Water flow of the largest Russian rivers in modern and scenario global warming

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The results of a comparative study of the changes in the flow of the large rivers of the Russian Plain (Volga, Don, Northern Dvina, Pechora, Neva rivers), Siberia (Ob, Irtysh, Yenisei, Angara, Lena, Vilyui rivers) and the Far East (Amur River) under conditions of modern global warming and during the period of scenario anthropogenic climate changes in the 21st century are presented. It is based on a comparison of the annual and seasonal river runoff of the reference period and the period of modern global warming; calculations based on the monthly water balance model developed at the Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences; estimates of changes in annual river flow obtained by the method of the average long-term annual water balance and atmospheric precipitation and evaporation data calculated within the framework of the CMIP5 program on an ensemble of global climate models for periods of modern and scenario global warming. During the period of modern global warming, compared with the previous base period, an increase in annual runoff and runoff of the main hydrological seasons was observed on the Volga, Kama, Don, Northern Dvina, Pechora, Ob, Irtysh, Yenisei, Angara, Lena and Vilyui rivers, especially noticeable in winter, as well as in summer-autumn hydrological seasons. Whereas, on the Don, along with the most significant of all the rivers considered, the relative increase in winter runoff, as well as a noticeable increase in summer-autumn runoff, the greatest decrease in snowmelt flood runoff, as well as annual runoff, was revealed. The coincidence of the sign of changes in the annual runoff of the Volga, Don, Northern Dvina, Pechora, Ob, Yenisei, Lena and Vilyui rivers during the period of modern global warming, calculated from observations and the equation of water balance using atmospheric precipitation and evaporation data obtained by averaging the results of calculations on the ensemble of global climate models of the CMIP5 program, has been established. Relative scenario changes in the annual runoff of the Volga, Neva, Northern Dvina, Pechora, Ob, Yenisei, Lena, Vilyui, Kolyma and Amur rivers in comparison with the runoff of the base period correlate quite closely with the corresponding changes in annual atmospheric precipitation amounts, and scenario changes in total evaporation with changes in annual air temperature.

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В связи с современным глобальным потеплением значительное внимание уделяется вопросам исследования многолетних изменений стока воды, который весьма чувствителен к происходящим климатическим изменениям. С 1970–1980-х годов все более значительное внимание уделялось оценке сценарных изменений климата и их последствий, в том числе гидрологических (Будыко, 1980). При разработке методов оценки сценарных изменений основной акцент делался на прогнозе влияния антропогенных факторов, приводивших к росту содержания парниковых газов в атмосфере в результате хозяйственной деятельности. Представление об антропогенном характере глобального потепления, начиная с 1990-х годов, стало господствующим.

В последние десятилетия в рамках этой парадигмы проведено много исследований посвященных изменениям стока рек России в условиях сценарного антропогенного потепления в XXI в. (Водные …, 2008; Георгиади, Милюкова, 2002, 2023б; Георгиади и др., 2011, 2014; Георгиевский, Голованов, 2019; Георгиевский и др., 1996; Гусев, Насонова, 2010; Кацов, Говоркова, 2013; Кислов и др., 2008; Мотовилов, Гельфан, 2019; Мохов и др., 2003; Arctic …, 2021; Gelfan et al., 2022; Georgiadi, 1991; Georgiadi et al., 2010, 2021; Kalugin, 2023).

Значительное число публикаций посвящено оценке изменений гидрологических характеристик в период инструментальных наблюдений, связанных с современным глобальным потеплением (Болгов и др., 2018; Водные …, 2008; Георгиади, Кашутина, 2016; Георгиади, Милюкова, 2023а, 2023б; Георгиади и др., 2014, 2019; Коронкевич и др., 2023; Научно-прикладной …, 2021; Шпакова, Wang, 2023; Frolova et al., 2022; Georgiadi and Groisman, 2022, 2023; Georgiadi et al., 2018, 2021, 2023; Milyukova et al., 2020; Sinyukovich et al., 2024).

Отметим, что указанные выше два основных направления исследований изменений речного стока весьма слабо связаны между собой.

Статья посвящена сравнительному анализу изменений стока крупных рек в разных регионах России в условиях современного глобального потепления и в период сценарных антропогенных изменений климата в XXI в. Исследование основано на результатах анализа многолетних рядов наблюдений за стоком рек, в том числе многолетних рядах восстановленных характеристик речного стока, расчетах на модели месячного водного баланса, разработанной в Институте географии РАН, а также на оценках сценарных изменений годового стока рек, определенных методом годового водного баланса с использованием данных климатических сценариев изменений атмосферных осадков и испарения, полученных в рамках программы CMIP5 на ансамбле глобальных климатических моделей.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Данные о речном стоке. Многолетние ряды характеристик речного стока. Исследование основывалось на многолетних рядах расходов воды крупных рек с близким к естественному водным режимом (Северная Двина — Усть-Пинега, Печора — Усть-Цильма) и рядах с восстановленным стоком (с исключенными из него антропогенными изменениями, то есть приведенным к естественным условиям): Волга — Волгоград, Дон — Раздорская, Обь — Салехард, Иртыш — Тобольск, Енисей — Игарка, Ангара — Пашки и Богучаны, Лена — Кюсюр, Вилюй — Хатырык-Хомо (табл. 1). Для восстановления многолетних рядов антропогенно-измененного стока использовался метод трансформации годового гидрографа средних суточных расходов воды, основанный на методике Калинина—Милюкова (Калинин, Милюков, 1958). На основе этого метода были получены многолетние ряды восстановленных (условно-естественных) средних суточных расходов воды Дона, Оби, Иртыша, Енисея, Ангары, Лены, Вилюя (Георгиади, Милюкова, 2023а; Arctic …, 2021; Georgiadi et al., 2023; Milyukova et al., 2020). Ряды стока Ангары у с. Пашки были получены по связям с реконструированными средними месячными уровнями воды Байкала (Sinyukovich et al., 2024), а Волги на основе метода рек индикаторов климатических изменений (Георгиади и др., 2014).

