Використання регіональної моделі клімату (REMO) для оцінювання тенденцій коливань стоку води в басейні Дністра

Ключові слова: модель клімату, стік, верифікація

Аннотация

кліматичний басейн чисельний

Осуществлена проверка численной климатической модели REMO, приведены результаты ее проверки для территории исследуемого бассейна Днестра. Выявлены закономерные отклонения в полученных результатах прогнозирования. Для уменьшения отклонений прогнозированных значений предложено использование переходного коэффициента, применение которого позволяет уменьшить процент отклонений почти в два раза. Подтверждена достоверность предполагаемых тенденций колебаний стока и возможность применения данной климатической модели для прогнозирования стока воды на реках бассейна Днестра.

Ключевые слова: модель климата, сток, верификация.

Abstract

In order to confirm the possibility of predictive climate models using for the flow modelling in the Dniester river basin, the REMO climate model was verified.

The verification was carried out on the basis of comparison of the simulated values and data from the hydrological observation network. The data of 28 hydrological stations on the Dniester and its tributaries were used. The reference period for testing the model was from 1971 to 2000. In total, 11 136 values of the average monthly and 917 values of the average annual water flow were used.

According to the results of the conducted research, it was found that in most cases, the average annual flow value, taken from the model REMO, is lower, compared with the data from the hydrological observation network. The mean annual flow in the Dniester basin according to the hydrological observation network is 9.25 l/skm2, based on the model REMO - 8.27 l/skm2.

In order to reduce the deviations of the predicted values, it was proposed to use a correction factor, it can reduce the percentage of deviations from the measured values by half.

The assessment of the relationship between the data from the hydrological observation network and model values was carried out on the basis of determining the coefficient of pair correlation with the subsequent calculation of the regression equation. It was found that the correlation coefficient for a pair of data of the average long-term value - measured and model - is close to 1, which confirms the possibility of modelling not only for certain designated areas but also for individual hydrological stations.

This research shows that the model REMO reliably predicts water flow changes in the Dniester river basin, taking into account the peculiarities of flow formation in different parts of the studied basin.

Keywords: climate model, water flow, verification

Основна частина

Вступна частина. У зв'язку із прогнозними змінами клімату постає питання, як зміняться водні ресурси в майбутньому - їхня кількість і якість. Рівень забезпеченості України водними ресурсами є недостатнім і визначається формуванням річкового стоку та наявністю ресурсів підземних вод. Тому передбачити кількість води, яка буде доступною Україні в майбутньому, дуже важливо для нинішніх дослідників. Одна з головних проблем - оцінити можливі зміни гідрологічного режиму річок у вразливих паводконебезпечних регіонах унаслідок змін клімату [8].

У досліджуваному нами басейні Дністра, що характеризується формуванням дощових паводків, які завдають руйнівних наслідків економіці двох країн - України та Молдови, до пріоритетних належать проблеми змін водного режиму, деградації сільськогосподарських земель, а також наслідки впливу змін клімату для водопостачання населення. Для басейну Дністра ймовірна зміна об'єму і сезонного розподілу стоку - один із критичних наслідків зміни клімату. Уже сьогодні повені в басейні завдають значних збитків господарству і населенню. Комплекс протипаводкового захисту, якій нині існує, лише частково виконує свої функції. Подальші кліматичні зміни ймовірно призведуть до зростання інтенсивності та нерівномірності опадів - особливо сильних дощів - і пов'язаних із ними підвищень рівня води у річці Дністер та її притоках [7].

Аналіз попередніх досліджень. Питання впливу змін клімату досліджувалося багатьма вченими в усьому світі. На сьогоднішній день існує низка досліджень, які підтверджують достовірність твердження про те, що зміни клімату впливають на характеристики гідрологічного режиму, водний баланс, водні ресурси та стік окремих річок чи країн. Значного поширення у світі набув метод дослідження змін стоку в умовах змін клімату, заснований на використанні глобальних і регіональних проекцій моделей загальної циркуляції атмосфери та океану [2]. Серед українських дослідників питаннями прогнозування майбутніх значень річкового стоку займалися Горбачова Л.О., Сніжко С. І., Краковська С.В., Букша І. Ф., Гожик П.Ф., Ємельянова Ж.Л., Трофимова І. В., Шерешевський А. І., Гопченко Є. Д., Лобода Н.С. та ін. Результати, отримані різними вченими в різні часи, не повністю задовольняють потреби господарства країни при розрахунках майбутніх об'ємів водних ресурсів. Удосконалення минулих і створення нових методик і підходів до прогнозування змін стоку залишається актуальною проблемою сьогодення.

Мета роботи. Основним завданням даного дослідження є верифікація (тестування) результатів чисельного моделювання REMO щодо кількісних показників стоку на території України (у межах річкового басейну Дністра). Тестування проводилося через порівняння результатів моделі з даними мережі пунктів спостережень за стоком води за відповідний період.

