Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Ресурсы талого стока горных регионов: оценка, картографическое отображение, прогноз изменения

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Ресурсы талого стока горных регионов: оценка, картографическое отображение, прогноз изменения"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ГЕОГРАФИИ

На правах рукописи УДК 551.324.06

Анамичева Мария Дмитриевна РЕСУРСЫ ТАЛОГО СТОКА ГОРНЫХ РЕГИОНОВ: ОЦЕНКА, КАРТОГРАФИЧЕСКОЕ ОТОБРАЖЕН^, ПРОГНОЗ ИЗМЕНЕНИЯ

11.00.07—гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

МОСКПЛ -1992

Работа ттлолиена в отделе гляциологам Института географии Российской Академии наук

Научные руководители

Официальные оппоненты

Ведущая организация

- академик Российской Академии за В.И.Котляков

- кандидат географических наук Н.Н.Дрейер

- доктор географических наук К.С.Лосев

- кандидат географических наук И.Д.Цигельяая

- Институт географии АН Грузии имени Бахушти Багратиони

Защита диссертации состоится 15 НОЯБРЯ_1992 г.

в_час. на заседании специализированного Совета Д.003Л305»

в Институте географии Российской Академии наук по адресу: 103017, Москва, Старомонеткый пер., дом 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института географии Российской Академии наук.

ые

Отзывы на автореферат Св двух экземплярах, заверены печатью; просьба направлять по указанному адресу ученому секретарю Совея. ЯЫОР£Ф£РАТ Разослав § оет^БРЯ 499£г. Ученый секретарь специализированного Совета,

кандидат географических наук Г.М.НИКОЛАЖ

Выявление пространственно-временных закономерностей распределения талого стока горни стран - важная научная проблема при изучении и прогнозе природное среды а климата. Одним из подходо: к ее решению может служить разработка методов расчета, картографического отображегая и анализа динамики величин стока горных рек и его талой составляющей для крупных горных систем Земли. Актуальность исследований в этом направлении возросла в связи с созданием Атласа снехно-ледовкх ресурсов мира, для которого бши составлены серии карт взаимосвязанных характеристик нивально-гляциалышх систем всего земного шара, в том числе гор запада Северно! Америки, на территорию которых автором диссертации был создан ряд карт стока и его компонент. В последние десятилетия отмечается климатический сдвиг в сторону потепления, вызванный, возможно, антропогенными причинами, поэтому очень актуален прогноз реакции водных ресурсов гор на глобальные изменения климата; попытка дать пространственны! прогноз изменения талом стока на примере гор запада Канады и США проведена в данной работе.

Несмотря на то, что гидрологическое картографирование имеет давнюю историю, карты талого снегового и ледникового стока горных стран были составлены лишь в последние 10-15 лет в связи с работами по Атласу снежно-ледовых ресурсов мира. Большой вклад в картографирование общего, поверхностного и подземного стока высокогорных областей внесли Б.Д.Зайков /1946/, Л.А.Владимиров /1976/, А.Л.Шульц /1965, 1974/. ученые Института географии РАН /1969/. в последние годы существенный вклад в создание и совершенствование методики составления гидрологических карт на горные регионы внесли И.С.Соседов /1978/, О.П.Щеглова /1984/»

И.Д.Цигельная /1976, 1978/, Н.Н.Дрейер /1978/, Г.А.Карасик, Г.М.Николаева /1983/, Л.А.Владимиров в коллектив сотрудников Института географии Грузии /1980, 1984/. Однако карти талого стока на горние территории масштаба крупной горной странм до сих пор не составлялись. Работы Хаара /1972/, касающиеся методов расчетов и картографирования элементов водного баланса Северной Америки, Миллера /1963/, Квина /1971/, а также карт« Национального Атласа США и Атласа водного баланса послужили дополнительными источниками эмпирических и расчетных данных.