 

Таблица 1. Средний многолетний сток и исследуемые периоды

Река, створ

Площадь бассейна, тыс. км2

Средний многолетний сток*, км3

Рассмотренный период, годы:

весь период

базовый период

период современного глобального потепления

Волга – Волгоград

1360

260

1879–2020

1931–1980

1981–2020

Кама – Пермь (Камская ГЭС)

169

53.2

1881–2010

1931–1980

1981–2010

Дон – Раздорская

378 (422**)

24.3 (26.1****)

1891–2019

1931–1980

1981–2019

Сев. Двина – Усть-Пинега

348 (357**)

104.9

1882–2020

1931–1980

1981–2020

Печора – Усть-Цильма

248 (322**)

110.4 (134****)

1932–2020

1932–1980

1981–2020

Обь – Салехард

2450 (2890***)

404

1936–2016

1936–1980

1981–2016

Иртыш – Тобольск

969

69

1891–2016

1931–1980

1981–2016

Енисей – Игарка

2470 (2620**)

592

1936–2016

1936–1980

1981–2016

Ангара – Богучаны

866

110

1945–2016

1945–1980

1981–2016

Ангара – Пашки (Иркутская ГЭС)

571

62.1

1899–2020

1931–1980

1981–2020

Лена – Кюсюр

2430 (2490**)

542

1936–2019

1936–1980

1981–2019

Вилюй – Хатырык-Хомо

452 (454**)

48.3

1937–2010

1937–1980

1981–2010

Примечания: * пояснения приведены в этом разделе; ** площадь бассейна до устья; *** площадь бассейна с учетом бессточных территорий; **** наблюденный сток в замыкающем створе.

 

Границы гидрологических сезонов, которые принимались постоянными, были определены на основе анализа многолетних данных о средних суточных и средних месячных расходах воды, а также о средних многолетних данных о замерзании рек и разрушении ледового покрова.

Годовой расчетный сток. Изменения годового стока рек для периода наблюдений и периода сценарных его изменений были рассчитаны на основе метода годового водного баланса и осредненных данных, полученных на ансамбле глобальных климатических моделей программы CMIP5 о годовых атмосферных осадках и годовом испарении и уравнении водного баланса. Расчеты проведены для замыкающих створов рек, перечисленных в табл. 1 (кроме Камы, Иртыша и Ангары), а также для Невы (площадь бассейна 281 тыс. км2, годовой наблюденный сток 74.3 км3), Днепра (504 тыс. км2, 53.5 км3), Амура (1850 тыс. км2, 338 км3) и Колымы (635 тыс. км2, 123 км3).

Данные глобальных климатических моделей об изменениях атмосферных осадков, испарения и температуры воздуха. Основу для оценок изменений речного стока составили средние ансамблевые климатические сценарии, подготовленные в рамках программы CMIP5 (Meehl and Bony, 2011; KNMI1). Были использованы те из четырех семейств сценариев, которые характеризуются наиболее (RCP8.5) и наименее (RCP2.6) интенсивным ростом средней глобальной годовой температуры воздуха для периодов 2010–2039 и 2040–2069 гг. Более подробно они рассмотрены в публикациях авторов (Георгиади, Милюкова, 2023; Georgiadi et al., 2021).

В качестве базового, для оценки сценарных и современных изменений годового речного стока, был использован период 1931–1980 гг., а в качестве периода современного глобального потепления – 1981–2010 гг.

Для оценки сценарных изменений годового и сезонного стока Вилюя у с. Хатырык-Хомо в качестве входных данных для проведения расчетов на модели месячного водного баланса (ММВБ ИГРАН) были использованы данные сценарных изменений среднемесячных атмосферных осадков и температуры воздуха программы CMIP5, полученные на пяти глобальных климатических моделях (GFDL-ESM2M, IPSL–CM5A-LR, HadGEM2-ES, MIROC-ESM–CHEM, NorESM1-M) проекта ISI–MIP2-The Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project2, которые были осреднены для периода 2036–2065 гг. Данные о климатических характеристиках для базового периода относятся к 1971–2001 гг. Они были получены на основе реанализа, проведенного в рамках программы EU WATCH (Harding et al., 2011).

МЕТОДЫ

Метод оценки изменений стока в период современного потепления, основанный на многолетних данных наблюдений

Оценки изменений стока основываются на сравнении средних характеристик стока периода современного глобального потепления и предшествующего ему базового периода, отличающихся между собой климатическими условиями. Такой подход довольно широко используется не только для оценки влияния на речной сток климатических изменений, но также и антропогенных воздействий (Водные …, 2008; Георгиади и др., 2019; Научно-прикладной …, 2021). За начало периода современного глобального потепления использовали 1981 г. А базовым служил период с 1930-х годов до 1980 г., принятый для исчисления многолетних норм гидрологических характеристик3.

