Використання моделі граничної інтенсивності для оцінки впливу глобальних змін клімату на максимальний стік весняного водопілля в басейні Дністра

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеський державний екологічний університет

Використання моделі граничної інтенсивності для оцінки вплив у глобальних змін кліма ту на максимальний стік весняного водопілля в басейні дністра

Овчарук Валерія Анатоліївна

Постановка проблеми. Оскільки наявність змін у водному та льодовому режимі річок при сучасних змінах регіонального клімату є установленою, постає питання про прогнозування стану поверхневих водних ресурсів України на основі кліматичних сценаріїв. Такого роду прогнози можуть бути наданими за допомогою математичних моделей, які враховують зв'язки між кліматичними чинниками та характеристиками водності річок [5]. В Одеському державному екологічному університеті розроблена модель «клімат-стік» [6, 7], яка базується на рівнянні воднотеплового балансу території й використовує метеорологічні дані, як спостережені, так і наведені в кліматичних сценаріях [8].

За кордоном на сучасному етапі розвитку гідрометеорологічної науки питанню можливих глобальних змін клімату присвячена велика кількість досліджень [9-15], які виконуються на рівні міжурядової групи експертів по змінах клімату (МГЕЗК), що була створена у 1988 р. Метою створення такої групи є надання всеосяжної оцінки стану науково- технічних і соціально-економічних знань про зміни клімату, його причини, потенційні наслідки і стратегії реагування. З моменту свого створення МГЕЗК підготувала чотири багатотомні доповіді, які представлені на http ://ipcc. ch/index.htm.

Підґрунтям для сучасних досліджень проекцій змін клімату і водних ресурсів виступають чотири основні сюжетні лінії СДСВ (Спеціальна доповідь про сценарії викидів, в рамках яких розглядається низка можливих змін чисельності населення й економічної активності на протязі XXI століття [13, 14]). Сценарії є також засобом для аналізу тих чинників, які можуть впливати на показники майбутніх викидів, а також для оцінки пов'язаних з ними невизначеностей.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Зміни клімату, що найбільш інтенсивно відбуваються на території України на протязі останніх двадцяти років, безумовно, вплинули на гідрологічний режим річок України. Свого часу у роботі [1] була виконана оцінка впливу можливих змін клімату на водність Дніпра. Зміна водних ресурсів України у зв'язку із кліматичними умовами досліджена вченими Одеського державного екологічного університету, зокрема, Лободою Н.С. [2]. Що стосується аналізу впливу на стік річок сучасних змін клімату, то дане питання добре висвітлено у роботах [3,4]. Так, за даними Гребеня В.В., кліматичні зміни, що найбільш інтенсивно відбуваються на території України впродовж останніх двадцяти років, спричинили зміни багатьох параметрів гідрологічного режиму річок, зокрема, й характеристик весняного водопілля. Г оловною причиною цього є зміна умов його формування: суттєве підвищення температури повітря зимового сезону, що призводить до частих відлиг та скорочення снігозапасів; зменшення величини промерзання ґрунту; зростання величини інфільтрації та переведення частини поверхневого стоку у підземний [4].

Виділення невирішених раніше частин загальної проблеми. Регіональні та глобальні зміни клімату, як це показано багатьма вченими [9-15], спричиняють суттєві зміни в формуванні максимального стоку річок, як в світі в цілому, так і на території України. Тем не менш, на теперішній час відсутні рекомендації щодо врахування цих змін при розрахунках максимального стоку річок рідкісної ймовірності перевищення.

Постановка завдання. Метою даного дослідження є розробка науково-методичних рекомендацій щодо врахування змін клімату при розрахунках максимального стоку весняного водопілля в басейні р. Дністер на базі моделі граничної інтенсивності.

Виклад основного матеріалу. В роботах [16, 17] запропоновані науково-методичні підходи щодо врахування можливих змін клімату на максимальний стік весняного водопілля рівнинних річок України. Зокрема, пропонується в рамках операторної моделі формування максимального стоку вносити відповідні «кліматичні поправки» до розрахункових значень максимальних витрат води.