Выявление закономерностей распределения талого стока как по высоте, так по пространству и времени, а также картографирование его характеристик и расчет его ресурсов в условиях сложной орографии и интенсивного оледенения составляют одцу из самых актуальных проблем в горной гидрологии, в особенности на регионы с недостатком данных по стоку, каким являются горы запада Северной Америки. В связи с этим цель настоящей работы заключается в том, чтобы на основании опыта, накопленного в процессе работы над Атласом снежно-ледовых ресурсов мира и созданных впервые карт, предложить метода оценки ресурсов талых вод, дать анализ взаимосвязей полей талого стока а полей определяющих его факторов, выявить закономерности пространственного распределения и временной изменчивости талого стока в горных странах с разной степенью континелтальности клали та (это горы запада Северной Америки, Большой Кавказ и Пакиро-Алай). Кроме того, отдельной задачей служит попытка прогноза талого стока в условиях меняющегося глобального климата на примере региона гор запада Северной Америки. Достижение этой цели связано с решением следуяадх задач:

- 3 -

1. Применить методику составления карт стока горных рек и его компонент на территорию, характеризующуюся сильно расчлененным рельефом и наличием компактного оледенения, хорошо выражающегося в масштабе карт.

2. Оценить влияние факторов - сумм твердых осадков, снего-запасов, характеристик оледенения - на пространственную картщ формирования талого стока.

3. Рассчитать ресурсы общего и талого стока по высотным поясам в пределах макросклонов хребтов изучаемых горных стран (Кордильеры Северной Америки, Кавказ, Памиро-Алай) и провести их сравнительный анализ.

4. Исследовать изменчивость талого стока, его циклических колебаний и создать серию карт, отражающих закономерности пространственного распределения параметров изменчивости стока по территории изучаемых горных стран.

5. Дать прогноз талого стока для Кордильеры Северной Америки на основании принятых региональных сценариев изменения климата, сравнить полученные пространственные карты с картами современного состояния, а также соответствующих величин ресурсов талых вод.

Предметом зашиты является методы расчета и картографического отображения закономерностей пространственного изменения стока и его компонент для крупной горной страны, имеющей значительное оледенение, оценка ресурсов талых вод на основании впервые созданных карт, анализ временной изменчивости и цикличное- , ти стока и использование полученных связей величин стока и элементов климата для прогноза его изменения при потеплении.

Методика исследования. При решении поставленных задач попользовались следующие методы: статистический (многофакторный статистический и спектральный анализ), картографический (корреляционный и информационный анализ карт), сравнительно-гевтра-фический, гляциоклиматический, а также разработанная авторш методика.

Исходная информация. 3 работе использовано четыре основные источника фактических данных:

1) гидрологические ежегодники США и Канады с ежедневной наблюдениями за стоком рек в горах Кордильер и Аляски, а также гидрологические ежегодники по Средней Азии и Кавказском;/ региону;

2) климатические справочники с данными о температуре воздуха и осадках на метеостанциях США и Канадн;

3) сборники по колебаниям ледников, издаваемые в Цюрихе (Швейцара?), в которых публикуются данные о наблюдениях за балансом массы ледников Северной Америки и горных районов нашей страны;

4) гляциологическая и климатологическая информация, получек ная с гарт л из материалов Атласа с пенно-ледовых ресурсов мира.

Характеристика источников информации приведена в глазе X.

Пространственный и временной масштаб работы. Основной географический объект исследований - территория гор запада Северной Америки, включая горн Аляски. Этому масштабу соответствуют однородные по экспозиции участки склонов основных горных хребтов и высокие плато.

£лл сравнения пространственного распределения общего и талого стока, оценки их ресурсов и исследования межгодовой и зга-:--

чивосги и цикличности талого стока были привлечены соответству пще материалы двух горных стран - Большого Кавказа и Дамиро-Алая, отличающихся от гор Североамериканского материка по степени общей континентальности климата, масштабам и компактности оледенения.