В качестве временной границы между ними, как правило, принимаются годы из периода 1970–1980 гг. (Водные …, 2008; Георгиади и др., 2019; Научно-прикладной …, 2021). Это связано с тем, что примерно в эти годы происходило достаточно заметное повышение температуры воздуха, а также на многих реках наблюдалась смена долговременных фаз пониженного / повышенного стока (Водные …, 2008; Георгиади, Милюкова, 2023а, 2023б; Георгиади и др., 2011, 2014; Научно-прикладной …, 2021; Georgiadi and Groisman, 2022, 2023; Georgiadi et al., 2021, 2023). Отметим, однако, что, как было показано на основе анализа долговременных фаз в многолетних изменениях годовой и зимней температуры воздуха (Георгиади, Кашутина, 2016; Георгиади, Милюкова, 2023б; Георгиади и др., 2011, 2014), переход к фазе повышенной годовой и зимней температуры воздуха, осредненной по территории бассейнов крупных рек (Волги, Дона, Печоры, Енисея, Лены), происходил зачастую достаточно постепенно в 1970–1980-е годы. При этом в ряде речных бассейнов, например, в бассейнах Северной Двины, Дона и других, такой переход, особенно для зимней температуры воздуха, отчетливо проявлялся во второй половине 1980-х годов (Даниленко, Георгиади, 2022; Шпакова, Wang, 2023; Georgiadi et al., 2023). Что касается атмосферных осадков, то, как правило, переход к долговременному периоду повышенных атмосферных осадков относится к 1960–1970-м и даже к 1950-м годам (Георгиади, Кашутина, 2016; Георгиади, Милюкова, 2023б; Георгиади и др., 2014). Но в связи с тем, что многолетние ряды атмосферных осадков характеризуются значительной неоднородностью, связанной, в том числе, и с поправками на смачивание, введенными в 1960-е годы (Георгиади, Кашутина, 2016), годы смены контрастных фаз для атмосферных осадков могут определяться недостаточно корректно. Кроме того, годы смены долговременных фаз повышенного / пониженного годового и сезонного стока на одной реке и на реках разных регионов существенно отличаются между собой, а также зачастую не совпадают с началом используемого периода современного глобального потепления / повышения температуры воздуха (Георгиади, Кашутина, 2016; Георгиади, Милюкова, 2023а, 2023б; Георгиади и др., 2014; Frolova et al., 2022).

Модель месячного водного баланса Института географии РАН. Это модель, результаты расчетов на которой и послужили одной из основ для настоящего исследования, была разработана для оценки изменений стока крупных речных бассейнов, вызванных климатическими изменениями в условиях теплых эпох геологического прошлого и в условиях сценарных изменений климата в XXI в. (Георгиади, Милюкова, 2002; Георгиади и др., 2011, 2014). В ее основе лежит уравнение среднего многолетнего месячного водного баланса речных водосборов и расчеты выполняются для ячеек регулярной сетки. Модель прошла апробацию для крупных речных бассейнов, характеризующихся существенно отличающимися условиями формирования стока.

Метод среднего многолетнего годового водного баланса. Оценка среднего многолетнего годового речного стока крупных рек России для условий современного и сценарного (антропогенно-обусловленного) глобального потепления основана на использовании уравнения среднего многолетнего водного баланса и данных о современных и сценарных средних многолетних годовых суммах атмосферных осадков и годового испарения, полученных осреднением результатов расчетов, проведенных в рамках программы CMIP5 (Георгиади, Милюкова, 2023б; Georgiadi et al., 2021). На основе сравнения расчетных значений годового стока базового периода, периодов современного и сценарного глобального потепления оценивались его относительные изменения.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Изменения речного стока в период современного глобального потепления. Оценки, полученные на основе многолетних рядов годового и сезонного стока. Оценки изменений стока основывались на рядах стока рек с близким к естественному водным режимом (Северная Двина — Усть-Пинега, Печора — Усть-Цильма) и рядах с восстановленным стоком (с исключенными из него антропогенными изменениями, то есть стоком, приведенным к естественным условиям): Волга — Волгоград, Дон — Раздорская, Обь — Салехард, Иртыш — Тобольск, Енисей — Игарка, Ангара — Пашки и Богучаны, Лена — Кюсюр, Вилюй — Хатырык-Хомо.

В период современного глобального потепления на реках южного макросклона Русской равнины (Волга — г. Волгоград, Кама — г. Пермь, Дон — станица Раздорская) и северного (Северная Двина — с. Усть-Пинега, Печора — с. Усть-Цильма) и крупнейших арктических рек Сибири (Обь — г. Салехард, Енисей — г. Игарка, Лена — с. Кюсюр) наиболее заметно по сравнению с базовым периодом увеличился зимний сток (рис. 1). Его рост на этих реках составил 18–59 %. Также и на Ангаре в створах с. Пашки (вблизи ее истока) и с. Богучаны (недалеко от ее устья) увеличение зимнего стока было наибольшим в сравнении со стоком других гидрологических сезонов и годового стока, но его повышение было малозаметным и составляло соответственно 3 и 2 %. На Вилюе в створе пос. Хатырык-Хомо, хотя повышение зимнего стока было весьма значительным (15 %), оно было меньше, чем рост стока снегового половодья (почти 24 %). Меньшим, но также ощутимым, было увеличение стока снегового половодья на Каме (более 12 %) и на Печоре (более 8 %).

 

Рис. 1. Относительные изменения (∆, %) стока половодья (П), летне-осеннего (ЛО), зимнего (З) и годового (Г) стока в период современного глобального потепления (начиная с 1981 г.) в сравнении со стоком базового периода (1930–40-е – 1980 гг.), рассчитанные по многолетним данным о стоке, из которых исключены антропогенные изменения. Информация о створах приведена в табл. 1.