В даній роботі в якості базової рекомендується формула граничної інтенсивності, яку можна віднести до типу операторних. Від відомих формул подібного типу вона відрізняється тим, що в ній реалізується модель «опади - схиловий приплив - русловий стік», а не «опади - русловий стік». Запропонована структура граничної інтенсивності має розрахунковий вигляд:

розрахунковий модуль максимального стоку весняного водопілля (м3/с-км2), забезпеченістю P%;

- трансформаційна функція розпластування (в розмірності

1/год.) хвиль водопілля під впливом часу руслового добігання, яка визначається залежно від співвідношень між tp і Tq за формулами:

де n - показник степені у рівнянні кривої припливу, m - показник степені у рівнянні кривих ізохрон;

У1% - шар стоку за період водопілля опорної забезпеченості Р = 1%, в мм;

sF - коефіцієнт русло - заплавного зарегулювання; r - коефіцієнт зарегулювання максимального стоку водоймами руслового типу (озерами, водосховищами, ставками);

Лр - перехідний коефіцієнт від опорної забезпеченості Р% = 1 % до інших.

У такому вигляді формула (1) може застосовуватися в тих випадках, коли нормування характеристик максимального стоку весняного водопілля ведеться тільки на основі стокової інформації. Але нерідко буває, що стокові дані обмежені. Тому в таких ситуаціях рекомендується в якості базової характеристики використовувати не шари стоку Ym , а максимальні снігозапаси до початку сніготанення Sm і опади за час водопілля. Тоді (1) прийме вигляд [18, 19]:

де 1] - коефіцієнт стоку; Sm - максимальні снігозапаси до початку водопілля; х - кількість опадів від дати Sm до закінчення водопілля.

Таким чином, в рамках формули граничної інтенсивності у вигляді (6) може бути реалізована і прогнозна схема, зокрема, моделювання можливих змін клімату. В свою чергу, поправки вносяться через прогнозні значення максимальних снігозапасів, опадів під час водопілля та коефіцієнтів стоку, які розраховуються відповідно до залежностей між ними та прогнозними значеннями середньорічної температури повітря та опадів за різними моделями і сценаріями. Описуються вони лінійними рівняннями з високими коефіцієнтами кореляції:

S_m = 0,204X - 68,3; r = 0,88;

X(III - V) = 0,22X; r = 0,82;

П = 1 - 0,102(t - 4); r = 0,90,

де X та t - середньорічні значення опадів та температури повітря. Коефіцієнт змін клімату буде розраховуватися за формулою

k = & m + X ) прогн. П прогн. (Sm + X )2010 П2010

де (Sm + X)прогн. та ППрогН. - прогнозні значення максимальних снігозапасів, опадів під час водопілля та коефіцієнти стоку, відповідно;

(Sm + X)2010 та П2010 - значення максимальних снігозапасів, опадів під час водопілля та коефіцієнтів стоку, які розраховані станом на 2010 р.

Результати дослідження та їх аналіз. Для середньої (Подільської) та нижньої (Причорноморської) частин басейну Дністра виконане моделювання значень максимальних модулів стоку весняного водопілля з урахуванням прогнозних значень двох прогностичних моделей - HadCM3, яка розроблена Центром Хедлі по дослідженню та прогнозуванню клімату (метеорологічна служба Великобританії MetOffice) та CCSM3, що розроблена Національним центром атмосферних досліджень (NCAR, США) [13, 15]. Для розрахунку використані прогнозовані середні зміни річних опадів і температур повітря для сценаріїв А1В, А2, В1 та COMMIT для території України на періоди 2010- 2039 рр., 2040-2069 рр. та 20702099 рр. по відношенню до 1980-1999 рр., які представлені залежностями цих величин від географічних координат місцевості [20, 21].

За моделлю HADCM3 (рис.1), для середньої (Подільської) та нижньої (Причорноморської) частин басейну р. Дністер за сценарієм А1В коефіцієнт змін клімату зростає для періоду 2010-2039 рр. практично в 2 рази (кзм =1,91), а для періодів 2040-2069 рр., 2070-2099 рр., навпаки, зменшуються - (кзм=1,03, кзм =0,47, відповідно). Аналогічні результати отримані і для розрахунку кліматичних змін за сценарієм А2: для періоду 2010-2039 рр. коефіцієнт змін клімату дорівнює кзм=1,99; для 2040-2069 рр. - кзм=1,18; для 2070-2099 рр. - 0,46.