Общим для трех регионов временным интервалом яри оценке из! чивости гидрологических характеристик является 35-летний период (с 1936 г.). который обеспечивает приемлемую точность определения средних величин (Дроздов, Анапольская, 1975). Для оценки изменчивости стока и определяющих его факторов для Кордильер Северной Америки использовался 28-легнлй период (с 1951 г.) времени.

Научные результаты:

1. Впервые дана полная картина высотного распределения талого стока в горах североамериканских Кордильер. Кривые изменения величин талого стока с высотой для областей, где* нет компак ного оледенения построены по данным гидрологических бассейнов и могут быть аппроксимированы параболической функцией. Кривые высотного распределения талого ледникового стока в районах компактного оледенения подучены на основе средних многолетних величин абляции репрезентативных ледников, величин абляции ледниковых систем на средней для макросклона высоте границы питания, а также данных моделирования.

2. С помощью полученных высотных: зависимостей талого стока для ледниковых областей впервые выделены области резкого сокращения стока в районах гор южной Аляски и Берегового хребта и нанесены на карты слоя талого стока (в мм) масштаба

1:3 ООО ООО, принятые для Атласа снежно-ледовых ресурсов мира,

3. На основе составленных карт общего и талого стока и исходных эмпирических кривых связи величин общего и талого стока с высотой оценены ресурсы стока и его составляющих в цзлом для горных стран - Кордильер Северной Америки, Кавказа и Памнро-Алая - и впервые для высотных поясов макросклонов хребтов и межгорных плато этих регионов. Дана сравнительная характеристика закономерностей формирования ресурсов общего и талого стока в зависимости от степени континентальности указанных макросклонов и горных стран в целом.

4. Для целей оценки точности и взаимоувязанности карт стока

и факторов, влияющих на его формирование (максимальные снегозапь-сы, суммы твердых осадков, режимные характеристики оледенения) была оценена пространственная взаимосвязь этих параметров с помощью корреляционного и информационного анализа карт. В результате выявлены участки слабой и высокой степени обусловленности талого стока указанными факторами, а такяе области возможного несогласования карт этих параметров, и проведена их доработка.

5. С.целью сокращения объема работ продолжена упрощенная методика получения рядов талого стока по индивидуальным (для каждого речного бассейна) кривым связи объемов общего и талого стока, построенным по нескольким (4-5) точкам, соответствующим характерным по водности годам (25-, 50- и 75^-ной обеспеченности). Для этих лет объемы талого стока рассчитывались методом расчленения гидрографа. Проведена проверка параметров изменчивости рядов талого стока, полученных вышеуказанным методом, и рядов,

в которых за все годы были рассчитаны объемы стока методом расчленения гидрографов. В результате показана правомерность испо-

льзования этого способа для анализа • . изменчивости и цикличности полученных рядов.

6. Предложен способ расчета коэффициента межгодовой изменчивости талого стока, основанный на установленной зависимости этого коэффициента от норы талого стока, географической широты, площади бассейна. Получена также связь коэффициента вариации талого стока с изменчивостью твердых осадков и максимальных снего-заяасов для гор запада Северной Америки.

7. Впервые проведено районирование территорий трех исследуе мых горные стран яо синфазности колебаний талого стока, а для гор запада Северной Америки - также по синфазности процесса снегонакопления. В основу картографирования синфазности положен принцип одинаковости чередований фаз водности (снежности), определенных по интегрально-разностным кривым колебаний стока (максимальных снегозапасов). Размеры, число и форма районов один; ковых фаз водности зависят от положения хребтов относительно вла: несущих воздушных ыасс, удаленности от источников влаги, орографических особенностей региона.

8. Впервые с помощью спектрального анализа изучены закономерности пространственного распределения цикличности талого стока. Функция спектральной плотности, определяется через гармоники, позволяет наглядно показать преобладающие колебания в процессе

и определить наиболее четкие тенденции к цикличности. На этой основе выполнено районирование территории Кордильер Северной Америки и Памиро-Алая по величине (периоду) первых гармоник колебав ний талого стока: низкочастотная структура стока характерна для районов высокогорья, где развито оледенение, являющееся регулятором колебаний стока^С уменьшением интенсивности оледенения,

период первых гармоник (самый короткий цикл колебаний) уменьшается.