 

Также заметным было увеличение летне-осеннего стока на Волге (19 %), Дону (около 15 %), Печоре и Лене (более 10 %). Только на четырех реках наблюдалось уменьшение стока за год и различные сезоны года. Наибольшее снижение стока половодья (более 35 %) и годового стока (более 12 %) отмечается на Дону, а летне-осеннего стока на Оби (11 %). Весьма незначительно снижение стока половодья и летне-осеннего стока выявлено на Ангаре у с. Богучаны и летне-осеннего стока на Вилюе.

Характер различий в стоке между периодом современного глобального потепления и базовым периодом во многом обусловлен особенностями долговременных фаз повышенного / пониженного годового стока и стока основных гидрологических сезонов (их продолжительностью, временем смены контрастных фаз, масштабом различий их среднего стока). При этом наибольшая разница в стоке контрастных фаз отмечается для зимнего сезона (также, в большой мере, это характерно для летне-осеннего сезона, прежде всего на реках южного макросклона Русской равнины). Самые значительные различия в зимнем стоке сравниваемых периодов связаны с тем, что, как правило, с 1930-х годов наблюдались две длительные контрастные фазы. В базовый период формировалась фаза пониженного стока, а в период современного глобального потепления фаза повышенного стока. При этом смена этих фаз произошла на рубеже 1970–1980-х годов, то есть в начале периода современного глобального потепления. Исключение, например, составляет Ангара, на которой формировались относительно короткие контрастные фазы и в сравниваемые периоды (базовый и период современного потепления) наблюдались по две таких фазы в каждом из них, что и приводило к незначительной разнице в среднем стоке между ними.

Оценки изменения годового стока, полученные на основе средних ансамблевых модельных климатических данных и уравнения водного баланса. Они основаны на сравнении результатов расчетов годового стока Волги, Дона, Северной Двины, Печоры, Оби, Енисея, Лены и Вилюя для периода современного глобального потепления (1981–2010 гг.) и для базового периода (1931–1980 гг.), полученных по уравнению среднего многолетнего годового водного баланса с использованием модельных климатических данных о средних ансамблевых годовых суммах атмосферных осадков и испарении, осредненных по территории речных бассейнов. Эти оценки по знаку изменений среднего годового стока совпадают с аналогичными оценками, полученными на основе многолетних рядов данных о восстановленном (условно-естественном) годовом стоке (рис. 2). Однако разница в стоке двух сравниваемых периодов, рассчитанная на основе модельных данных для большинства рек меньше разницы в годовом стоке, определенной для тех же рек по наблюденным данным за исключением Оби. При этом относительные изменения стока, полученные двумя методами достаточно тесно связанны между собой (R2 = 0.68).

 

Рис. 2. Относительные изменения годового стока (∆, %) в период современного глобального потепления в сравнении со стоком базового периода, рассчитанные по уравнению водного баланса и данным об атмосферных осадках и температуре воздуха, осредненным по ансамблю глобальных климатических моделей программы CMIP5 (1), и по многолетним данным о стоке с исключенными антропогенными изменениями (2).

 

Сценарные изменения стока. Годовой и сезонный сток по данным расчетов на модели месячного водного баланса Института географии РАН. Сравнение характера изменений годового и сезонного стока Вилюя, Волги и Дона в условиях современного и сценарного глобального потепления, рассчитанных, соответственно, по данным наблюдений (см. рис. 1) и по результатам численных экспериментов на ММВБ ИГ РАН и сценарным данным об атмосферных осадках и температуре воздуха, осредненным по ансамблю глобальных климатических моделей программы CMIP5, показывает как сходства, так и различия в оценках сценарных изменений годового и сезонного стока на этих реках (рис. 3).

 

Рис. 3. Относительные изменения (∆, %) годового стока (Г), стока половодья (П), летне-осеннего (ЛО) и зимнего (З) стока Волги (а), Дона (б) и Вилюя (в): в период современного глобального потепления в сравнении со стоком базового периода рассчитанные по многолетним данным о стоке с исключенными антропогенными изменениями (1), в период сценарного потепления в 2010–2039 гг. – по модели месячного водного баланса и сценарным данным об атмосферных осадках и температуре воздуха, осредненным по данным ансамбля глобальных климатических моделей программы CMIP5 для сценариев RCP2.6 и RCP8.5 соответственно в сравнении со стоком базового периода 1931–1980 гг. (2, 3), в период сценарного потепления 2035–2065 гг. – в сравнении со стоком базового периода 1971–2000 гг. (4). Более детальная информация – в тексте.

 

Для Волги как в условиях наблюденного потепления, так и в условиях наиболее и наименее интенсивного глобального потепления в сценарный период (2010–2039 гг.) зимний и годовой сток, а также сток половодья увеличивается. Тогда как летне-осенний сток в период современного потепления повышается, а в сценарных условиях он может снизиться. При этом при современном наблюденном потеплении повышение зимнего и годового стока остается более заметным, чем в сценарных условиях, а сценарное повышение стока половодья может намного превышать изменение его объема, которое наблюдалось в период современного потепления.

На Дону соотношение современных и сценарных изменений аналогично характеру изменений на Волге только для зимнего стока. Тогда как сток половодья на Дону (в отличие от Волги), как при современном, так и сценарном потеплении снижается (в сценарных условиях в гораздо меньшей степени). А вот летне-осенний сток, также как и зимний повышается. При этом годовой сток в сценарных условиях может увеличиться, тогда как при современном потеплении он снижался.

