36 % , р. Днепр ? на 24?47 %, р. Припять ? на 10?11 %.

Рисунок 5 - Максимальные расходы воды весеннего половодья

Установлены сроки наступления ледовых явлений, ледостава, наибольшей толщины льда, отмечено смещение дат начала весеннего половодья, прохождения наибольшего расхода воды и его окончания. Из-за неустойчивой и теплой погоды в зимний период наибольшая толщина льда и продолжительность ледостава была меньше средних многолетних значений.

Заключение

Основные научные результаты диссертации

Проведенные исследования влияния атмосферной циркуляции на формирование водного режима рек Беларуси позволили сделать следующие выводы:

1. Температурный режим и режим выпадения осадков на территории Беларуси в период 1900?2005 гг. формировались в соответствии с развитием общей циркуляции атмосферы, т.е. периоды изменения трендов климатических характеристик совпадают с эпохами атмосферной циркуляции. Формирование метеорологических условий в каждую эпоху происходило в зависимости от чередования форм циркуляции по сезонам [3, 16].

В эпоху западной циркуляции 1900?1928 гг. температура воздуха в зимний сезон колебалась в пределах нормы в отличие от западной эпохи в период 1996?2005 гг., когда наибольшие положительные отклонения температуры воздуха зафиксированы в зимние месяцы (до 2,7 ^оС). Летний сезон характеризовался прохладной погодой с отклонениями температуры воздуха в пределах до ?1 ^оС. В эпоху восточной циркуляции 1929?1939 гг., меридиональной 1940?1948 гг. и комбинированной (меридиональной+восточной) эпохи 1949?1970 гг. отмечалась холодная погода в зимние месяцы и начале весны, когда отклонения достигали ?1,5…-3,0 ^оС; в остальные месяцы отмечалась температура незначительно выше или ниже нормы. Восточная эпоха 1971?1995 гг. характеризовалась повышенной температурой зимой и в начале весны (отклонения составили +1,0…+1,3 ^оС), что связано с постепенным увеличением повторяемости западной формы циркуляции в это время.

Наибольшее количество осадков выпадало в эпохи западной циркуляции (1900?1928 гг. и 1996?2005 гг.). Наименьшее количество осадков отмечено в эпоху меридиональной циркуляции зимой. В остальные эпохи атмосферной циркуляции отклонения осадков от нормы незначительные [1, 2, 19, 23].

2. Установлено, что преобладание каждой из трех форм атмосферной циркуляции в зимний сезон определяет разные условия, определяющие формирование стока весеннего половодья и характеризуются следующим образом:

? преобладание западной формы циркуляции обуславливает оттепельную погоду в зимний сезон, положительные отклонения среднемесячной температуры воздуха в январе, феврале составляют +2,5…+4,0 ^оС. Количество осадков при западной форме колеблется в пределах нормы, однако они не накапливаются в виде снега, а быстро тают и способствуют лишь насыщению почвы влагой;

? при установлении восточной циркуляции на территории Беларуси среднемесячная температура воздуха зимой ниже нормы, отклонения колеблются в пределах ?2,0…?3,6 ^оС. Осадки выпадают в твердом виде и запасы воды в снеге к весеннему половодью составляют 112?139 % от нормы;

? при меридиональной форме циркуляции зимой над территорией Беларуси формируются области отрицательных температур воздуха с наиболее низкими значениями температуры до ?25…?30 ^оС. Месячные аномалии температуры воздуха невелики и составляют ?1,5…?2,8 ^оС. При меридиональной форме отмечается дефицит влаги, количество выпавших осадков зимой составляет 40?80 % от нормы [7, 18, 19].

3. Максимальные расходы воды весеннего половодья в эпоху западной циркуляции (1900?1928 гг., 1996?2005 гг.) наблюдались ниже средних многолетних значений; в эти периоды отмечено наименьшее количество наводнений (всего 2) во время весеннего половодья. В эпоху восточной циркуляции (1929?1939 гг., 1971?1995 гг.) условия для формирования весеннего половодья были более благоприятны, что обусловило высокую повторяемость (каждые 4 года) наводнений в этот период. В эпоху меридиональной циркуляции (1940?1948 гг.) формировались условия для высокого весеннего половодья, которые отмечались трижды за 9 лет. Однако наиболее благоприятные условия для формирования высокого весеннего половодья наблюдались в эпоху комбинированной восточной+меридиональной эпохи, когда отмечено наибольшее количество наводнений (каждые два года) и зафиксированы экстремальные значения характеристик весеннего половодья [10, 24].

4. Господство западной формы циркуляции обуславливает повышенный речной сток в зимний сезон и низкое весеннее половодье, при котором расходы воды ожидаются около 33?81 % от средних многолетних значений; при восточной форме характерна высокая водность рек во время весеннего половодья, максимальные расходы воды в этот период будут составлять 129?200 %; меридиональная форма циркуляции характеризуется высоким весенним половодьем, при котором наибольшие расходы воды составят 118?169% от средних многолетних значений [6, 7].