9. Предложен подход к оценке реакции водгагх ресурсов гор (талого стока) на изменение климата, вызванного возможным влиянием роста парниковых газов в атмосфере, на примере гор запада Северной Америки. Суть его в том, что на основе впервые полученных региональных эмпирических зависимостей талого стока от сраа-нелетней температуры воздуха и сумм твердых осадков, используя готовый сценарий изменения этих параметров, рассчитаны прогнозные значения талого снегового и ледникового стока отдельно для районов с компактным оледенением и без него. Правомерность результатов прогноза талого стока и его высотного распределение бьтли проверены по фактическим данным о талом стоке для гор южний Аляски за последние 15 лет, в течение которых было зафиксирован® потепление климата, совпадающие со сценарием.

10. Впервые построены прогнозные карты слоя талого стока на горные территории, характеризующиеся сложным рельефом и интенсивным оледенением на начало XXI в, исходя из сценария увеличения температуры воздуха от 1,6 до 1,9°С и сумм твердых осадков на 12%, взятом из работ К.Я.Винникова, П.Я.Гройсмана. Н.П.Ковыневой. Рассмотрено возможное поведение оледенения в этгг климатических условиях и количественно оценено изменение талага снегового и ледникового стока на территории гор запада Канады г США, включая юго-восточную Аляску.

Практическая значимость работы. Настоящая работа стала возможной благодаря созданию Атласа снежно-ледовых ресурсов мира.. Автором диссертации составлено (совместно с Н.Н.Дрейер и самостоятельно) семь гидрологических карт на территорию запада Сежер-

ной Америки, а также более 10 карт и картосхем, посвященных использованию талого снегового и ледникового стока в гидроэне] гетине для территории Кавказа, Памиро-Алая, Альп, Гренландии I Скандинавии. Усовершенствование методики построения карт талоз стока использовано для картографирования этого параметра на д] гие регионы, а также для построения карт снежного покрова на Северную Америку. Карты могут служить основой для оценки состс ния водных ресурсов и прогноза их реакции на глобальные измене ния климата. В рамках программы 1ИС "Гляциология" карты талого стока запланированы как часть гидрологического блока, состояще из базы многолетних данных и оперативной информации, которые могут использоваться в глобальных климатических моделях.

Личный вклад автора. Сбор, анализ, систематизация и обобщ фактических данных для составления каря общего стока, доли талого (в %) в годовом и карт талого стока в абсолютном выраже нии на территорию гор запада. Канады и США включая Аляску были сделаны автором (3 карты - самостоятельно, 4 - в соавторстве).

Апробация работы и публикации. Отдельные; разделы диссерт; ции были-доложены и обсуждены на IX Всесоюзном гляциологически симпозиуме (Тбилиси, 1988 г.), на рабочем совещании по глобальному изменении климата, организованном Лабораторией эволюционной географии Института географии РАН (Звенигород, май, 1991 г. на школе-семинаре секции гляциологии Мевдуведомственного геофизического комитета (Звенигород, ноябрь, 1991 г.), а также на нескольких научных семинарах лаборатории снежно-ледовых ресз сов Института географии РАН. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, семь карт и несколько картосхем, касащих-

ся распределения стока рек гор и его компонент, принят!« для публикации редколлегией Атласа снежно-ледовых ресурсов мира.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения и содержит 166 страниц машинописного текста, 45 рисунков, в тон числе 8 карт, 22 таблицы и список литературы, включающий 120 наименований.