На Вилюе как при современном, так и сценарном потеплении направленность изменений стока половодья, зимнего и годового стока такая же, как на Волге (см. рис. 3). При этом, однако, сценарные изменения годового стока меньше, а стока половодья больше современных (они зеркальны относительно характера его изменений на Волге). Сценарный же летне-осенний сток на Вилюе может снижаться, тогда как и на Волге и Дону он, вероятно, будет выше современного.

Годовой сток по результатам воднобалансовых расчетов и сценарным данным глобальных климатических моделей. При наименее (RCP2.6) и наиболее (RCP8.5) интенсивном потеплении в 2040–2069 гг. годовая температура воздуха в рассматриваемых крупных речных бассейнах повысится соответственно на 0.8–3.0 и 3.3–4.9°С, годовая сумма атмосферных осадков на 4–15 и 4–22 %, а суммарное испарение на 6–15 и 8–22 % (рис. 4). Годовой сток в этих условиях для большинства рассмотренных рек может увеличиться соответственно на 3–15 и 3–26 %. Только сток Дона и Днепра, вероятно, снизится соответственно на 6–5.5 % (сценарий RCP2.6) и 11.8–9 % (сценарий RCP8.5).

 

Рис. 4. Сценарные изменения (∆, %) годовых сумм атмосферных осадков (1), годового испарения (2), годовой температуры воздуха, ∆, °C (3), годового стока в период сценарного потепления 2040–2069 гг. в сравнении со стоком базового периода (4) для сценариев RCP2.6 (а) и RCP8.5 (б).

 

Сценарные отклонения (%) годового стока рассмотренных рек относительно стока базового периода довольно тесно скоррелированы с соответствующими отклонениями годовых сумм атмосферных осадков (рис. 5а), а сценарные отклонения суммарного испарения — с отклонениями годовой температуры воздуха (рис. 5б).

 

Рис. 5. Регрессионные зависимости между относительными (%) сценарными изменениями, полученными для рассмотренных крупных речных бассейнов по данным ансамбля глобальных климатических моделей по климатическому сценарию RCP8.5 программы CMIP5: (а) годового стока и годовых атмосферных осадков для периода 2040–2069 гг.; (б) годового испарения и годовой температуры воздуха для периода 2040–2069 гг.; (в) годового стока, рассчитанного авторами по уравнению годового водного баланса для периода 2040–2069 гг. (∆R2) и полученными в (Георгиевский, Голованов, 2019) для периода 2041–2060 гг., по расчетам на ансамбле глобальных климатических моделей (∆R1).

 

Приведенные оценки относительных изменений среднего многолетнего годового стока рр. Невы, Волги, Дона, Северной Двины, Печоры, Оби, Енисея, Лены, Колымы, Амура для сценария RCP8.5 для периода 2040–2069 гг. хорошо согласуются с результатами, полученными ранее (Георгиевский, Голованов, 2019) на основе расчета стока рассмотренных рек, проведенных в гидрологических блоках глобальных климатических моделей для сценария RCP8.5 для периода 2041–2060 гг. (рис. 5в).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнен сравнительный анализ изменений естественного и восстановленного стока (с исключенными из него заметными антропогенными изменениями) крупных рек Русской равнины (Волги, Дона, Северной Двины, Печоры, Невы), Сибири (Оби, Иртыша, Енисея, Ангары, Лены, Вилюя) и Дальнего Востока (Амура) в условиях современного глобального потепления и в период сценарных антропогенных изменений климата в XXI в., на основании которого были получены следующие основные результаты.

  1. В период современного глобального потепления (начиная с 1981 г.) по сравнению с предшествующим базовым периодом (1931–1980 гг.) на Волге, Каме, Северной Двине, Печоре, Оби, Иртыше, Енисее, Ангаре, Лене и Вилюе наблюдалось повышение годового стока и стока основных гидрологических сезонов, особенно ощутимое в зимний, а также в летне-осенний гидрологические сезоны. Тогда как на Дону наряду с самым значительным из всех рассмотренных рек относительным увеличением зимнего и заметным ростом летне-осеннего стока выявлено наибольшее снижение стока половодья, а также и годового стока. Снижение летне-осеннего стока выявлено на Оби (наиболее заметное) и Вилюе, а на Ангаре у с. Богучаны незначительное уменьшение стока половодья, летне-осеннего и годового стока. Размах (масштаб аномалий) относительных изменений стока в период современного глобального потепления во многом обусловлен особенностями долговременных фаз повышенного / пониженного годового стока и стока основных сезонов (их продолжительностью, временем смены и масштабом различий среднего стока контрастных фаз).
  2. Выявлено совпадение направленности изменений годового стока Волги, Дона, Северной Двины, Печоры, Оби, Енисея, Лены и Вилюя в период современного глобального потепления, рассчитанных по данным наблюдений и по уравнению водного баланса с использованием данных изменений атмосферных осадков и испарения, полученных осреднением результатов расчетов на ансамбле глобальных климатических моделей программы CMIP5. При этом изменения стока в период современного глобального потепления, рассчитанные по данным наблюдений, оказались на большинстве рассмотренных рек больше модельных за исключением Оби.
  3. На Волге, Дону и Вилюе знак изменений годового и сезонного стока в период современного глобального потепления (определенных на основе данных наблюдений и их сценарных изменений, рассчитанных на модели месячного водного баланса Института географии РАН с использованием модельных средних ансамблевых сценариев изменений атмосферных осадков и температуры воздуха программы CMIP5) совпал на трех реках только относительно стока зимнего сезона, когда в том и другом случае были выявлены повышенные его значения. На Волге и Вилюе годовой сток также возрастает как в условиях современного, так и сценарного потепления. В других случаях для каждой из рек характерны соотношения между современными и сценарными изменениями, свойственные каждой из рек.
  4. Годовой сток Волги, Невы, Северной Двины, Печоры, Оби, Енисея, Лены, Вилюя, Колымы и Амура, рассчитанный по уравнению водного баланса с использованием данных об атмосферных осадках и испарении, полученных осреднением результатов расчетов на ансамбле глобальных климатических моделей программы CMIP5 для 2040–2069 гг. при наименее (RCP2.6) и наиболее (RCP8.5) интенсивном потеплении, может быть выше базового соответственно на 3–15 и 3–26 %. Только сток Дона и Днепра, вероятно, снизится соответственно на 6–5.5 % (сценарий RCP2.6) и 11.8–9 % (сценарий RCP8.5).
  5. Относительные сценарные изменения годового стока крупных рек в сравнении со стоком базового периода довольно тесно связаны с соответствующими изменениями годовых сумм атмосферных осадков, а сценарные изменения суммарного испарения с изменениями годовой температуры воздуха.
  6. Оценки относительных изменений среднего многолетнего годового стока Невы, Волги, Дона, Северной Двины, Печоры, Оби, Енисея, Лены, Колымы, Амура для сценария RCP8.5 для периода 2040–2069 гг. хорошо согласуются с результатами, полученными ранее (Георгиевский, Голованов, 2019) на основе расчета стока рассмотренных рек в гидрологических блоках глобальных климатических моделей для сценария RCP8.5 для периода 2041–2060 гг.

