Расчеты выполнены на гидрологической водно-балансовой модели UNH WBM (университет Нью Гэмпшира, США). Для оценки изменений речного стока и других компонентов водного баланса на перспективу расчеты были выполнены с пространственным разрешением 30 минут (~50 км) для территории всего Арктического водосборного бассейна России. Модельные расчеты выполнялись для периодов 2006-2035 гг. 2036-2065 гг. с использованием климатических данных четырех моделей общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО) : GFDL-ESM2M, HadGEM2-ES, IPSL-CM5A-LR, MIROC-ESM, данные которых были приведены в рамках проекта ISIMIP (The Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project) к одному пространственному разрешению -30 минут.
Анализ результатов расчетов на модели UNH WBM с исходными климатическими данными МОЦАО за исторический период 1971-2005 г. показал, что все используемые МОЦАО существенно недоучитывают осадки и соответственно смоделированные гидрографы стока существенно отличаются от наблюденных. Поэтому при анализе изменений стока не перспективу наиболее оптимальным является подход
основанный на анализе отклонений характеристик стока и других компонентов водного баланса, осредненных за периоды 2006-2035 гг. и 2036-2065 гг., от их средних значений за исторический период 1971-2005 г. Все выполненные на перспективу расчеты выполнялись на UNH WBM с учетом регулирования стока водохранилищами, построенными к 2020 г.
Следующие гидрологические характеристики выводились в результате расчетов, выполненных на модели UNH WBM: слой речного стока (мм), речной сток по ячейкам русловой сети (м3/с), доля снегового стока (%), доля ледникового стока (%), доля дождевого стока (%), доля подземного стока (%), влажность почвы (мм), испарение и транспирация (мм), запасы воды в снежном покрове (мм), запас воды в водохранилищах (млн. м3), запас воды в почво-грунтах (мм). Все данные характеристики представлены как в оригинальных расчетных величинах – ежесуточные данные, так и осредненные, за отдельный месяц, год и за весь расчетный период. Также все полученные расчетные данные были осреднены по основным водосборам, регионам (областям) и районам Российской Федерации и могут анализироваться, используя недавно разработанную информационную онлайн систему: (http://neespi.sr.unh.edu использовать project “ISIMIP” в search).
Основные результаты
1) вероятные изменения годового стока и основных компонентов водного баланса.
По сценарию RCP4.5 для разных МОЦАО. Данный сценарий наиболее близок к среднему для всех внешних радиационных воздействий, принятых IPCC CMIP5 (RCP 2.6, RCP 4.5, RCP 6.0, RCP 8.5), поэтому мы взяли его за основу, хотя в дальнейшем мы также рассмотрим и ожидаемые изменения в условиях экстремальных сценариев RCP 2.6 и RCP 8.5. Несмотря на существенные отличия в распределении изменений годового стока по территории бассейна СЛО в зависимости от МОЦАО, общая тенденция заключается в ожидаемом увеличении годового стока, особенно на уровень 2050 г. (2036-2065 гг.) и соответственно пресноводного притока в СЛО. По модели GFDL-ESM2M наибольшее увеличение годового стока следует ожидать на Европейской территории, в Западной и Центральной Сибири приблизительно до 95 градусов восточной долготы и некоторого его уменьшения в Забайкалье. На основе данных HadGEM2-ES существенное увеличение годового стока ожидается по всей территории севернее 60 градуса северной широты, а его уменьшение в южных районах Центральной Сибири.
Наименьшее и разнонаправленное изменение годового стока по территории бассейна СЛО следует ожидать при оценках на основе IPSL-CM5A-LR и MIROC5-ESM. Увеличение стока на 30 мм/год и более ожидается к 2050 году на Кольском полуострове прибрежных районах Баренцева и Карского морей, а также в Центральной Сибири севернее 600 с.ш. и в бассейне Лены, а его уменьшение в южных районах Сибири и у южной границы бассейна СЛО в Европейской части. Похожие, хотя и более контрастные результаты получены и на основе моделирования с использованием экстремальных сценариев RCP 2.6 и RCP 8.5.
Следует отметить , что по сценарию RCP 8.5 следует ожидать наибольшего увеличения стока в бассейне СЛО к 2050 г., а по сценарию RCP 2.6 наименьшего, хотя на уровень 2025 г. (2006-2035 гг.) все сценарии показывают приблизительно одинаковую картину, хотя отличаются в зависимости от используемой МОЦАО. Таким образом, можно заключить, что различие между сценариями увеличивается с каждым годом и наибольшая разница, очевидно, наблюдается в последний из рассматриваемых лет (2065 г.).
2) для того, чтобы лучше понимать основные причины ожидаемых изменений годового стока были проанализированы изменения основных характеристик водного баланса: осадки, испарение и транспирацию, снегозапасы и влажность верхнего слоя почвы.
По результатам всех рассмотренным МОЦАО на территории Арктического водосборного бассейна России ожидается существенное увеличение суммарных осадков за год. Однако распределение этих изменений по территории отличается для каждой рассмотренной МОЦАО. Согласно GFDL-ESM2M наибольшее увеличение осадков на 100 и более мм/год следует ожидать в Европейской части бассейна СЛО и в Западной и Центральной Сибири приблизительно до долготы 100 град. в.д., хотя осадки в самых северных, прибрежных районах Западной Сибири и на полуострове Таймыр не будут существенно увеличиваться. По модели HadGEM2-ES наибольшего роста осадков, наоборот, следует ожидать в северных районах выше широты 60 град с.ш. Это хорошо согласуется с прогнозируемым уменьшением ледовитости СЛО, и как следствие увеличением увлажнения прибрежных районов. Согласно моделям IPSL-CM5A-LR и MIROC5-ESM наибольшее увеличение осадков на уровень 2050 г. следует ожидать на севере Западной и в Центральной Сибири, а также на Кольском полуострове. Изменение среднегодового испарения и транспирации на перспективу по территории бассейна СЛО, в целом соответствует изменению осадков. Наиболее существенное увеличение испарения следует ожидать в Европейской части, в Западной и Центральной Сибири, т.е. в тех же регионах, где ожидается наиболее значительное увеличение осадков. По абсолютным значениям рост среднегодовых осадков превышает увеличение испарения и, таким образом, можно ожидать и увеличения среднегодового стока.
Существуют заметные отличия в ожидаемых изменениях среднегодового стока в зависимости от используемой МОЦАО. По всем моделям наибольшее увеличение стока на уровень 2050 г. следует ожидать в Центральной Сибири севернее 60 град. с.ш., в нижнем течении Лены и в прибрежных районах Европейской части и Западной Сибири. В то же время уменьшение среднегодового стока ожидается в южных районах Центральной и Восточной Сибири, включая Приангарье и верховья Енисея, где находятся крупнейшие гидроэлектростанции России. Уменьшение стока в этих регионах может привести к неблагоприятным последствиям для гидроэнергетики. Нужно отметить, что, несмотря на увеличение стока Сибирских рек и их притока в СЛО (Shiklomanov et al, 2021; Holmes et al, 2021), в южных частях их водосборов, часто наблюдается обратная картина (Shiklomanov and Lammers, 2014) и в связи с этим возникают проблемы с наполнением водохранилищ Ангаро-Енисейского каскада.
Для того чтобы лучше понять за счет чего следует ожидать изменений годового стока по территории бассейна СЛО были также рассмотрены отклонения среднегодовых снегозапасов в мм водного эквивалента и влажности в верхнем слое почвы, смоделированные на модели UNH WBM на основе климатических данных МОЦАО. Ожидается существенное снижение снегозапасов на уровень 2050 г. на Европейской территории и в Западной Сибири, а их увеличение на севере Центральной Сибири и в Восточной Сибири. Влажность верхнего слоя почвы в перспективе изменится несущественно по территории Российского бассейна СЛО. Это, очевидно, обусловлено тем, что увеличение осадков будет частично компенсировано ростом испарения и транспирации.
Согласно расчетам на модели UNH WBM по данным МОЦАО HadGEM2-ES, IPSL-CM5A-LR и MIROC5-ESM на уровень 2050 г. следует ожидать существенного уменьшения влажности почвы в центральных, сильно заболоченных районах Западной Сибири, что очевидно связано с высыханием части болот, и ее увеличение на севере Западной и Центральной Сибири. Противоположная картина для данной территории наблюдается на основе расчетов по климатическим данным МОЦАО GFDL-ESM2M, согласно которой
существенно увеличится влажность почвы в Западной и Центральной Сибири приблизительно до 640 с.ш., что очевидно приведет к увеличению заболачивания в данных регионах. Поскольку, результаты оценки изменения влажности почвы сильно отличаются, необходимо выполнить дополнительные расчеты с использованием данных других МОЦАО, чтобы надежнее оценить влияние глобального потепления на влажность почвы в водосборном бассейне СЛО. Это особенно важно для оценки сельскохозяйственных перспектив, а также для прогноза пажароопасности в регионе.