Методика досліджень. Моделювання стоку на сьогоднішній день є незамінним інструментом сучасної гідрології для прогнозу майбутніх змін гідрологічного режиму. Для підтвердження достовірності прогнозованих значень річкового стоку необхідно здійснити верифікацію обраної моделі. Від верифікації моделей залежить достовірність можливих майбутніх змін як клімату, так і водного стоку [4]. Фактичними даними, які використовувалися для верифікації моделі, були значення середньорічних витрат води за даними мережі гідрометричних спостережень у басейні. Для їх порівняння з даними моделі середньомісячні витрати води було переведено в значення модулів стоку за формулою

де Q - витрата води, м³/с; а F - площа водозбору, км².

Для верифікації моделі для території басейну Дністра було використано щомісячні результати її розрахунку за 30 років, з 1970 до 2000 включно, обрано частину цілої моделі, яка включає повністю територію басейну Дністра. Усього для порівняння було використано 11136 середньомісячних і 917 середньорічних значень витрат води, переведених у модулі стоку.

Виходячи з досвіду попередніх дослідників [5], методика верифікації чисельної моделі як клімату, так і стоку для конкретної території (у нашому випадку для конкретного річкового басейну) полягає в такому:

• проводиться аналіз середніх багаторічних значень місячних і річних витрат води;

• вивчається просторовий розподіл зазначеної характеристики, визначаються проблемні (з погляду формування гідрологічного режиму) ділянки;

• аналізується місячний, а далі річний хід витрат води по кожному гідрологічному посту.

Майбутні зміни водного стоку річок басейну Дністра оцінено за даними регіональної кліматичної моделі REMO/ECHAM5 для сценарію А1В. Регіональну модель (REMO) було розроблено в Інституті метеорології Макса Планка (м. Гамбург) [5]. REMO об'єднує колишню чисельну модель прогнозу погоди EUROPA-MODELL для розрахунків термодинамічних характеристик і блоку глобальної кліматичної моделі ECHAM5, у якому розраховуються процеси хмаро - та опадоутворення, проходження потоків сонячної радіації в атмосфері, вплив підстильної поверхні на теплові потоки з урахуванням альбедо й типу поверхні.

Оскільки поверхневий стік є комплексним параметром, що залежить від низки факторів, то в моделі REMO він параметризований як результат взаємодії кількості опадів, підстильної поверхні, від типу якої залежить інфільтрація, і приземної температури, з якою пов'язане випаровування.

Середній багаторічний стік змінюється по території басейну Дністра в значних межах. У карпатській частині басейну в середньому щорічно випадає 800-1000 мм опадів на рік, тому стік у цій ділянці більш або менш рівномірно розподілений протягом року, відповідно до режиму випадання опадів. У рівнинній лівобережній частині басейну, де опадів випадає в середньому до 600-750 мм на рік, основна частина стоку проходить у весняний період, у зв'язку з таненням снігових запасів. У південній Причорноморській частині басейну Дністра більшість річок характеризуються періодичним стоком, який спостерігається під час сніготанення та випадання інтенсивних дощів. Неоднорідність характеристик стоку добре простежується за даними просторового розподілу модуля стоку річок басейну, який змінюється від 14,9 до 32,7 л/с-км² у гірській частині Дністра та від 7,46 до 11,3 л/с-км² - у Передкарпатті.

На ріках західної частини лівобережжя Дністра середні багатолітні модулі річного стоку змінюються від 3,52 до 5,33 л/с-км²; у нижній течії цих річок вони знижуються і коливаються від 3,42 до 4,70 л/с-км². У південній рівнинній частині басейну Дністра середні річні модулі стоку знижуються більш різко і становлять від 0,73 до 1,01 л/с-км² [3]. Значний вплив на природний стік досліджуваної території, особливо в її середній і нижній частинах, справляє господарська діяльність, виражена в перерозподілі стоку протягом року внаслідок зарегульованості його численними водосховищами та ставками, як великими, так і малими [1]. За умовами живлення і відповідно до орографічних і кліматичних особливостей розрізняють три основні групи річок у басейні Дністра: гірські, що характеризуються проходженням паводків протягом цілого року; річки Подільської височини з високим весняним водопіллям і літніми дощовими паводками; рівнинні степові річки, які характеризуються високою хвилею весняного водопілля та незначним стоком в інші частини року; нерідко річки тут пересихають [6].

Для дослідження було використано дані спостережень на 17 річках-притоках Дністра (19 гідрологічних постів) і самому Дністрі (9 гідрологічних постів). Обрана мережа гідрологічних постів повністю покриває басейн Дністра та добре характеризує умови формування водного стоку річок на всій території басейну.

Виклад основного матеріалу. У табл. 1 наведено порівняння осереднених за період досліджень (19712000 рр.) значень модуля стоку води окремо для кожного досліджуваного гідрологічного поста, а також відсоткове відхилення значень двох наборів даних.

Таблиця 1. Модуль стоку (л/с-км²) річок басейну Дністра (осереднений за 1971-2000 рр.)