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Работа выполнена в рамках проекта РНФ 24-27-00143 “Сток рек России в эпохи глобального потепления”.

FUNDING

The work was carried out within the framework of the RSF 24-27-00143 project “Russian river flow in the era of global warming.”

 

1 KNMI Climate Explorer. https://climexp.knmi.nl/selectfield_cmip5.cgi?id=someone@somewhere (дата обращения 26.08.2024).

2 https://www.isimip.org / (дата обращения 26.08.2024).

3 Ресурсы поверхностных и подземных вод, их использование и качество: Ежегод. изд. Л., СПб.: 1982–2022 гг.

 

×

About the authors

A. G. Georgiadi

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: georgiadi@igras.ru
Russian Federation, Moscow

I. P. Milyukova

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences

Email: georgiadi@igras.ru
Russian Federation, Moscow

O. O. Borodin

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences; Institute of Water Problems of the Russian Academy of Sciences

Email: georgiadi@igras.ru
Russian Federation, Moscow; Moscow

E. A. Barabanova

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences

Email: georgiadi@igras.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Arctic Hydrology, Permafrost and Ecosystems. Yang D., Kane D. L., Eds. Cham: Springer, 2021. 914 p. https://doi.org/10.1007/978-3-030-50930-9
  2. Bolgov M. V., Filippova I. A., Osipova N. V., Korobkina E. A., Trubetskova M. D. Modern features of the hydrological regime of the rivers of the Volga basin. In Voprosy geografii. Sb. 145 [Problems of Geography. Vol. 145]. Moscow: Kodeks Publ., 2018, pp. 206–218. (In Russ.).
  3. Budyko M. I. Klimat v proshlom i budushchem [Climate in the Past and Future]. Leningrad: Gidrometeoizdat Publ., 1980. 352 p.
  4. Danilenko A. O., Georgiadi A. G. The influence of modern climate warming on the water flow and major ion flux of the Northern Dvina. Teoretich. Priklad. Ekol., 2022, no. 1, pp. 41–47. (In Russ.). https://doi.org/10.25750/1995-4301-2022-1-064-069
  5. Frolova N. L., Magritskii D. V., Kireeva M. B., Grigor’ev V.Yu., Gelfan A. N., Sazonov A. A., Shevchenko A. I. Streamflow of Russian rivers under current and forecasted climate changes: A review of publications. 1. Assessment of changes in the water regime of Russian rivers by observation data. Water Resour., 2022, vol. 49, pp. 333–350. https://doi.org/10.1134/s0097807822030046
  6. Gelfan A. N., Gusev E. M., Kalugin A. S., Krylenko I. N., Motovilov Yu. G., Nasonova O. N., Millionshchikova T. D., Frolova N. L. Runoff of Russian Rivers under Current and Projected Climate Change: a Review 2. Climate Change Impact on the Water Regime of Russian Rivers in the XXI Century. Water Resour., 2022, vol. 49, pp. 351–365. https://doi.org/10.1134/s0097807822030058
  7. Georgiadi A. G. Change of the hydrological cycle under the influence of global warming. In IAHS Publication. Hydrology for the Water Management of Large River Basins, 1991, pp. 119–128.
  8. Georgiadi A. G., Groisman P. Y. Extreme low flow during long-lasting phases of river runoff in the central part of the East European Plain. Water, 2023, vol. 15, no. 12, art. 2146. https://doi.org/10.3390/w15122146
  9. Georgiadi A. G., Groisman P. Ya. Long-term changes of water flow, water temperature and heat flux of two largest arctic rivers of European Russia, Northern Dvina and Pechora. Environ. Res. Lett., 2022. vol. 17, no. 8, pp. 1–14. https://doi.org/10.1088/1748–9326/ac82c1
  10. Georgiadi A. G., Kashutina E. A. Long-term changes in the runoff of the largest Siberian rivers. Izv. Akad. Nauk, Ser. Geogr., 2016, no. 5, pp. 70–81. (In Russ.). https://doi.org/10.15356/0373-2444-2016-5-70-81
  11. Georgiadi A. G., Kashutina E. A., Milyukova I. P. Long-term changes of water flow, water temperature and heat flux of the largest Siberian rivers. Polarforschung, 2018, vol. 87, no. 2, pp. 167–176. https://doi.org/10.2312/polarforschung.87.2.167
  12. Georgiadi A. G., Koronkevich N. I., Barabanova E. A., Kashutina E. A., Milyukova I. P. Contribution of climatic and anthropogenic factors to changes in the flow of large rivers of the Russian Plain and Siberia. Dokl. Earth Sci., 2019, vol. 488, pp. 1211–1216. https://doi.org/10.1134/s1028334X19100106
  13. Georgiadi A. G., Koronkevich N. I., Milyukova I. P., Kashutina E. A., Barabanova E. A. Sovremennye i stsenarnye izmeneniya rechnogo stoka v basseinakh krupneishikh rek Rossii. Chast’ 2. Basseiny rek Volgi i Dona [Modern and Scenario Changes in River Flow in the Basins of the Largest Rivers in Russia. Part 2. Basins of the Volga and Don Rivers]. Moscow: Max Press Publ., 2014. 214 p.
  14. Georgiadi A. G., Koronkevich N. I., Milyukova I. P., Kislov A. V., Anisimov O. A., Barabanova E. A., Kashutina E. A., Borodin O. O. Stsenarnaya otsenka veroyatnykh izmenenii rechnogo stoka v basseinakh krupneishikh rek Rossii. Chast’ 1. Bassein reki Leny [Scenario Assessment of Probable Changes in River Runoff in the Basins of the Largest Rivers of Russia. Part 1. The Lena River Basin]. Moscow: Max Press Publ., 2011. 179 p.
  15. Georgiadi A. G., Milyukova I. P. The scale of hydrological changes in the Volga River basin under anthropogenic warming. Russ. Meteorol. Hydrol., 2002, no. 2, pp. 72–79. (In Russ.).
  16. Georgiadi A. G., Milyukova I. P. Peculiarities of long-term phases of the increased and decreased Don and Lena runoff in the 19th–21st Centuries. Russ. Meteorol. Hydrol., 2023, vol. 48, pp. 1066–1075. https://doi.org/10.3103/S1068373923120075
