Russian hydropower under the global climate change

Full Text

Производство электроэнергии гидростанциями вносит существенный вклад в удовлетворение постоянно растущего спроса на электричество во всём мире. В России в конце 2010-х годов ГЭС производят примерно 17% общей выработки электроэнергии и располагают 21% общей установленной мощности. В последние десятилетия российская гидроэнергетика вынуждена адаптироваться к новым социально- экономическим и административно-политическим условиям. Влияние на её работу изменений климата пока не столь очевидно, но от того не менее неотвратимо. Исследования последних десятилетий позволяют предположить, что направленные гидрологические изменения в России уже начались и продолжатся, по крайней мере ещё в течение многих десятилетий.

Изменения климата происходили на протяжении всей истории Земли. Особенность современного глобального изменения климата заключается в наличии существенного антропогенного вклада в этот процесс. Именно антропогенный тренд, скорее всего, будет определять неуклонное повышение глобальной температуры на всём протяжении XXI в. [1].

В среднем повышению глобальной температуры на 1oC отвечает увеличение количества осадков на 2% или примерно на 20 мм в год в среднем по земному шару [1, 2]. Именно такими значениями в глобальном масштабе характеризовалось изменение климата в XX и начале XXI в. При этом изменение режима выпадающих осадков происходит чрезвычайно неравномерно (рис. 1). Результаты наблюдений [3], теоретического анализа и численного моделирования [4] свидетельствуют, что в результате современных климатических изменений области с высоким количеством осадков, как правило, начинают получать ещё больше влаги, а в засушливых регионах планеты преимущественно происходит иссушение.

 

Рис. 1. Изменение среднегодового количества осадков при глобальном потеплении на 1oC (период 1997–2016 гг. по сравнению с периодом 1911–1930 гг.) – расчёт авторов по данным [3].

 

Рис. 2. Тренды среднеглобальной температуры в XXI столетии (по отношению к уровню 1986–2005 гг.) при разных сценариях антропогенного воздействия: данные [1] для сценариев rcp; результаты работы [5] для прогноза МЭИ.

 

На всём протяжении XXI в. глобальная температура Tglob продолжит расти. Результаты моделирования [1, 5] показывают (рис. 2), что при умеренных, наиболее реалистичных, климатических сценариях (rcp 4.5¹¹ и МЭИ) изменение глобальной температуры на протяжении XXI в. составит не менее 1oC, т. е. будет несколько выше ΔTglob, наблюдавшегося в течение XX столетия. Это повышение температуры неминуемо приведёт к дальнейшей трансформации гидрологических процессов по всей планете.

Оценка долговременных изменений речного стока осложнена его высокой природной изменчивостью [1]. Однако наличие существенных изменений в процессах формирования стока очевидно уже сегодня. На территории России наиболее заметным проявлением этих изменений стало выравнивание сезонного распределения стока. В ряде регионов эти изменения столь существенны, что заставляют говорить о формировании нового квазистационарного режима.

Для годового стока на территории России достоверно установлено наличие многолетних фаз снижения и повышения водности, связанных в первую очередь с вариациями глобальной атмосферной циркуляции [5]. Наличие этой долгопериодной компоненты в сочетании со стохастической природой формирования речного стока определяет сложность оценки связи речного стока с изменениями климата. Однако уже сегодня изменения глобального гидрологического цикла могут означать нарушение стационарности временных рядов речного стока, вызванных изменением климата [8]. Это обстоятельство делает крайне затруднительным использование статистических методов для долговременных прогнозных оценок и повышает значение гидродинамического моделирования.

Для территории России ведущими исследовательскими группами (ГГО, ГГИ, ИВП РАН) разработано несколько региональных моделей формирования речного стока, которые применялись в том числе при получении прогнозных оценок для XXI столетия [9–12]. Ограничения этого подхода связаны в первую очередь с высокими требованиями региональных моделей к исходным данным и недостатком данных гидрологических наблюдений для территории России.

Другим существенным недостатком опубликованных оценок является в известной мере произвольный выбор сценария антропогенного воздействия на климатическую систему. Все опубликованные на сегодняшний день прогнозы для долговременных изменений речного стока на территории России рассматривают обычно один-два из сценариев Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК): как правило, умеренный сценарий rcp 4.5 или чрезвычайно высокий rcp 8.5. Не отрицая научных достоинств такого подхода, следует заметить, что эти сценарии представляют собой некие искусственно построенные траектории для антропогенных форсингов, которые отнюдь не призваны предоставить прогноз последних.

Задача настоящей работы состоит в получении прогнозных оценок речного стока по территории России на протяжении XXI века при наиболее вероятных значениях антропогенных климатических факторов в течение следующих десятилетий. Реалистичная прогнозная оценка этих факторов была осуществлена в соответствии с выполненным нами ранее прогнозом [5]. Принципиальное отличие этого прогноза от сценариев rcp заключено в выборе из всего многообразия возможных траекторий развития в первую очередь тех, которые, по всей вероятности, действительно станут реальностью через несколько десятилетий. Эти результаты прогнозов МЭИ за последние тридцать лет прошли многократную верификацию, показав хорошее соответствие данным наблюдений [6].