Рис.1. Прогнозні значення коефіцієнтів змін кзм максимального стоку весняного водопілля для середньої (Подільської) та нижньої (Причорноморської) частин басейну р. Дністер за моделлю HADCM3 (сценарії А1В, А2, B1, COMMIT)

За сценарієм В1 прогнозується збільшення стоку річок, як і за попередніми сценаріями, для періоду 2010-2039рр.- кзм =1,92. Проте для періодів 2040-2069 рр., 2070-2099 рр. отримані більші значення, ніж за сценаріями А1В та А2 - коефіцієнти змін клімату дорівнюють кзм=1,40 та кзм=1,00, відповідно.

Результати розрахунків за сценарієм COMMIT значно відрізняються від розрахунків за іншими сценаріями. Тут прогнозується суттєве збільшення стоку на період 2010-2039рр. - кзм =2,35; й практично стабілізація цієї величини для 2040-2069 рр. - кзм =2,44.

Розрахунки за моделлю CCSM3 дають дещо інший результат (рис. 2).

Рис.2. Прогнозні значення коефіцієнтів змін кзм максимального стоку весняного водопілля для середньої (Подільської) та нижньої (Причорноморської) частин басейну р.Дністер за моделлю NCAR CCSM3 (сценарії А1В, А2,Б1, COMMIT)

Сценарій А1В вказує на поступове зменшення стоку річок з кожним наступним періодом років (2010-2039 рр. - кзм =0,66; 2040-2069рр. - кзм =0,35; 2070- 2099 рр. - кзм =0,26). За сценарієм А2 прогнозується суттєве зменшення стоку для всіх трьох періодів (коефіцієнти змін клімату дорівнюють: кзм =0,70, кзм =0,46 та кзм =0,10, відповідно). За сценарієм В1 отримані схожі результати (2010-2039 рр. - кзм =0,68; 2040-2069 рр. - кзм =0,50), а за період 2070-2099 рр. очікується невелике збільшення стоку (кзм =0,54). За сценарієм COMMIT для періодів 2010-2039 рр. та 20402069 рр. отримані однакові результати кзм = 0,91, а в період 2070-2099 рр. очікуватиметься невелике збільшення стоку, порівняно з попередніми роками - кзм = 0,93. снігозапас опади водопілля повітря

Оцінюючи результати моделювання, можна відмітити, що, на нашу думку, модель CCSM3 дає більш реальні результати для розглядуваної території, ніж HADCM3. В цілому ж, отримані результати показують лише можливість врахування глобальних кліматичних змін при розрахунках максимального стоку річок. Для отримання більш надійних результатів необхідна верифікація моделей для конкретних територій, але ця задача не входила в межи даного дослідження.

Висновки

На сучасному етапі гідрологічних розрахунків актуальною є проблема врахування можливих регіональних та глобальних змін клімату. Пропонований варіант розрахунку з використанням даних по максимальних снігозапасах й опадах в період водопілля відкриває можливості моделювання впливу змін клімату на максимальний стік весняного водопілля. З використанням моделей CCSM3 та HADCM3 наведені приклади розрахунку коефіцієнтів змін клімату для різних сценаріїв та періодів часу для річок в басейні Дністра. Моделювання дає досить різні результати, які можуть бути використані лише за умов верифікації моделей для досліджуваного регіону.

Список використаних джерел

1. Шершевский А.И. Оценка влияния возможных изменений климата на водность р. Днепр / А.И. Шершевский, Л.К. Синицкая // Тр. УкрНИГМИ. - 1998. - Вып.246. - С.86- 94.

2. Лобода Н.С. Водні ресурси України у зв'язку із кліматичними умовами / Н.С.

3. Лобода, Є.Д. Гопченко // Україна: географічні проблеми сталого розвитку. - К.: ВГЛ «Обрії», 2004. - т.3. - С.144-146.

4. Вишневський В.І. Зміни клімату і річкового стоку на території України і Білорусі / І. Вишневський // Наук.праці УкрНДГМІ. - 2001. - Вип.249. - с.89-105.

5. Гребінь В.В. Сучасні зміни умов формування та окремих характеристик весняного водопілля річок України / В.В Гребінь // Науковий вісник Чернівецького університету. - 2013. - Вип.483. Географія. - С.11-16.

6. Лобода Н.С. Стан водних ресурсів р.Дністер за сценаріями глобального потепління/ Н.С.Лобода, В.П. Дорофєєва // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія. - 2011. - Т.3(24). - 36-44.