  17. Georgiadi A. G., Milyukova I. P., Kashutina E. A. Contemporary and scenario changes in river runoff in the Don basin. Water Resour., 2021, vol. 47, no. 6, pp. 913–923. https://doi.org/10.1134/s0097807820060068
  18. Georgiadi A. G., Milyukova I. P., Kashutina E. A. Response of river runoff in the cryolithic zone of Eastern Siberia (Lena River basin) to future climate warming. In Environmental Change in Siberia. Advances in Global Change Research. Balzter H., Ed. Dordrecht: Springer, 2010, vol. 40, pp. 157–169. https://doi.org/10.1007/978-90-481-8641-9_10
  19. Georgiadi A. G., Milyukova I. P. Volga runoff in the era of global warming. Izv. Akad. Nauk, Ser. Geogr., 2023, vol. 87, no. 6, pp. 804–824. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/s2587556623060079
  20. Georgiadi A. G., Milyukova I. P., Borodin O. O., Gusarov A. V. Water flow changes in the Don River (European Russia) during 1891–2019. Geogr., Environ., Sustain., 2023, vol. 16, no. 2, pp. 6–17. https://doi.org/10.24057/2071-9388-2022-083
  21. Georgievskii M. V., Golovanov O. F. Forecasting changes in river water resources of Russian Federation based on CMIP5 runoff data. Vestn. S.-Petersb. Univ. Nauki Zemle, 2019, no. 2, pp. 206–218. (In Russ.). https://doi.org/10.21638/spbu07.2019.203
  22. Georgievsky V. Yu., Yezhov A. V., Shalygin A. L., Shiklomanov I. A., Shiklomanov A. I. Assessment of the impact of possible climatic changes on the hydrological regime and water resources of rivers of the former USSR. Meteorol. Hydrol., 1996, no. 11, pp. 89–99.
  23. Gusev E. M., Nasonova O. N. Modelirovanie teplo- i vlagoobmena poverkhnosti sushi s atmosferoi [Modeling of Heat and Moisture Exchange Between the Land Surface and the Atmosphere]. Moscow: Nauka Publ., 2010. 327 p.
  24. Harding R., Best M., Blyth E., Hagemann S., Kabat P., Tallaksen L. M., Warnaars T., Wiberg D., Weedon G. P., van Lanen H. A. I., Ludwig F., Haddeland I. WATCH: Current knowledge of the Terrestrial global water cycle. J. Hydrometeorol., 2011, vol. 12, pp. 1149–1156. https://doi.org/10.1175/JHM–D-11–024.1
  25. Kalinin G. P., Milyukov P. I. Approximate calculation of unsteady movement of water masses. Tr. TsIP, 1958, no. 66. 72 p. (In Russ.).
  26. Kalugin A. Climate change effects on river flow in Eastern Europe: Arctic rivers vs. Southern rivers. Climate, 2023, vol. 11, art. 103. https://doi.org/10.3390/cli11050103
  27. Kattsov V. M., Govorkova V. A. Expected surface air temperature, precipitation and annual runoff changes over the territory of Russia: projections with an ensemble of global climate models (CMIP5). Tr. GGO, 2013, no. 569, pp. 75–97. (In Russ.).
  28. Kislov A. V., Evstigneev V. M., Malkhazova S. M., Sokolikhina N. N., Surkova G. V., Toropov S. M., Chernyshev A. V., Chumachenko A. N. Prognoz klimaticheskoi resursoobespechennosti Vostochno-Evropeiskoi ravniny v usloviyakh potepleniya XXI veka [Forecast of the East European Plain Climatic Resource Availability in the Conditions of Warming in the 21st Century]. Moscow: Max Press Publ., 2008. 290 p.
  29. Koronkevich N. I., Georgiadi A. G., Barabanova E. A., Kashutina E. A., Milyukova I. P. On the ratio of climatic and anthropogenic factors in the change of the Volga River runoff. Izv. Akad. Nauk, Ser. Geogr., 2023, vol. 87, no. 6, pp. 825–834. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/s2587556623060092
  30. Meehl G. A., Bony S. Introduction to CMIP5. CLIVAR exchanges — Special Issue: WCRP Coupled Model Intercomparison Project — Phase 5 — CMIP5, 2011, no. 56, vol. 16, pp. 4–5.
  31. Milyukova I., Georgiadi A., Borodin O. Long-term changes in water flow of the Volga basin rivers. E3S Web Conf., 2020, vol. 163, art. 05008. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202016305008
  32. Mokhov I. I., Semenov V. A., Khon V. K. Estimates of possible regional hydrologic regime changes in the 21st century based on global climate models. Izv. Akad. Nauk, Ser. Fizika Atmosf. Okeana, 2003, no. 39, pp. 130–144. (In Russ.).
  33. Motovilov Yu. G., Gelfan A. N. Modeli formirovaniya stoka v zadachakh gidrologii rechnykh basseinov [Runoff Formation Models in Challengers of River Basin Hydrology]. Moscow: Izd-vo Ross. Akad. Nauk, 2019. 300 p.
  34. Nauchno-prikladnoi spravochnik: Mnogoletnie kolebaniya i izmenchivost’ vodnykh resursov i osnovnykh kharakteristik stoka rek Rossiiskoi Federatsii [Applied Scientific Reference Book: Long-term Fluctuations and Variability of Water Resources and Main Characteristics of River Runoff in the Russian Federation]. St. Petersburg: RIAL Publ., 2021. 190 p.
  35. Shpakova R. N., Wang P. Change in perennial runoff fluctuations of the rivers in South Yakutia in the context of global warming. Ross. Arktika, 2023, vol. 5, no. 1, pp. 33–44. (In Russ.). https://doi.org/10.24412/2658-4255-2023-1-33-44
  36. Sinyukovich V. N., Georgiadi A. G., Groisman P. Y., Borodin O. O., Aslamov I. A. The variation in the water level of lake Baikal and its relationship with the inflow and outflow. Water, 2024, vol. 16, no. 4, art. 560. https://doi.org/10.3390/w16040560
  37. Vodnye resursy Rossii i ikh ispol’zovanie [Water Resources of Russia and Their Use]. Shiklomanov I. A., Ed. St. Petersburg: Gos. Gidrolog. Inst., 2008. 600 p.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Relative changes (∆, %) in flood (F), summer-autumn (SA), winter (W) and annual (A) runoff during the period of modern global warming (since 1981) compared to the runoff of the base period (1930–40s – 1980), calculated based on long-term runoff data, from which anthropogenic changes are excluded. Information on the cross-sections is given in Table 1

