Введение
Озёра- водоёмы замедленного водообмена, которые распространены практически повсеместно. Наибольшее их скопление приурочено к областям древнего и современного оледенения, к районам крупных тектонических разломов земной коры и к засушливым регионам, не имеющим стока в океан. На Земном шаре зафиксировано около 10 млн. озёр с общей площадью 2.1 млн. км2, что составляет примерно 1.5 % всей площади суши. Суммарный объём воды в озёрах более 176 тыс. км2.
Среди этих озёр есть сточные, бессточные и периодически сточные объекты. Существование каждого из этих типов озёр определяется климатическими условиями и особенностями строения самих озёрных систем. В свою очередь это приводит к формированию различной структуры их водных балансов. Известно, что в зоне избыточного увлажнения озёра всегда сточные, в зоне недостаточного - бессточные, но при определённом соотношении площади озера и его бассейна озёра могут быть сточными. Колебания климата приводят к периодическим изменениям увлажнённости территории и озёра становятся периодически сточными.
Озёра широко используются в хозяйственных целях. Прежде всего, они являются источниками водоснабжения, орошения, водоприёмниками, путями сообщения и регуляторами стока вытекающих рек. Одновременно озёра представляют интерес для галургии, добычи сапропеля, водной растительности, рыбного хозяйства и рекреации.
С другой стороны, озёра являются частью озёрных природных комплексов, чутко реагирующих на изменения, происходящие на их бассейнах. Это, прежде всего, изменяющиеся климатические условия и антропогенная деятельность. Причём некоторые виды хозяйственной деятельности могут влиять и на изменения климата, который в свою очередь воздействует на водный режим озер.
Озёра являются частью общей гидрографической сети и участвуют в большом круговороте воды в природе, внутриматериковом влагообороте, влияют на характеристики речного стока. В засушливых областях озёра часто являются конечным звеном гидрографической сети и имеют благоприятные условия для засоления, расходуя воду лишь на испарение. Неправильное использование озёр и их бассейнов в хозяйственных целях может повлечь за собой негативные изменения в окружающем ландшафте (затопление, засоление, заболачивание, изменение трофического статуса, вплоть до исчезновения). Такие же изменения могут иметь место и при изменениях климата, особенно при его долговременных колебаниях.
Перечисленные типы озёр различаются гидрологическим режимом, связанным с колебаниями уровней воды и внешним водообменном, а так же физическими свойствами воды и её химическим составом. Совокупность этих свойств формирует условия существования лимнических или терригенных процессов, влияет на формирование трофического статуса этих водоёмов.
Для рационального использования и охраны озёр, долгосрочного планирования использования озёрного фонда, следует знать его возможные изменения. Таким образом, при изучении озёр необходимо обратить внимание на два основных фактора: климат и подстилающая поверхность (активные и адаптивные факторы). Поэтому основная цель работы заключается в оценке распределения разнотипных озёр по территории при современной климатической ситуации и в условиях её изменения.
Для исследования выбрана территория Северной и Центральной Евразии, включающей Россию, Среднюю Азию и Северную Монголию, где насчитывается более 3 млн. озёр, общей площадью превышающей 500 тыс. км2 (без Каспийского и Аральского морей) и объёмом заключённой в них воды - более 30 тыс. км3.
Эта территория расположена в разных географических зонах - достаточного, недостаточного и избыточного увлажнения. Поэтому, здесь имеется большое
количество разнотипных озёр, широко использующихся в хозяйственных целях.
Основная цель работы заключается в оценке распределения разнотипных озёр по территории при современной климатической ситуации и в условиях её изменения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи, которые и являются предметом защиты:
- дать характеристику особенностей современного климата в разных частях рассматриваемой территории;
- разработать методику определения условий, при которых формируются перечисленные выше типы озёр, и приёмы картирования характеристики, определяющей эти типы;
- исследовать закономерности распределения разнотипных озёр на рассматриваемой территории в условиях современного климата;
- исследовать вопросы возможных изменений климата в ближайшем будущем (с настоящего времени до конца века) и произвести анализ предлагаемых климатических сценариев;
- произвести построение карт распределения по территории разнотипных озёр при современной климатической ситуации и в условиях меняющегося климата. Оценить возможные изменения в распределении озёр;
- исследовать структуру водного баланса разнотипных озёр, формирование их режимных характеристик и оценить возможные изменения в условиях меняющегося климата.