Для получения прогнозных оценок речного стока в настоящей работе мы использовали ансамблевое осреднение результатов CMIP5 [13] с валидацией модельных расчётов на доступных данных наблюдений [14, 15]. Для обработки данных валидационных расчётов и регионального моделирования был разработан собственный программный комплекс в среде R. По результатам валидационных расчётов было проведено ранжирование глобальных климатических моделей по их способности воспроизводить основные пространственные закономерности долговременных изменений речного стока на территории России. Из 21 модели, показавшей наилучшее соответствие данным наблюдений, был сформирован ансамбль для получения прогнозных оценок.

 

Рис. 3. Относительное изменение среднегодовой величины речного стока в Северной Евразии в 2045−2054 гг. по отношению к периоду 2007–2016 гг: а – по сценарию rcp 2.6, б – по сценарию rcp 4.5, в – по сценарию МЭИ.

 

Прогнозные оценки для XXI века были получены на основе экспериментов для сценариев rcp 2.6, 4.5, 8.5. Для каждой точки расчётной сетки по результатам этих трёх экспериментов была построена регрессия модельного значения речного стока на среднеглобальную температуру. Итоговое поле стока для сценария МЭИ было рассчитано по значению глобальной температуры Tglob, соответствующему этому сценарию. Для всех рассмотренных сценариев rcp и прогноза МЭИ изменение модельного среднегодового стока в середине XXI века оказывается статистически значимым для большей части территории России. Следует заметить, что оценка антропогенного вклада в этот процесс требует более детального исследования.

В целом результаты прогнозных оценок для речного стока по территории России качественно соответствуют известной тенденции повышения увлажнённости в регионах с высоким количеством осадков и её снижения в засушливых областях (рис. 3). Однако подробности поля речного стока сильно зависят от выбранного климатического сценария. Для сценария МЭИ, который с должным основанием можно считать значительно более реалистичным по сравнению со сценариями rcp, пространственное распределение стока по территории России заметно отличается от ближайших по параметрам сценариев rcp 2.6 и rcp 4.5.

Количественные оценки долговременных тенденций изменения стока и выработки ГЭС получены для крупнейших бассейнов России в рамках сценария МЭИ и умеренного сценария rcp 4.5 (табл. 1). Величина годового речного стока тесно связана с выработкой гидроэлектростанций на европейской части России, которые работают в режиме внутригодового регулирования стока. Напротив, в Сибири, где ГЭС работают в режиме межгодового регулирования стока, связь выработки и стока выглядит слабее и становится более тесной лишь при осреднении за многолетние интервалы.

Из приведённых результатов следует, что выбор сценария весьма существенно влияет на количественную оценку тенденций речного стока даже при использованном весьма упрощенном подходе. Проведённый комплекс расчётов позволяет сделать следующие выводы:

 

Таблица 1. Изменение речного стока и выработки электроэнергии ГЭС России в результате климатических изменений к середине XXI в., %

Бассейн	Изменение речного стока		Изменение выработки ГЭС
	rcp 4.5	МЭИ	rcp 4.5	МЭИ
Волжско- Камский каскад	3	5	2	3
Бассейн Енисея–Ангары	6	11	2	4
Бассейн Амура	6	12	2	5
Реки Северо- Запада	7	6	2	3
Бассейн Лены	13	7	7	4
В среднем по России	–	–	3	4

 

Изменения глобального гидрологического цикла уже произошли и станут более явными в следующие несколько десятилетий. Модельные расчёты позволяют ожидать значимых изменений речного стока к середине XXI в. по сравнению с началом столетия на большей части территории России.

Выбор сценария оказывает существенное влияние как на качественную картину изменений речного стока по территории, так и на количественные характеристики этого процесса.

В результате дальнейшего изменения климата условия работы гидроэлектростанций на большей части территории России улучшатся за счёт повышения гидропотенциала и выравнивания внутригодового распределения стока. Увеличение годовой выработки мы оцениваем в 7–8 млрд кВт‧ч или 3–4% от современной величины к середине текущего столетия.

В.В. Клименко благодарит Министерство образования и науки РФ за персональную поддержку (задание 13.4662.2017/ВУ).

Авторы благодарят исследовательские группы CMIP5 за предоставление результатов расчётов и Гамбургский международный центр климатических данных (World Data Center for Climate, Deutsches Klimarechenzentrum) за организацию доступа к данным.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 17–08–00134) в части моделирования климатических изменений и РНФ (грант 18–19–00662) в части исследования гидроэнергетики России.

Примечание: 

Сценарии rcp (representative concentration path-ways) — набор сценариев, в настоящее время предлагаемых Межправительственной группой экспертов по изменению климата (IPCC) для оценки климатических условий будущего [1]. Сценарий rcp 4.5, по нашему мнению, в наибольшей степени соответствует наблюдаемым в настоящее время тенденциям.

About the authors

V. V. Klimenko

National Research University Moscow Power Engineering Institute

Author for correspondence.
Email: nilgpe@mpei.ru
Russian Federation, Moscow

E. V. Fedotova

National Research University Moscow Power Engineering Institute

Email: e.v.kasilova@mpei.ru
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files