Download (16KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Relative changes in annual runoff (∆, %) during the period of modern global warming compared to the runoff of the base period, calculated using the water balance equation and data on atmospheric precipitation and air temperature averaged over the ensemble of global climate models of the CMIP5 program (1), and using long-term runoff data with anthropogenic changes excluded (2).

Download (10KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Relative changes (∆, %) in annual runoff (A), flood runoff (F), summer-autumn (SA) and winter (W) runoff of the Volga (a), Don (b) and Vilyuy (c): during the period of modern global warming compared to the baseline period runoff calculated based on long-term runoff data with anthropogenic changes excluded (1), during the scenario warming period in 2010–2039 – based on the monthly water balance model and scenario data on precipitation and air temperature averaged based on data from the ensemble of global climate models of the CMIP5 program for the RCP2.6 and RCP8.5 scenarios, respectively, compared to the baseline period runoff of 1931–1980 (2, 3), during the scenario warming period of 2035–2065 – based on the monthly water balance model and scenario data on precipitation and air temperature averaged over the data from the CMIP5 global climate model ensemble for the RCP2.6 and RCP8.5 scenarios, respectively, compared to the baseline period runoff of 1931–1980 (2, 3), and during the scenario warming period of 2035–2065. – compared with the flow of the base period 1971–2000 (4). More detailed information is in the text.

Download (24KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Scenario changes (∆, %) in annual precipitation (1), annual evaporation (2), annual air temperature, ∆, C (3), annual runoff during the scenario warming period 2040–2069 in comparison with the baseline runoff (4) for scenarios RCP2.6 (a) and RCP8.5 (b).

Download (29KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Regression relationships between the relative (%) scenario changes obtained for the considered large river basins based on the data of the ensemble of global climate models under the RCP8.5 climate scenario of the CMIP5 program: (a) annual runoff and annual atmospheric precipitation for the period 2040–2069; (b) annual evaporation and annual air temperature for the period 2040–2069; (c) annual runoff calculated by the authors using the annual water balance equation for the period 2040–2069 (∆R2) and obtained in (Georgievskiy, Golovanov, 2019) for the period 2041–2060, based on calculations on the ensemble of global climate models (∆R1).

Download (27KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences