РЕКОНСТРУКЦИЯ СТОКА РЕКИ ОБЬ ПО ДАННЫМ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ

в высоких широтах: Матер. Междунар. науч.-практ. конф. Мурманск: Изд. МАГУ, 2017. С. 51-59.

Кудрявцева О.Ю. Структура прибрежных сообществ молоди рыб в губах Дальнезеленецкая и Ярнышная Баренцева моря // Арктическое морское природопользование в XXI веке - современный баланс научных традиций и инноваций (к 80-летию ММБИ КНЦ РАН): Тез. докл. Междунар. науч. конф. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2015. С. 119-121.

Кудрявцева О.Ю. Структура прибрежных сообществ рыб в губах Ярнышная и Зеленецкая (Восточный Мурман) // Вопросы ихтиологии. 2018. Т. 58, № 4. С.428-474.

Кудрявцева О.Ю. Характеристика прибрежных сообществ рыб в губах Восточного Мурмана в летне-осенний период 2018 года // Тр. КНЦ РАН. 2019. Т. 3(10). Сер. Океанология. Вып. 6. С. 22-35.

Миронова Н.В. Биология и промысел сайды // Тр. Мурм. биол. ст. АН СССР. 1957. Т. 3. С. 114-129.

Миронова Н.В. Питание и рост молоди тресковых рыб в прибрежной зоне Восточного Мурмана. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1956. 100 с.

Чугунова Н.И. Руководство по изучению возраста и роста рыб: методическое пособие по ихтиологии. М.: Изд-во АН СССР, 1959. 164 с.

ICES. Scientific reports rapports scientifiques du ciem. 2019. Vol. 1, iss. 30. 930 р.

DOI: 10.37614/2307-5252.2020.11.5.003 УДК 556.06

А.С. Булавина

Мурманский морской биологический институт РАН, Мурманск, Россия

РЕКОНСТРУКЦИЯ СТОКА РЕКИ ОБЬ

ПО ДАННЫМ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ

Аннотация

Рассмотрена связь изменчивости стока реки Обь с метеорологическими параметрами в различных частях ее водосборного бассейна. Выявлены области преобладающего влияния температуры воздуха и различных видов осадков на колебания расходов воды в нижнем течении реки. Реконструирован многолетний ряд средних годовых расходов воды в створе гидрологического поста "Салехард" за 1936-2015 гг. Реконструированный ряд хорошо воспроизводит межгодовые колебания и многолетние тенденции измеренных средних годовых расходов воды.

Ключевые слова: речной сток, река Обь, реконструкция стока.

A.S. Bulavina

Murmansk Marine Biological Institute RAS, Murmansk. Russia

RECONSTRUCTION OF THE OB RIVER RUNOFF USING METEOROLOGICAL DATA

Abstract

The connection of the Ob river flow variability with meteorological parameters in different parts of its catchment area is considered. Areas of the prevailing influence of the air temperature and different types of precipitation on Ob runoff fluctuations were identified. The long-term series of average annual water discharge in the Salekhard hydrometric station for the period 1936-2015 is reconstructed. The reconstructed series reproduces the measured interannual fluctuations and long-term trends of the average annual water discharge and found it to be good.

Keywords: river runoff, Ob river, runoff reconstruction.

Введение. Оценка изменений речного стока под влиянием климата является одной из актуальных задач современной гидрологии. Все больший интерес вызывают прогнозные оценки изменений речного стока при различных тенденциях изменения климата, так как они важны при долгосрочном планировании устойчивого развития экономики. В первую очередь требуют оценки изменения объемов стока крупнейших рек мира, так как изменения их водного режима могут иметь наиболее серьезные природные и экономические последствия.

Речная система Оби - одна из крупнейших в России и мире. Обь и ее притоки протекают по территориям шести субъектов Российской Федерации, а верховья Иртыша находятся в Китае и Казахстане. Река имеет большое водохозяйственное значение, а также является крупнейшей водной транспортной артерией Западной Сибири. Она обеспечивает более 30 % поступающей в Карское море пресной воды. Колебания стока Оби могут оказать существенное влияние на гидрологический режим моря, а по некоторым оценкам и на циркуляцию во всем Арктическом бассейне (Broecker, 1997; Кулаков, 2012).