Автор выражает искреннюю признательность и благодарность :эур-водителям - кандидату географических наук Н.Н.Дрейер и акадеою1 Российской АН В. 1,1.Котлякову за поддержку, многочисленные советц и помощь в ходе работы по созданию карт Атласа снежно-ледовых ресурсов мира и написания настоящей диссертации. Особую благодарность автор приносит профессору Уэнделу Тэнгборну и доктору Дэннису Трабанту (оба - США), кандидатам географических наук Н.М.Зверковой и Т.Э.Костяшкиной за большую помощь и представление ценных материалов и внимание, кандидату географических наук Н.В.Давидович за методическую помощь и консультации при работе над прогнозными картами.

Содержание работы.

Во введении обосновывается цель работы, ее актуальность, ставятся задачи исследования, которые необходимо решить для достижения поставленной цели. Определяются методы и источники исходной информации, формулируются предмет защиты и основные научные результаты.

Первая глава посвящена особенностям построения карт общего и талого стока горных территорий (горы запада Северной Америки},, обоснованию выбора регионов для целей сравнительного анализа полей стока и его составляющих, оценки ресурсов стока и их изменчивости, отличающихся от Кордильер Северной Америки степеньв

; континентальности климата, гляциологическими и орографическими

условиями (Большой Кавказ, Паыиро-Алай). Судя по диапазону

изменения индекса континенгальности (использовалась формула „ тт „ „ A-5,4s»n f

С.П.Хромова: К ---- , где А - годовая амплитуда

А

температуры воздуха, f - географическая широта), а он составляет 0,75 для южной Аляски и 0,95 для Памиро-Алая, выбранные горные районы отражают весь спектр возможных типов климата: от ярко выраженного морского до резко континентального (Хромов, 1968).

Анализ источников фактических данных и существующих карт стока показал:

- недостаточную освещенность гидрологическими наблюдениями районов Аляски, верхних частей хребтов гор запада Канады и. США, определяющую необходимость использования информации о снегонакоплении на больших высотах и режиме ледников;

- неравномерность в распределении гидрологической сети наблюдений по территории гор запада Северной Америки, что обуславливает необходимость привлечения расчетных данных.

Поэтому цель первой главы заключается в развитии методики картографирования величин стока и его составляющих на основе анализа фактических данных, выявление основных закономерностей распределения стока и составление карт этих параметров на территорию гор запада Канады и США.

Карты (масштаб 1:7 500 ССО) общего стока а доли в нем талого (в процентах) были построены для исследуемой территории в соответствии с методикой, опубликованной в Методических указаниях по составлению Атласа снежно-ледовых ресурсов мира по 80 опорным бассейнам с периодом наблюдений с 1936 по 1976 г.

Для построения карт талого стока в абсолютных величинах на ;р£йе-ны наибольшей степени оледенения - юго-восточную Аляску, северную и южную часть Берегового хребта и Скалистые горы (масшваС 1:3 ООО ООО) потребовалось усовершенствовать методику, из-за недостатка гидрологических данных для верхних участков склакпз хребтов, где повсюду доля твердых осадков очень велика (Бэзяа-нова, 1976). Для областей без компактного оледенения были наделены 13 районов однозначной зависимости средних многолетних значений талого стока от средневзвешенной высоты бассейна

Я тал = ^ (Н), по которым проводилось картографирование. Ндош талого стока были рассчитаны методом расчленения гидрографа характерных по водности лет.

На районы компактного оледенения при картографировании необходимо учитывать^ распределение абляции ледников по выс&-те и характерные коэффициенты стока. Поскольку стационарные вй-людения за балансом массы ледников Аляски ведутся лишь на двуг ледниках (Майо, Трабант, 1984), были использованы результаты моделирования талого снегового и ледникового стока для южной и юго-восточной Аляски, выраженные в виде обобщенной кривой распределения талой и ледниковой составляющей по высоте (Лат;, 1983) и рекомендованной Комиссией снега и льда и Рабочей группой по прогнозу стока с ледниковых районов. Нижняя ветвь хорсш-совпала с кривой зависимости Я тал = ^ (Н) для самого влажного южного склона гор Чугач, Св.Ильи (рис.1). Верхние участки полученных высотных зависимостей талого стока экстраполировались с учетом хода обобщенной кривой. Судя по высотному распределению стока гор южной Аляски, максимум талого стога

Н,м

Рис.1. Зависимость талого и ледникового стока (И) от высоты бассейна (Н) для южной и юго-восточной Аляски.