3) оценены возможные изменения сезонного стока на перспективу. Для оценки ожидаемых изменений сезонного стока по территории водосборного бассейна СЛО были рассмотрены три периода внутри года с характерными условиями формирования стока. Зима (с ноября по март), когда основное формирование стока происходит за счет подземного питания. Этот период, характеризуется постепенным уменьшением стока, за счет истощения запасов воды в верхнем слое почво-грунтов и увеличением промерзания почвы. Следует отметить, что в Западных районах ЕТР, а также на юге Сибири, особенно в ноябре, может наблюдаться некоторое увеличение стока в этот период за счет дождей или снеготаяния, однако, в целом для рассматриваемого бассейна это не характерно. За период половодья принят период апрель-июнь, когда преобладает снеговое питание и наблюдаются, как правило, наивысшие значения стока. Для многих северных регионов Сибири, однако, в апреле преобладает подземное питание рек и могут даже отмечаться его минимальные значения. Лето-осень включает в себя период с июля по октябрь, когда наблюдается смешанное питание рек, характерны дождевые паводки и дополнительное увеличение стока за счет таяния вечной мерзлоты. По всем используемым климатическим данным в перспективе ожидается дальнейшее увеличение зимнего стока практически на всей территории бассейна СЛО. Наибольшее его увеличение (более 50%) ожидается на Европейской части бассейна СЛО в северных районах Западной и Центральной Сибири. Частично такой рост стока в зимний период на Европейской части связан с более ранним началом половодья и соответствующим уменьшением весеннего стока на данной территории.
4) оценка ожидаемых изменений гидрографов стока крупных Арктических рек.
Чтобы лучше понять изменения сезонного стока необходимо выполнить анализ изменений гидрографов стока крупных рек. Анализ средних гидрографов стока, рассчитанных на модели UNH WBM, с использованием климатических данных по 4-м рассмотренным МОЦАО для исторического периода (1971-2005 гг.) и для различных сценариев будущего климата (RCP 2.6, RCP 4.5, RCP 6.0, RCP 8.5) на уровень 2006-2035 гг. и 2036-2065 гг. показал общую тенденцию для всех крупных рек (Северная Двина, Печора, Обь, Енисей, Лена и Колыма) к увеличению стока в осенне-зимний период и более раннее начало весеннего половодья. Наиболее существенное увеличение осенне-зимнего стока в 2-2.5 раза ожидается для рек в Европейской части бассейна СЛО (Северная Двина и Печора), а наименьшее на 20-35% для рек Восточной Сибири (Лена и Колыма). По сценарию RCP 2.6 для МОЦАО GFDL-ESM2M и сценарию RCP 8.5 для остальных МОЦАО на уровень 2036-2065 гг. ожидается наибольшее увеличение зимнего стока для всех рассматриваемых рек. Практически по всем климатическим моделям и сценариям следует ожидать небольшого снижения максимальных расходов весеннего половодья для европейских рек, вследствие значительного выравнивания стока между сезонами. В то же время, существенно (до 38%) вырастут максимальные расходы весеннего половодья на Лене и Колыме, что приведет к увеличению вероятности экстремальных наводнений. Максимальные значения стока Оби и Енисея по разным МОЦАО и сценариям изменятся незначительно в пределах -5 — +10%. На всех реках ожидается более раннее половодье от 1 недели до 1 месяца в зависимости от МОЦАО/сценария. Сток в период летней межени немного уменьшится на реках ЕТР за счет более раннего половодья и истощения снегового питания к началу лета. Летний сток Сибирских рек останется неизменным или немного увеличится в результате таяния вечной мерзлоты и ледников. Однако, для более надежной оценки их вклада в речной сток, необходимы дополнительные расчеты на гидрологической модели с привлечением более детальной информации по будущему климата и подстилающей поверхности. Следует отметить, что все используемые МОЦАО из CMIP5 существенно недооценивают осадки на территории Арктического бассейна России и таким образом, смоделированный на их основе речной сток существенно ниже наблюденного — на 10-20% для Европейских рек и на 50-60% для Лены и Колымы. Используя данные этих моделей можно оценить общие тенденции ожидаемых изменений, однако для более надежной количественной оценки необходимы более надежные климатические данные, которые, как мы надеемся, будут обеспечены в рамках новых модельных экспериментов CMIP6.