7. Лобода Н.С. Нормування характеристик природного річного стоку України / Н.С. Лобода, Є.Д.Гопченко // Наук.праці УкрНДГМІ. - 2003. - Вип.252. - С.5-10.

8. Лобода Н.С. Расчеты и обобщения характеристик годового стока рек Украины в условиях антропогенного влияния / Н.С. Лобода. - Одесса: Экология, 2005.- 208 с.

9. Гопченко Е.Д. Оценка возможных изменений водних ресурсов Украины в условиях глобального потепления/ Е.Д.Гопченко, Н.С, Лобода // Гидробиологический журнал. - 2000. - Т.36, №3. - С.67-68.

10. Пачаури Р.К. Изменение климата, 2007: Обобщающий доклад. Вклад рабочих групп І, ІІ и ІІІ в Четвертый доклад об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата / Р.К.Пачаури, А.Райзингер и др. - МГЭИК: Женева, Швейцария, 2007. - 104 с.

11. Robock A. Forty five years of observed soil moisture in Ukraine: no summer desiccation (yet)/ A.Robock and Co-authors // Geophys. Res. Lett. - 2005.- V.32, L03401.

12. Dunne K.A. Global pattern of trends in streamflow and water availability in a changing climate/ Dunne K.A., P.C.D.Milly, A.V.Vecchia // Nature. - 2005. - V. 438(7066). - P. 347350.

13. Бэйтс Б.К. Изменение климата и водные ресурсы. Технический документ Межправительственной группы экспертов по изменению климата / Б.К.Бэйтс,

14. З.В.Кундцевич, С.У.Палютикоф. - Секретариат МГЭИК, Женева, 2008. - 228 с.

15. Nakicenovic N. Special Report on Emissions Scenarios / N.Nakicenovic, R.Swart. - Cambridge University Press: Cambridge, 2000. - 599 p.

16. Резюме для лиц, определяющих политику. Сценарии выбросов: Специальный доклад рабочей группы III МГЭИК. - МГЭИК: ВМО, 2000. - 20 с.

17. Гопченко Є.Д. Науково-методичні підходи до врахування глобальних змін клімату при розрахунках максимального стоку річок / Є.Д.Гопченко, В.А.Овчарук, І.Г.Семенова // Вісник державного екологічного університету. - Одеса: Екологія, 2012. Вип.14. - С. 141-150.

18. 17.Semenova I. On use of drought indices in modeling hydrological processes / I. Semenova, V. Ovcharuk, J. Shakhirzanova // SGEM 2014. Geoconference on Water Resources: Hydrology and Water Resources, 17-26 June 2014. Conference Proceedings. - Albena, 2014.

19. Траскова А.В. Розрахункові характеристики максимального стоку весняного водопілля річок лівобережжя Дністра / А.В.Траскова // Географические и геоэкологические исследования в Украине и сопредельных территориях: Материалы Всеукраинской научной конференции с международным участием студентов, аспирантов и молодых учених. - Симферополь: ДИАЙПИ, 2012. - С. 41-42.

20. Траскова А.В. Реализация модели предельной интенсивности для рек левобережья Днестра / А.В.Траскова // Водные ресурсы, екология и гидрологическая безопасность: сборник трудов VI международной научной конференции молодых ученых и талантливых студентов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института водных проблем РАН; 28-30 ноября 2012 г./ Отв. Ред. Н.Н. Митина. М: ИВП РАН, 2012. - С. 111-113.

21. Гопцій М.В. Про можливі зміни розрахункових характеристик максимального стоку весняного водопілля на території України під впливом глобальних коливань клімату/ М.В.Гопцій, Є.Д.Гопченко, В.А.Овчарук, Н.М.Швець //Проблеми гідрології, гідрохімії, гідроекології: Мат. 6-ої Всеукр. наук. конф. з міжнар. участю. - Дніпропетровськ: ТОВ «Акцент 1111», 2014.- С.53-56.

Анотація

Метою роботи є оцінка можливого впливу глобальних змін клімату на розрахункові характеристики максимального стоку весняного водопілля річок басейну Дністра. Методика дослідження базується на використанні моделі граничної інтенсивності в редакції проф. Гопченка Є.Д.(2005). Ця модель дозволяє врахувати можливі зміни кліматичних факторів, таких як максимальні снігозапаси та опади підчас водопілля, безпосередньо, використовуючи їх зв'язок з температурою повітря та опадами.