I - плато Льюис и Еиг Сальмон (Канадская Аляска), Б - северный склон Аляскинского хребта, Ш - южный склон Аляскинского хребта, 1У - северный склон гор Чугач, Врангеля, 7 - южный склон гор Чутач, Врангеля. I - данные гидрологических наблюдений, 2 - обобщенные данные о распределении талого (А) и ледникового (Б) стока по высотным зонам для центральной и южной Аляски по Х.Лангу . 3 - экстраполированные участки кривых П-1У.

приурочен к высотам 1400-1600 м - среднему высотному положению пояса аккумуляции твердах осадков. Выше талый сток резко уменьшается и прекращается на высоте 2500 м над ур. моря.

Ледниковый же сток в этом регионе, достигая максимума на высотах, несколько меньших, чем максимум снегового стока - на 1000-1200 ы, прекращается уже около 2000 м.

Для обширных хребтов, объединенных под названием Береговой I хребет, высотные зависимости талого стока, полученные по гидрологическим ДаННЫМ, ЭКСТОаПОЛИШВаЛИСЬ Т1П ПР.ПйПИРнимг ппа тга»тчч_

дого макросклона величин абляции на высоте границы питания, снятых с карт режима ледников этого региона. Представление о распределении таяния в областях оледенения Берегового хребта дают высотные кривые средних многолетних значений абляции ледников восточного склона - Плейс, Сентинел, Хельм, Бридж,■Бенч, имеющих различные площади, диапазон высотного простирания, длину и другие параметры. Судя по ним, в районах оледенения талый сток может достигать 2000-4000 мм на высотах от 1500 до 2200 м, вше таяния и сток резко убывают и прекращаются на 3000 м над ур. моря.

В результате, с использованием гидрологической и гляциологической инфорлацил, были построены карты слоя талого снегового и ледникового стока на территории гор запада Канады и СПА, на которых впервые были выделены области резкого сокращения стока, хорошо выражающиеся в масштабе 1:3 ООО ООО. Зти области близко совпадают с районами, где годовая сумма положительных температур не превышает 40°С.

Вторая глава посвящена оценке ресурсов стока и его составляв щих по карта.1.! этих элементов для трех исследуемых горных стран -гор запада Северной Америки, Большого Кавказа, Памиро-Алая, г также изучении взаимосвязи полей талого стока этих регионов с полями определяющих его Факторов картографически:.'.;: метода':?..

Составленные по единой методике и в близких масштабах, гидрологические кчртг указанных регионов дают хорош;:." дл-аналпза закономерностей пространственного из?.'ен--:С. талого стока и его геоуг-" ¿ля горш-'х стран, различающих;.: г; гг-ротног."

-~п.г.-У::.:: поитлнентальноста. Расчет стока

ггтэдилс" я я?.*'триоованием карт обгего " ^т''"".

Нижняя и верхняя границы формирования талого стока были выделены на основе анализа кривых связи стока с высотой. Нижняя граница зависит от высоты образования устойчивого снежного покрова и колеблется почти от уровня моря на морском склоне гор южной Аляски до 3500-4000 м на Восточном Памире. Положение верхней границы формирования стока зависит от высоты горной системы, степени развития оледенения и наличия тепловых ресурсов в период абляции и колеблется от 1500 м на Аляскинском хребте до 5000 м на Восточном Памире.