Актуальность темы была подтверждена на V и прошедшем осенью 2004 года VI гидрологических съездах, где ряд исследований был посвящен изучению водных ресурсов и их использованию в новых социально -экономических условиях с учётом возможных изменений климата [1, 2, 3, 4]. В частности указывается, что исходя из потребностей развития экономики России, среди задач в области гидрологии озёр, выступает изучение реакции гидрологических характеристик водоёмов различных географических зон на
современные и ожидаемые изменения климата, а также тенденции этих изменений во времени и, особенно за последние два десятилетия в условиях новых социально-экономических реалий и заметного потепления глобального климата. Как известно, в течение XX столетия глобальная температура воздуха повысилась примерно на 0.6°С, при этом наиболее заметное потепление имело место в умеренных широтах Северного полушария начиная с 80-х годов. В [5] указывается, что водные ресурсы играют исключительно важную роль в развитии аридных и полуаридных (засушливых) природных зон и их социально — экологическом благополучии. Для этих зон, особенно в условиях меняющегося климата, в целом характерно количественное и качественное истощение водных ресурсов по мере их использования, а так же нарушение естественных режимов и экологического равновесия природных комплексов.
Научная новизна исследования заключается в разработке способов определения условий формирования разнотипных озёр в разных географических зонах, основанной на расчётах водного баланса и оценке его структуры при взаимодействии климатических факторов (активных) и факторов подстилающей поверхности (адаптивных) для условий современного климата. Результатом этого исследования является построение карт зонального распределения разнотипных озёр на исследуемой территории. Одновременно, впервые предложены приёмы расчёта водного баланса в условиях меняющегося климата. В этом случае рассматривались современные представления о некоторых климатических сценариях близкого и далёкого будущего, для условий одного из которых были пересчитаны водные балансы озёр. На основании результатов этих расчётов и применения разработанной методики определены новые условия формирования разнотипных озёр и построены новые карты их предполагаемого распределения. При этом проведён анализ распределения озёр и сравнение карт современного распределения озёр и при заданном изменении климата. Кроме того, дана оценка этих предполагаемых в будущем изменений и возможных изменений
режимных характеристики озёр. Результаты исследований должны быть полезными при хозяйственном использовании озёрного фонда, его охраны в современных условиях, планировании его рационального использования и охраны в условиях меняющегося климата. Кроме того, результаты расчётов можно использовать для оценки изменений гидрографической сети. Основные результаты получены автором в рамках бюджетных и хоздоговорных тем кафедры гидрологи суши РГГМУ.
8
1 Природные условия Северной и Центральной Евразии
1.1 Природные зоны и условия увлажнения.
Для исследования закономерностей распределения озёр по территории, необходимо составить общее представление об особенностях её природных условий, куда входят особенности климата и подстилающей поверхности.
Исследуемая территория Северной и Центральной Евразии представлена широким разнообразием климатических зон и ландшафтов, что открывает возможность для изучения распределения типов озёр в разных физико-географических условиях. Основными факторами, определяющими существование озёр, являются осадки (Р), испарение (Е) и наличие котловин. Распределение их по территории определяет закономерности распределения озёр.
Неравномерное распределение солнечного тепла по широте создаёт зональность в распределении основных составляющих климата: - осадков, испарения, температуры и влажности воздуха. Причинами этого являются планетарно - космические факторы и, прежде всего, шарообразность Земли, её положение относительно Солнца и вращение вокруг своей оси. Они обуславливают зональное распределение воздушных течений в общей циркуляции атмосферы. С широтным распределением тепла определённым образом связано распределение влаги, поскольку температура воздуха обуславливает его влажность. Неравномерное распределение тепла по земной поверхности и в атмосфере (как в планетарном, так и в региональном масштабе) вызывает циркуляцию атмосферы в целом.