С середины 1970-х гг. на азиатской территории России отмечено повышение температуры воздуха в среднем на 0.36 °C/10 лет (Влияние ..., 2011). Установлено, что количество осадков на водосборе Оби в ХХ веке имело слабую тенденцию к увеличению (Berezovskaya et al., 2004), хотя статистическая значимость тренда не подтверждается, но долгосрочные изменения количества осадков на водосборе Оби имеют направленный характер. Несколько возросшее количество осадков может быть нивелировано увеличенными затратами влаги на испарение. Сток Оби в ХХ веке не имел тенденции к увеличению. Отмечено перераспределение стока внутри года при

относительном постоянстве среднегодовых расходов воды (Агафонов, 2010). Однако при сохранении наметившихся тенденций изменения климата они могут отразиться и на среднем годовом стоке реки.

Прежде чем переходить к прогнозным оценкам и моделированию речного стока на основании изменяющихся характеристик климата, необходимо решить задачу реконструкции стока в доступный период наблюдений. По степени соответствия реконструированных данных таковым натурных наблюдений можно делать выводы о целесообразности применения метода реконструкции для прогнозных оценок.

Цель исследования - рассмотреть возможности реконструкции стока р. Обь по данным метеорологических наблюдений. В качестве входных данных были выбраны сведения о количестве осадков и температуре, так как они регулярны и обладают высокой доступностью.

Материал и методы. Водосбор реки имеет значительную протяженность с севера на юг и большую площадь, однако более 80 % стока Оби формируется выше места ее слияния с Иртышом. В нижнем течении Обь питается небольшими притоками. Наиболее крупным притоком в нижнем течении Оби является р. Северная Сосьва со средним годовым стоком около 23 км3, что составляет менее 5 % от стока реки. Исходя из этого, в работе принято, что закономерности колебаний стока нижней Оби определяются в первую очередь взаимодействием и наложением колебаний климатических характеристик на водосборах крупных притоков реки, расположенных выше слияния Оби и Иртыша.

Водосборный бассейн Оби является одним из крупнейших в мире, что обусловливает разнообразие условий формирования стока. Изменения характеристик климата в различных частях водосбора могут иметь разнонаправленный характер. Это затрудняет выявление значимых трендов осадков и температур, а также корреляций между объемом речного стока и этими параметрами для водосбора в целом. Для оценки характеристик климата внутри рассматриваемого водосбора были выделены четыре подбассейна: Иртыш (за исключением водосборных бассейнов Тобола и Ишима), Тобол, Ишим, водосбор верхней и средней Оби. Для анализа характеристик климата были использованы данные метеорологических наблюдений на метеостанциях, расположенных на территориях подбассейнов. Характеристики водосборных подбассейнов и их обеспеченность метеостанциями показаны в табл. 1.

Из электронной базы Всероссийского научно-исследовательского института гидрометеорологической информации - Мирового центра данных (г. Обнинск, Россия) (Шр:/те1ео.ги) были отобраны данные о средних месячных суммах жидких и твердых осадков и ежемесячные данные о температуре воздуха на метеостанциях за доступный период наблюдений (с 1936 по 2015 гг.).

Т а б л и ц а 1

Обеспеченность водосборных подбассейнов Оби метеостанциями

T a b l e 1

Provision of catchment sub-basins of the Ob river with weather stations

_Подбассейн

Иртыш

Тобол

Ишим

Верхняя и средняя Обь

Площадь, тыс. км2 1646 426 177 1047

Количество метеостанций 11 8 6 12

Для вычисления средних характеристик температуры и осадков на территориях подбассейнов данные наблюдений на метеорологических станциях интерполировались методом естественной окрестности (полигонов Тиссена). По результатам исследования М.Ю. Крюковой и Т.Е. Симакиной (2018), при интерполяции метеорологических данных этот метод показывает лучшие результаты по сравнению с другими методами.

Данные гидрологического поста "Салехард" (1936-2015 гг.) о средних годовых и месячных расходах воды (1936-1999 гг.) получены из открытой электронной базы данных "A régional, electronic, hydrographie data network for the Arctic région" (http://www.r-arcticnet.sr.unh.edu).

Следует отметить, что ряды стока Оби нельзя считать абсолютно однородными, поскольку в бассейне реки в течение рассматриваемого периода были построены ГЭС, что может повлиять на результаты в сторону ослабления связи стока с климатическими параметрами. Однако, как было показано Д.В. Магрицким (Magritskii, 2008), регулирование стока в верхнем течении Оби и Иртыша не вызвало существенных изменений стока нижней Оби.

Исследование включало ряд последовательных этапов. На первом этапе были проанализированы особенности формирования стока реки и определены основные факторы его формирования - предикторы расходов воды. На втором этапе был выполнен анализ корреляционных связей между предикторами и расходами воды в нижнем течении Оби и определены наиболее значимые из них. На третьем этапе были составлены различные варианты регрессионных зависимостей между значимыми предикторами и расходами воды в створе гидрологического поста "Салехард". Выбрана функция регрессии, описывающая характер связи между параметрами наилучшим образом.

Результаты и обсуждение. Основным источником питания для Оби являются атмосферные осадки. Более 50 % питания реки приходится на снег, 20-25 % на дождевое и грунтовое питание (Алешина, Гефке, 2019). Формирование стока в теплое (с мая по октябрь) и холодное (с ноября по апрель) полугодия определяются различными факторами. У рек с преобладанием снегового питания, сток теплого полугодия формируется

главным образом за счет воды, накопленной в снеге в холодный период года, и осадков, выпадающих в жидком виде в теплое полугодие. Сток холодного полугодия формируется преимущественно за счет грунтовых вод, жидких осадков в холодное полугодие и частичного таяния снега во время зимних оттепелей. Насыщенность грунтов влагой и, соответственно, объем грунтового питания обычно связаны с водностью предшествующего года (Комлев, 2002).

Исходя из этого, было выдвинуто предположение, что предикторами расходов воды в теплое полугодие является количество твердых осадков в холодное полугодие, количество всех осадков в теплое полугодие, температура воздуха средняя годовая или температура в теплое и холодное полугодие. Предикторами расходов воды в холодное полугодие, вероятно, является количество жидких осадков в холодное полугодие, среднее годовое количество осадков предшествующего года, температура воздуха в холодное полугодие.

Для всех подбассейнов были рассчитаны средние температуры воздуха и суммы жидких и твердых осадков: годовые (за гидрологический год -с ноября по октябрь), теплого и холодного полугодий. Был проведен расчет коэффициентов линейной корреляции многолетних колебаний расходов воды в створе гидрологического поста "Салехард" с их предполагаемыми предикторами.

Значимой корреляции расходов воды в теплое полугодие в створе гидрологического поста "Салехард" со средними годовыми температурами воздуха и температурами воздуха в холодное полугодие не было обнаружено. Несмотря на то, что с середины 1970-х гг. увеличение температуры происходило наиболее интенсивно в холодное полугодие (Влияние ..., 2011), его влияние на объем стока за теплое полугодие не столь значительно. Вероятно, это связано с тем, что эвапортанспирация наиболее интенсивно происходит в теплый период года, поэтому наибольшее влияние на речной сток теплого полугодия оказывает температура воздуха над водосбором непосредственно в этот период. Отмечена статистически значимая корреляция между температурами воздуха в теплое полугодие в бассейнах рек Иртыш, Тобол, Ишим и расходами воды гидрологического поста "Салехард" (табл. 2). Теснота связи между температурой воздуха в подбассейнах и расходами воды может зависеть от площади подбассейна, ведь объем испаренной влаги зависит от площади. Тогда наибольшую связь следовало бы ожидать для водосборов Иртыша и верхней и средней Оби, имеющих большие площади. Однако, самую низкую корреляцию температуры воздуха с расходами воды в нижнем течении Оби имеет бассейн верхней и средней Оби, что не соответствует распределению площадей между бассейнами. Причиной этому могут быть разнонаправленные колебания температур в различных частях больших по площади водосборов.

Т а б л и ц а 2 Корреляция между средними расходами воды в створе гидрологического поста "Салехард" в теплое полугодие и метеорологическими параметрами

T a b l e 2

Correlation between average water discharge at the Salekhard hydrometric station during the warm half-year and the meteorological parameters

Параметр Бассейн р. Иртыш Бассейн р. Ишим Бассейн р. Тобол Бассейн верхней и средней Оби

Количество осадков 0.40* 0.44* 0.45* 0.35*

в теплое полугодие Количество твердых 0.17 0.38* 0.48* 0.49*

осадков в холодное

полугодие Средняя температура -0.32* -0.29* -0.31* -0.22

воздуха в теплое

полугодие

*Значимые коэффициенты (р < 0.05).

Полученные коэффициенты корреляции указывают на то, что, несмотря на большую площадь и значительное количество твердых осадков в зимний период, бассейн Иртыша не является областью влияния снежного покрова на сток нижней Оби. Наиболее тесная связь стока нижней Оби существует с твердыми осадками холодного полугодия в бассейне р. Тобол и в бассейне верхней и средней Оби. Согласно исследованию В.В. Поповой с соавторами (2010), именно на территориях этих бассейнов находятся две основные области влияния снегозапасов. Одна из них расположена на восточном склоне Среднего Урала в водосборе р. Тобол, другая на востоке примыкает к водоразделу между Обью и Енисеем.

Коэффициенты корреляции между расходами воды в створе гидрологического поста "Салехард" в холодное полугодие и отобранными метеорологическими параметрами показывают, что сток в холодное полугодие в большей степени зависит от количества осадков в предшествующем году и от температуры воздуха в текущее холодное полугодие (табл. 3).

Расходы воды в холодное полугодие показывают слабую прямую корреляцию со средними температурами в этот период. Это связано с тем, что количество и продолжительность зимних оттепелей отражаются на средней температуре, а также они способствуют частичному таянию снега в зимний период.

Т а б л и ц а 3 Корреляция между средними расходами воды в створе гидрологического поста "Салехард" в холодное полугодие и метеорологическими параметрами

T a b l e 3

Correlation between average water discharge at the Salekhard hydrometric station during the cold half-year and the meteorological parameters

Параметр Бассейн р. Иртыш Бассейн р. Ишим Бассейн р. Тобол Бассейн верхней и средней Оби

Количество жидких 0.17 0.07 -0.08 0.30*

осадков в холодное

полугодие Количество осадков в 0.44* 0.34* 0.42* 0.34*

предшествующем году Средняя температура 0.27* 0.29* 0.27* 0.21

воздуха в холодное

полугодие

*Значимые коэффициенты (р < 0.05).

Сток теплого полугодия в большей степени определяется атмосферными факторами, в то время как в холодный период года их значение существенно снижается. Формирование меженного стока во многом определяется характеристиками водосбора (Комлев, 2002). Показанные выше оценки корреляций подтверждают, что это правомерно и для Оби.

Параметры, имеющие наиболее тесную корреляционную связь с расходами воды гидрологического поста "Салехард", были использованы для расчета индивидуальных и множественных регрессионных зависимостей. Сток за теплое полугодие, более коррелированный с метеорологическими параметрами, показал лучшие результаты при построении регрессионных зависимостей с климатическими характеристиками, чем сток за холодное полугодие. Отбор наиболее значимых объясняющих переменных в регрессионных моделях расходов воды теплого и холодного полугодий осуществлялся методом пошагового добавления переменных. Для холодного полугодия оптимальной оказалась модель с двумя переменными, для теплого полугодия - с пятью переменными.

В холодное полугодие полученная регрессионная зависимость позволяет объяснить колебаниями осадков и температур лишь 24 % изменчивости расходов воды р. Обь. Из них 19 % изменчивости расходов воды в холодное полугодие может быть объяснено количеством осадков в предшествующем гидрологическом году и 5 % - колебаниями температуры воздуха текущего холодного полугодия. Несмотря на то, что регрессионная

модель значима по F-критерию и значимость полученных коэффициентов уравнения регрессии подтверждается по ^критерию, описательная сила модели недостаточна для реконструкции расходов воды.

Регрессионная зависимость расходов воды р. Обь в теплое полугодие от метеорологических параметров объясняет изменчивость расходов воды на 63 %. Наибольший вклад (41 %) в изменчивость расходов воды нижней Оби в теплое полугодие вносит количество твердых осадков в холодное полугодие на водосборе верхней и средней Оби и в бассейне р. Тобол. На рисунке 1 показано как кривая рассчитанных по уравнению регрессии расходов воды соотносится с кривой измеренных расходов в расчетный период (1936-1999 гг.). Рассчитанная кривая хорошо воспроизводит межгодовые колебания и многолетние тенденции измеренных средних расходов воды в теплое полугодие в створе гидрологического поста "Салехард".

A L'ч л IJ

д 11 1 v 1 г л \ '/ I \ 1/ 1\i/ V # < If j А - Л А t Л:-Л

1 'А-' Л 1/ Л" / 1 у\/ \Г 1 1 ч \ 1/1 г VI uWi V / 1

1950 1960 1970 1980 1990

Период, годы

--Рассчитанное -Измеренное

-• Линейная (Рассчитанное)-Линейная (Измеренное}

Рис. 1. Средние расходы воды в створе гидрологического поста "Салехард" в теплое полугодие по данным натурных измерений и рассчитанные на основе множественной регрессии

Fig. 1. Average water discharge at the Salekhard hydrometric station during the warm half-year according to real measurements and calculated on the basis of multiple regression

Ряд наблюдений за средними годовыми расходами воды в створе гидрологического поста "Салехард" длиннее, чем ряд наблюдений месячного разрешения. Значения средних расходов воды в теплое полугодие с 2000 по 2015 гг. были восстановлены при использовании полученного уравнения регрессии.

Чтобы перейти от средних расходов воды в теплое полугодие к средним годовым, был изучен характер связи между ними. Несмотря на то, что годовой сток Оби на 80 % и более формируется из стока за теплое полугодие, значимой корреляции и линейной зависимости между ними не наблюдается. Однако многолетний ход разностной интегральной кривой (РИК) годового стока Оби очень точно повторяет ход РИК стока за теплое полугодие (рис. 2). Коэффициент корреляции между ними с 1936 по 1999 гг. составил 0.9.

Была предпринята попытка восстановить годовую РИК, используя РИК рассчитанных по уравнению регрессии средних расходов воды теплого полугодия, а от нее перейти к средним годовым расходам воды. Для расчета были использованы коэффициент вариации и норма годовых расходов воды с 1936 по 1999 гг. Эти величины показывают стабильность при большом количестве лет наблюдений. Таким образом был осуществлен переход от средних расходов воды в теплое полугодие к средним годовым расходам воды. Реконструированные и измеренные средние годовые расходы воды в створе гидрологического поста "Салехард" показаны на рис. 2.

20000 18000 16000 14000 12000

"к

10000 8000 6000 4000 2000

0

1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

Период, годы

Измереиное -----Рассчитанное Среднее многолетнее

Рис. 2. Средние годовые расходы воды в створе гидрологического поста "Салехард"

Fig. 2. Average annual water discharge at the Salekhard hydrometric station

Полученный многолетний ряд колебаний средних годовых расходов воды повторяет ход ряда натурных наблюдений с точностью 56 %. Однако, заметны значительные ошибки в годы, когда измеренные значения средних годовых расходов воды сильно отличались от среднего многолетнего. Причины этого могут быть как в преобладающем влиянии в эти годы неклиматических факторов, так и в особенностях самой регрессионной модели.

Выводы. Рассмотрены возможности реконструкции стока р. Обь по данным о количестве осадков и температуре воздуха в пределах водосборного бассейна. Поиск значимых корреляций между расходами воды и метеорологическими параметрами позволил определить ведущие факторы формирования стока. Дробный анализ водосбора позволил определить локальные зоны влияния отдельных метеорологических параметров.

Расходы воды р. Обь в холодное полугодие определяются в первую очередь количеством осадков, выпавших на водосбор в предшествующем году. На сток теплого полугодия наибольшее влияние оказывает количество твердых осадков в холодное полугодие и осадки в теплое полугодие. Нами определены локальные зоны влияния твердых осадков на сток нижней Оби в теплое полугодие. Наиболее значимо количество твердых осадков, выпадающих в бассейнах Тобола и верхней и средней Оби.

Сток Оби в теплое полугодие имеет более тесную связь с характеристиками климата, чем сток холодного полугодия. Полученная модель регрессии расходов воды в холодное полугодие обладает малой описательной способностью и не может быть использована для реконструкции стока. Регрессионная модель средних расходов воды в теплое полугодие объясняет их изменчивость колебаниями температур и количества осадков на 63 % и хорошо воспроизводит межгодовые колебания и многолетние тенденции измеренных средних расходов воды в теплое полугодие в створе г/п "Салехард".

Предложен и применен метод восстановления годовых расходов воды по РИК стока за теплое полугодие. Переход от полугодовых расходов воды к средним годовым снизил точность реконструкции на 7 %.

Работа выполнена по теме 9-18-02 (133; 137) "Воздействие климатических факторов, химического и радиационного загрязнения на морские экосистемы Арктики в условиях комплексного природопользования" (№ госрегистрации АААА-А18-118030690062-0) в рамках государственного задания № 0228-2019-0029.

Литература

Агафонов Л.И. Сток Оби и его изменения в XX столетии // Изв. РАН. Сер. географ. 2010. № 4. С. 68-76.

Алёшина Н.И., Гефке И.В. Особенности гидрологического режима верхней Оби для возможности водохозяйственного использования // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. 2019. Т. 11-2, № 38. С. 57-60. Doi: 10.24411/2500-1000-2019-11751.

Влияние атмосферной циркуляции на температурный режим Сибири / В.П. Горбатенко, И.И. Ипполитов, М.В. Кабанов, С.В. Логинов, Н.В. Поднебесных, Е.В. Харюткина // Оптика атмосферы и океана. 2011. Т. 24, № 1. С. 15-21.

Комлев А.М. Закономерности формирования и методы расчета речного стока. Пермь: Изд-во Пермского гос. ун-та, 2002. 163 с.

Крюкова М.Ю., Симакина Т.Е. Оценка методов пространственной интерполяции метеорологических данных // Общество. Среда. Развитие. 2018. № 1. С. 144-151.

Кулаков М.Ю. О новом подходе к моделированию циркуляции вод арктических морей // Проблемы Арктики и Антарктики. 2012. Т. 2, № 92. С. 55-62.

Попова В.В., Шмакин А.Б., Симонов Ю.А. Изменения снегозапасов и жидких осадков и их роль в колебаниях стока крупнейших рек бассейна Северного Ледовитого океана при современном потеплении // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. 2010. Т. 23. С.109-127.

Berezovskaya S., Yang D., Kane D. Compatibility analysis of precipitation and runoff over the large Siberian watersheds // Geophysical Research Letters. 2004. Vol. 31, № L21502. С. 1-4. Doi: 10.1029/2004GL021277.

Broecker W.S. Thermohaline circulation, the Achilles heel of our climate system: will man-made CO2 upset the current balance // Science. 1997. Vol. 278. P.1582-1588.

Magritskii D.V. Anthropogenic impact on the runoff of Russian rivers emptying into the Arctic Ocean // Water Resources. 2008. Vol. 35, № 1. С. 1-14. Doi: 10.1007/s11268-008-1001-2.

DOI: 10.37614/2307-5252.2020.11.5.004 УДК 574.5, 579.26, 579.68

А.В. Ващенко, Т.М. Максимовская

Мурманский морской биологический институт РАН, г. Мурманск, Россия

СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БАКТЕРИОПЛАНКТОНА КОЛЬСКОГО И МОТОВСКОГО ЗАЛИВОВ В ОКТЯБРЕ 2017 г.

Аннотация

Представлены результаты исследований бактериопланктона в осенний период в прибрежье Баренцева моря на примере Кольского и Мотовского заливов. Описаны гидробиологические условия среды. Приведены новые данные по численности, биомассе, размерному составу и морфологии бактериальных клеток. Определен трофический статус заливов.

Ключевые слова: бактериопланктон, хлорофилл, Кольский залив, Мотовский залив.

A.V. Vashchenko, T.M. Maksimovskaya

Murmansk Marine Biological Institute RAS, Murmansk, Russia