Судя по рассчитанным объемам общего и талого стока (в шш.м3 для исследуемых горных стран, доля талого снегового и ледниковог стока в общем увеличивается с усилением континентальности. Подобная закономерность существует и на равнинах. Таким образом, относительно невелик вклад талых вод в сток рек Кавказа и Берегового хребта (36 и 39$). Основную часть стока составляют талые воды в крайне континентальных районах Аляски - на хребте Брук- 1 са и в горах Де Лонга - В2%. Для Памиро-Алая талые воды составляют &&% стока.

Расчет ресурсов вод по высотньш интервалам (500 и 1000 м) был проведен для 14 районов - ыакросклонов хребтов и межгорных плато исследуемых горных стран в принятых рамках карт. Природные условия рассматриваемых регионов, в первую очередь условия увлажненности, весьма различны, существенно отличаются и площади высотных интервалов, поэтому абсолютные величины ресурсов стока различаются в некоторых случаях на несколько порядков и могут быть использованы в основном для сравнения условий формирования зон экстремальна значений стока внутри горной страны или макросклона горной системы.

Сравнительный анализ распределения ресурсов общего и талого стока по высоте мевду районами трех горных стран выявил следующие закономерности (рис.2):

- общий и талый сток (в мм слоя) возрастают с увеличением высоты, но поскольку площади интервалов, как правило, с высотой уменьшаются, распределение ресурсов этих элементов имеет иной характер;

- направленность изменения ресурсов общего и талого стона совпадает, максимальные их значения приурочены к интервалам от 500-1000 до 3500-4000 м;

- с увеличением степени континентальности диапазон максимальных ресурсов талых вод повышается, во всех случаях вклад талого стока с высотой возрастает;

- самый большой талый сток наблюдается на юго-восточной Аляске в интервале 500-1000 м и на южном склоне Большого Кавказа на высотах более 4000 м.

К следующей задаче второй главы относится пространственный анализ карт талого стока во взаимосвязи с картами определяющих его факторов для целей изучения их вклада, оценки точности и взаимс увязанности карт, что очень важно для Атласа снежно-ледовых ресурсов мира.

Оценка горизонтальных связей между картами разных тематических разделов одного масштаба для трех исследуемых горных стран проводилась с помощью приемов информационного анализа. За показатель связи принимался коэффициент взаимного соответствия (КВС), который рассчитывался при определении соответствия контуров изолиний талого стока и попарно максимальных снегоза-

кавказ

1 Сеьернын силон Южны« силон

13 , Ш« г -» 1 - _« 2

МлЛЬАЛУлоъ ИАГОРЛ

о ю

[несли-ШЙ

у /

V \\ VI уг <

уд/

0 ' го ь&ю ока' Ыт'н

Пиыиро - А л А й

залл^цш и ЦШРШНЬЫ Шмнр

ЛОСИННЫЙ ПАМИР

та км гад к

¡а ш мл я Б[Р1Говон 1 н 1 1 1 Заладиьш сши Юсгочный САЛСн

"¡А» ' <&о' «Ьи го^оя" *

' «ы ' пи ' :4в' а

ТЭРЫ АЛЛЦМОЧАЩИ

спалистыь горы горы с!ааира,п1рселл западный салон

ьастачч»« с«лм ЕЛ

А л Я С А А

гс?ыЧ«м,1Ркнст,с«.им»1

»Г1 .

л | мсго шхо л ЬСО "¿с"1^

«мгх *

•1 %и I

пасов, твердых осадков, некоторых характеристик режима ледников и расчете энтропии контуров совмещенного изображения, а также энтропии контуров в случае их независимости (методика описана в работе Н.М.Зверковой, 1983). Чем больше площадь пересечения двух характеристик в кадцой градации шкалы, чем больше КВС, тем теснее связь между полями этих характеристик . Наиболее тесная связь полей стока (общего и талого) для гор запада Канады и США, Памиро-Алая, Кавказа, и Аляски наблюдается с полями максимальных снегозапасов, КВС соответственно 23, 19, 15, 12%, а с полями твердых осадков КВС соответственно равен II, 19, 14, 14$. Теснота связи полей талого стока с такими характеристиками оледенения, как аккумуляция и высота границы питания, незначительна, но КВС больше для районов компактного оледенения, там, где доля жидких осадков относительно мала: северная часть Берегового хребта характеризуется КВС талого стока и аккумуляции на границе питания равным 16$, а его южная часть - лишь 2%, Памиро-Алай - 13$, а Кавказ - 2%. Поскольку энтропийный показатель довольно подвижен (при сгущении шкалы сечений изолиний КВС возрастает), о взаимосвязях полей различных элементов возможно судить лишь относительно друг друга.