Чередование форм атмосферной циркуляции определило территориальное распределение модулей максимальных расходов воды по территории Беларуси: при западной форме циркуляции модули увеличиваются с юго-запада на северо-восток от 10 до 32 л/с км², при восточной и меридиональной - с юга-юго-запада на восток от 25 до 85 л/с км².

5. Индексы Северо-атлантического колебания характеризуют условия формирования стока рек Беларуси в зимний и весенний сезоны. Положительные значения индексов свидетельствуют о преобладании западной формы циркуляции, когда формируется низкий сток весеннего половодья и наибольшие расходы воды составляют 40?80% от средних многолетних значений, а отрицательные значения ? о преобладании восточной и меридиональной форм, которые благоприятны для формирования высокого стока весеннего половодья 130?200% от нормы [4, 5, 15, 17, 22].

6. Происходящие изменения климата Беларуси за период 1988?2005 гг. обусловили перераспределение внутригодового стока, что привело к увеличению режима меженных расходов зимнего сезона 16-85 % (на малых реках до 155 %), уменьшению максимальных расходов воды весеннего половодья на 30-40 %, раннему началу, окончанию и сокращению ледоставного периода на реках, уменьшению толщины льда и смещению дат перехода температуры воды весной через характерные интервалы весной [8, 9, 11?14, 20, 21].

Рекомендации по практическому использованию результатов

Результаты проведенных исследований внедрены в практику ГУ «Республиканский гидрометеорологический центр» для проведения научно-исследовательских проектов и выполнения расчетных работ (акт внедрения от

14.10.2008 г.). Сценарий формирования максимального стока рек весеннего половодья на территории Беларуси при разных формах атмосферной циркуляции внедрен в практику Республиканского центра управления и реагирования на чрезвычайные ситуации МЧС для использования при определении масштабов весеннего половодья и прогнозировании чрезвычайных ситуаций на реках Беларуси (акт внедрения от 03.02.2010 г.). Результаты исследования формирования и распределения речного стока Беларуси под влиянием общей циркуляции атмосферы внедрены в практику РУП «Центральный научно-исследовательский институт комплексного использования водных ресурсов» (акт внедрения от 04.02.2010 г.).

Теоретические и практические результаты исследования рекомендованы к внедрению в учебный процесс при подготовке специалистов-гидрометеоро-логов (справка о возможном практическом использовании от 20.02.2008 г.).

Список публикаций соискателя по теме диссертации

Статьи в научных журналах

1. Лопух, П.С. Анализ водобалансовых характеристик и уровенного режима озера Нарочь за многолетний период / П.С. Лопух, Л.А. Некрасова, И.С. Данилович // Вестн. Белорус. гос. ун-та. Сер. 2, Химия. Биология. География. ? 2004. ? №1. ? С. 87?94.

2. Данилович, И.С. Водный баланс и уровенный режим водоемов Беларуси / И.С. Данилович // Вестн. Белорус. гос. ун-та. Сер.2, Химия. Биология. География. ? 2005. ? № 3. ? С. 110?114.

3. Данилович, И.С. Влияние атмосферной циркуляции на сток рек Беларуси в зимний и весенний сезоны / И.С. Данилович, Л.Б. Трофимова // Природные ресурсы. ? 2007. ? № 1. ? C. 39?46.

4. Данилович, И.С. Влияние Северо-атлантического колебания на сток рек Беларуси / И.С. Данилович, Д. Вжезински, Л.А. Некрасова // Вестн. Белорус. гос. ун-та. Сер. 2, Химия. Биология. География. ? 2007. ? № 3. ? С. 52?58.

5. Danilovich, I. Impact of the North Atlantic Oscillation on river runoff in the Belarus part of the Baltic Sea basin / I. Danilovich, D. Wrzesinski, L. Nekrasova // Nordic Hydrology. ? 2007. ? Vol. 38. ? № 4?5. ? P. 413?423.

6. Лопух, П.С. Перспективы прогнозирования формирования максимального весеннего стока рек Беларуси на ближайшую и далекую перспективу / П.С. Лопух, И.С. Данилович // Весцi БДПУ. Сер. 3, Фiзiка. Матэматыка. Iнфарматыка. Бiялогiя. Геаграфiя. ? 2008. ? № 4. ? С. 40?44.

7. Данилович, И.С. Сценарии формирования стока рек Беларуси в период весеннего половодья на 2010?2050 гг. / И.С. Данилович, П.С. Лопух // Вестн. Белорус. гос. ун-та. Сер. 2, Химия. Биология. География. ? 2009. ? № 2. ? С. 85?88.

Статьи в сборниках научных трудов

8. Данилович, И.С. Влияние изменения климата в период 1988?2002 гг. на гидрологический режим рек и водоемов Беларуси / И.С. Данилович // Сборник 60-й научной конференции студентов и аспирантов Белгосуниверситета: в 3 ч. Минск, 17?20 мая 2004 г.; рец.: В.В. Амелькин [и др.]. - Минск: БГУ, 2004. ? Ч. 2. ? C. 69?71.