Таким образом, зональное распределение радиационных процессов на земной поверхности и в атмосфере, а также зональное распределение воздушных течений в общей циркуляции атмосферы вызывает широтное изменение основных климатических составляющих (осадки, испарение, температура) и
приводит к формированию климатических зон. Эти зоны имеют стационарное положение, а поскольку с ними непосредственно связана увлажнённость территории, то при построении гидрологических карт, особенно карт изолиний стока, положение климатических зон определяет общее направление изолиний. При гидрологическом районировании, границы смены климатических зон могут определять границы гидрологических районов. Наглядным отражением климатической зоны на земной поверхности является, например, растительность, поскольку она чутко реагирует на изменения увлажнённости и тепла и хорошо отражает различия в них; поэтому она является основным индикатором при их выделении.
Применительно к решению гидрологических задач на исследуемой территории наибольший интерес представляют типы климатов, выделенных Л.С. Бергом на основе ландшафтно-географических зон. Типы климатов низин (равнин): климат тундры, тайги, лиственных лесов умеренной зоны, степей, муссонный климат умеренных широт и климат внутриматериковых пустынь умеренного пояса. Типы климатов возвышенностей: климат полярных плато, высоких степей и полупустынь умеренного пояса. Эта классификация может быть дополнена классификацией климатов М.И. Будыко и А.А. Григорьева, которые по условиям увлажнения различают климаты: избыточно влажные (зона избыточного увлажнения), влажные (зона достаточного увлажнения), недостаточно влажные и сухие (зона недостаточного увлажнения). Последняя классификация весьма удобна для гидрологических целей.
Широтная зональность распространения гидрологических характеристик может нарушаться вследствие воздействия местных (азональных) особенностей водосборов на гидрологические процессы. Это воздействие увеличивается с уменьшением площади водосбора, а также степени увлажнённости территории. В последнем случае водосборы становятся более чувствительными к разного рода местным воздействиям
(особые почво - грунты, гидрогеология, антропогенное влияние и др.).
10
Вертикальная зональность гидрологических процессов наблюдается в горных районах (областях, странах) и обусловлена сменой климатических поясов с увеличением высоты местности. Она выражается в закономерном изменении речного стока по высотным зонам горных областей. Однако и здесь сказывается влияние местных условий, способных искажать общие закономерности и тем сильнее, чем меньше водосбор (наличие озёр, снежников, конусов выноса, выходы глубоких трещинных вод и др.). Общие географические закономерности увлажнения на больших территориях могут быть обозначены количественными показателями увлажнения. Довольно наглядно распределение увлажненности по территории представлено в [6] на карте, изображающей избыток и дефицит увлажнения (Рисунок 1.1).
60
30
100
120
Рисунок 1.1 - Схема распределения избытка и дефицита увлажнения (избыток увлажнения - сплошная линия, дефицит - пунктирная)
11
Эти две зоны разделены между собой нулевой изолинией, которая отвечает условиям, при которых осадки равны испарению и характеризуется значением модуля стока равного 3-4 л/с*км2 или, в единицах слоя - около 110 мм, что соответствует зоне достаточного увлажнения. Изолиния проходит через Киев в сторону г. Казань, опускается ниже г. Уфа - через Уральские горы в сторону г. Екатеринбург - г. Тобольск - г. Новосибирск, далее уходит на юг, опоясывает Алтай с южной стороны и, практически повторяя границу бывшего СССР, приходит к Японскому морю. Южнее этой изолинии — зона недостаточного увлажнения, севернее - избыточного. Дефицит водных ресурсов наблюдается также вокруг реки Яна, достигая максимального значения в г. Верхоянск, вокруг Приленского плато, пролегая вдоль возвышенностей, вокруг Братского водохранилища и, небольшая зона вокруг Красноярского водохранилища.
Наибольшие значения избытка водных ресурсов наблюдаются в районе Уральских гор и плато Путорана - самой верхней части Среднесибирского плоскогорья (значение избытка превышает 500 мм) и на полуострове Камчатка, где избыток в районе города Петропавловск-Камчатский превышает 1000 мм, что объясняется морским и муссонным климатами данного региона.
Для зоны дефицита водных ресурсов характерно широтное увеличение абсолютных значений до 1500мм в районе г.Ашгабат. Высокие значения дефицита (от 500 до 1000 мм) наблюдаются в Туранской и Прикаспийской низменностях, территории Казахского мелкосопочника и большей территории Монголии.
Средние значения коэффициента стока (a = R/P, где R - слой стока, мм) для основных зональных типов ландшафта в пределах всех географических поясов Земли рассчитаны Н.М. Алюшинской, которая установила довольно тесную зависимость между средними значениями коэффициентов стока и коэффициентов сухости отдельных типов
12
ландшафтов, приведённые в [7] (Рисунок 1.2). Представленный график показывает, как меняется значение коэффициента стока (характеризующего свойства подстилающей поверхности) в разных физико-географических зонах, что свидетельствует о разнообразии условий формирования стока в разных природных зонах. Здесь, значение индекса сухости равное единице соответствует зоне достаточного увлажнения, от 0 до 1 — избыточного увлажнения (небольшое увеличение индекса сухости ведёт к интенсивному уменьшению К); более 1 - недостаточного увлажнения (значение коэффициента стока с уменьшением индекса сухости меняется незначительно).
Рисунок 1.2 - Связь зональных величин коэффициента стока с индексами
сухости
где a =R/P - коэффициент стока;
R - слой стока с водосбора, мм;
Р - слой осадков, выпавших на поверхность водосбора, мм;
Е(/Р - индекс сухости;
Ео - слой воды, испарившийся с поверхности водоёма, мм.
13
В соответствии с картой растительности, зона достаточного увлажнения проходит полосой, на которой происходит изменение типа растительности. Особенно это наглядно прослеживается в областях умеренного пояса территории бывшего Советского Союза, где происходит изменение типов растительности: от более влаголюбивых, соответствующих зоне избыточного увлажнения к менее влаголюбивым - в зоне недостаточного увлажнения. Граница между этими двумя областями также хорошо прослеживается на почвенной карте. Взаимообусловленное сочетание факторов подстилающей поверхности и климата, что прослеживается на картах с разной тематикой, и стало причиной образования (в соответствии с вышеуказанной классификацией) этих трёх зон: избыточного, достаточного и недостаточного увлажнения.
Важнейшими факторами, определяющими существование озёр и распределение их типов по территории являются осадки, испарение и речной сток. Поэтому остановимся на их распределении подробнее.
1.2 Современный климат и его составляющие
Климатическая оболочка (система) Земли — это поверхностные блоки, которые поглощают (частично отражают) солнечную энергию, обмениваются ею, преобразовывают и, наконец, теряют её в мировое пространство. Все эти частные процессы составляют единый климатический процесс. Обычные климатические данные по отдельным пунктам или областям являются составляющими этого единого процесса.
Климат Земли обладает достаточной устойчивостью, обусловленной определённым сочетанием различных обстоятельств. В самом деле, на протяжении всей истории Земли- а это сотни миллионов, а может быть миллиардов лет - энергетический уровень (температура) никогда не выходил за пределы органической жизни. И это не смотря на то, что всегда
имелось достаточно факторов, способных весьма сильно воздействовать на
14
течение климатического процесса. Это факторы двух видов: космические -эволюция светимости солнца, его планетарной системы, в том числе изменение параметров орбиты Земли, скорость её вращения, изменение орбиты Луны; планетарные - изменение самой климатической системы (изменение количества воды на Земле, площади материков, их движения и процесса горообразования; изменение массы и состава атмосферы; развитие самой биосферы и т. д.).
Энергический уровень этого климатического процесса можно назвать просто климатом. На практике он выражается в виде осреднённых по времени и (или) пространству данных метеорологических наблюдений. В последнее время (по данным Всемирной метеорологической организации) такие осреднения ведутся чаще всего по 30 — летним периодам и дают более или менее устойчивые средние величины (климат). Для практики этого достаточно. Но для слежения за изменениями климата этот период недостаточен, поскольку при таком осреднении сильно искажаются колебания периода около 30 лет и совсем пропадают более высокочастотные, которые опять же интересны для практики. Если сокращать сроки осреднения во времени и для компенсации региональных колебаний проводить осреднение по площади, то можно прийти к идее одногодичного осреднения для всей Земли по полушариям. Таким образом, мы получаем одно или два числа в год для любой метеорологической величины. Но это оказалось практически возможным только для температуры воздуха. К настоящему времени имеется построение глобальной средней температуры на период с 1881 г. или 1891 г. по наше время, т.е. со времени начала инструментальных наблюдений за температурой воздуха.
Как упоминалось ранее, движение воздуха, вызванное неравномерным нагреванием атмосферы, океана и материков, в условиях вращающейся Земли образуют систему общей циркуляции атмосферы.
Однако течения общей циркуляции не обладают устойчивостью, что
15
^ является следствием определённого свойства атмосферы: в условиях
неравномерного нагрева на вращающейся Земле она не может находиться в состоянии устойчивого (по отношению к Земле) равновесия. А это значит, что атмосфера вынуждена постоянно находится в состоянии динамического равновесия, хаотичным образом изменять своё состояние, приспосабливаясь к наиболее эффективному переносу тепла от экватора к полюсам. Отсюда следует, что одноименные сезоны различных лет часто весьма существенно различаются между собой - воздушные течения изменяются по интенсивности и местоположению, нарушаются циклонами, тайфунами, ураганами и локальными циркуляциями. Атмосфера является наиболее подвижным звеном глобального гидрологического цикла. Известно, что скорость переноса атмосферной влаги на порядок превышает скорость движения речных вод и на два порядка больше скорости океанских течений. В соответствии с этим период полного возобновления атмосферной влаги составляет 8-9 суток, что значительно меньше периодов возобновления запасов воды в других резервуарах.
Колебания циркуляции сопровождаются аномалиями температуры и осадков, такими как Сахельская засуха в Африке, вековые колебания уровня Каспийского моря. Вероятно, сюда же можно отнести и колебания типа малого ледникового периода, и колебания ЭНКЖ (Эль-Ниньо — Южное колебание).
В распределении тепла по земному шару принимает участие также океан. Он является самым большим резервуаром природных вод, главным источником круговорота влаги на Земном шаре и основным поставщиком энергии для атмосферы (через испарение). Кроме того, океан, вследствие превышения испарения над осадками, предопределяет существование водных ресурсов (речного стока) на континентах и ледникового стока с Антарктиды и Гренландии. Но его доля, по-видимому, меняется, и потому
_, перенос тепла от экватора к полюсу не может быть строго постоянным. По-
видимому, изменчивость планетарных потоков тепла и является основной
16
причиной преобладания различных типов циркуляции иногда в течение нескольких лет. Таким образом, мы получаем слабо изменяющуюся основу общей циркуляции атмосферы с надстройкой в виде случайно изменяющихся форм синоптической циркуляции.
Отличительная особенность климата последнего тысячелетия — наличие сравнительно тёплого периода - малого климатического оптимума в VIII -XIII вв. и наступление вслед за ним в XIII - XIV вв. очередного похолодания, которое с некоторыми флюктуациями продолжилось до середины XIX в. и задержало процесс таяния льдов. В течении малого ледникового периода почти повсеместно резко ухудшились климатические условия. Климат стал холоднее, неустойчивее, сократился вегетационный период [8].
Вслед за малым ледниковым периодом во второй половине XIX в. наступило очередное потепление, которое достигло максимума в 30 - 40 гг. XX столетия, а за ним - очередное похолодание, продолжающееся с некоторыми флюктуациями. Поэтому климат после периода 30 — 40 годов прошлого столетия мы будем называть современным. В некоторых работах отдельные флюктуации в сторону потепления считают началом устойчивого глобального потепления климата за счёт увеличения СОг в атмосфере.
Различия температур одного и того же месяца тёплых и холодных периодов достигали 7 — 8°С. Устойчивый перепад температур был характерен при переходе от ледниковых к межледниковым периодам. Такие периоды температур свидетельствуют о большой неустойчивости климата малого ледникового периода и его значительной региональной неоднородности, что лишний раз подчёркивает роль циркуляционных процессов в формировании региональных особенностей климата.
Выполненный на историческом материале анализ барико-циркуляционного режима подтверждает закономерность, согласно которой самые мягкие зимы в Европе соответствуют периодам с резко выраженными западными и юго-западными ветрами (например, с 1920 по 1929 гг.). Все
десятилетия, в которых было много аномально тёплых сезонов,
17 |