Результати: з використанням двох прогностичних моделей CCSM3 та HADCM3 наведені приклади розрахунку коефіцієнтів змін клімату. Для їх визначення використані прогнозовані середні зміни річних опадів і температур повітря для сценаріїв А1В, А2, В1 та COMMIT для території України на періоди 2010-2039 рр., 2040-2069 рр. та 2070-2099 рр. по відношенню до 1980-1999 рр., які представлені залежностями цих величин від географічних координат місцевості. Моделювання дає досить різні результати й може бути використане лише за умов верифікації моделей для досліджуваного регіону.

Науковою новизною є можливість моделювання стоку при змінах клімату, якщо замість шарів стоку, які зазвичай використовуються у більшості відомих формул, застосовуються максимальні снігозапаси та опади під час водопілля. Вперше, на прикладі піднесено-рівнинної частини басейну Дністра, визначені коефіцієнти змін клімату з використанням даних моделей CCSM3 та HADCM3 для різних сценаріїв та періодів часу для їх врахування при визначенні максимального стоку весняного водопілля.

Практична значимість: такий підхід дає можливість застосування отриманих даних моделювання змін клімату відомих прогностичних центрів для території України, зокрема, в межах басейну р. Дністер.

Ключові слова: максимальний стік, водопілля, зміни клімату, модель.

Методика исследования базируется на использовании модели предельной интенсивности в редакции проф. Гопченка Е.Д. (2005). Эта модель позволяет учесть возможные изменения климатических факторов, таких как максимальные снегозапасы и осадки во время половодья, непосредственно, используя их связь с температурой воздуха и осадками.

Результаты: с использованием двух прогностических моделей CCSM3 и HADCM3 приведены примеры расчета коэффициентов изменений климата. Для их определения использованы прогнозируемые средние изменения годовых осадков и температур воздуха для сценариев А1В, А2, В1 и COMMIT для территории Украины на периоды 2010-2039 гг., 2040-2069 гг. и 2070-2099 гг. по отношению к 1980-1999 гг., которые представлены зависимостями этих величин от географических координат местности. Моделирование дает достаточно разные результаты и может быть использовано только при условии верификации моделей для исследуемого региона.

Научной новизной является возможность моделирования стока при изменениях климата, если вместо слоев стока, которые обычно используются в большинстве известных формул, применяются максимальные снегозапасы и осадки во время половодья._ Впервые на примере возвышенно-равнинной части бассейна Днестра, определены коэффициенты изменений климата с использованием данных моделей CCSM3 и HADCM3 для различных сценариев и периодов времени для их учета при определении максимального стока весеннего половодья.

Практическая значимость: такой подход дает возможность применения полученных данных моделирования изменений климата известных прогностических центров для территории Украины, в частности, в пределах бассейна р. Днестр.

Ключевые слова: максимальный сток, паводок, изменения климата, модель.

The objective is to assess the possible impact of global climate change on the design characteristics of the spring flood maximum runoff of rivers Dniester Basin.

Technique of research based on the use of models in the wording of the limit intensity prof. Gopchenko E.D. (2005). This model allows us to take into account possible changes in climatic factors such as rainfall and maximum snow storage during flood directly using their relation to air temperature and precipitation.

Results: using two prediction models CCSM3 and HADCM3 provides examples calculating the coefficients of climate change. For their determination used the projected average annual changes in precipitation and air temperature for scenarios A1B, A2, B1 and COMMIT to the territory of Ukraine for the period 2010-2039, 2040-2069 and 2070-2099 years with respect to the the 1980-1999., which shows the dependences of these quantities on the geographical coordinates of the area. Modelling gives quite different results and may be used only if the verification models for the study region.

Scientific novelty is the possibility of simulating runoff under climate change if instead of layers of flow, which are commonly used in most well-known formulas are applied maximum snow stocks and precipitation during the flood. For the first time on the example of sublimely flat part of the Dniester River basin, the coefficients were determined of climate change using data models and CCSM3 HADCM3 for different scenarios and time periods for their account in determining the maximum runoff of spring floods.

Practical significance: this approach allows for the use of the data modeling of climate change known prognostic points for the territory of Ukraine, in particular, within the limits the Dniester River Basin.

Key words: maximum flow, flood, climate change model.

Размещено на Allbest.ru