Другим картографическим методом, возмоляющим определить тесноту связи от места к месту внутри региона, служит метод построения корреляционных карт (Берлянт, 1986). Карты изокоррелят между талым стоком и попарно максимальными снегозапасами, твердыми осадками, построенные для гор запада Канады и США и Больного Кавказа, отражают природные закономерности распределения тесноты связи этих элементов: максимальные коэффициенты корреляции К ^ отмечаются в районах высокогорья и на склонах, защищен-

ных от частого вторжения воздушных масс с океана, £ меш

а. у

ше на плато, океанических склонах, однако нельзя исключать и гипотезу о том, что ху велики на верхних участках склонов за счет использования гляциологических данных при картогра фировании этих участков всех грех элементов. Корреляционный анализ позволил выявить районы ошибок картографирования (в час ности, он указал на неучет рельефа на карте твердых осадков в районе гор Селкирк, Перселл) и провести их доработку.

Целью третьей главы была оценка межгодовой изменчивости и цикличности колебаний талого стока совместно с анализом колебаний процесса снегонакопления и выпадения твердых осадков тре; исследуемых горных стран. Для сокращения объема расчетов была разработана упрощенная методика определения рядов среднегодовые величин талого стока по графикам связи объемов общего и талого стока, построенным для каждого речного бассейна по 4-5 точкам -характерным годам водности. Корреляционные отношения полученных кривых оказались довольно высоки: для Кордильер - от 0,6 до 0,99, Большого Кавказа - 0,59-0,97, Памиро-Алая -0,84-0,99.

Проверка параметров изменчивости полученных по графикам рядов талого стока проводилась при сравнении их с этими же параметрами рядов, определенных по расчленению гидрографа всего ряда некоторых произвольно взятых рек Кордильер и Памиро-Алая. Расхождения в коэффициентах вариации составили 9$ для первого и 18% для второго региона.

Оценка изменчивости полей общего и талого стока делалась с помощью найденкх зависимостей С-^н* колебаний с кормами общего

и талого стона ( ^ = 0,8-0,9), параметрами бассейнов (географическая шрота, площадь). Региональные зависимости

общего или талого стока, послужили основой для составления серии карг коэффициента вариации общего и талого стока на три исследуемые горные страны. Дополнительнйми точками при построении карт явились значения C-v- абляции ледников, на которых ведутся длительные наблюдения за балансом массы. На изменчивость абляции ледников оказывает особенное влияние степень вариации температурного режима: большие С -v абляции характерны для подветренных склонов Скалистых гор (континентальный тип климата) и гор Памиро-Алая.

Различие полей изменчивости талого стока, отраженных на картах, иллюстрируется зависимостями С v- талого стока и C-v определяющих его факторов - максимальных снегорадасов, твердых осадков. В результате тщательного отбора локализованных по принципу территориального единства гидростворов, снего- и метеостанций стало возможным получение точек зависимостей Cv талого стока от С v- твердых осадков а С v максимальных снегозапа-сов для Кордильер Северной Америки, Различия в углах наклона кривых к оси абсцисс (ось C-v талого croie) указывают на неодинаковость реакции изменчивости талого стока на изменение С^-твердых осадков: она значительна при небольших сдвигах в стабильности хода годовых твердых осадков при мороком климате (Береговой хребет) и менее интенсивна в континентальных условиях (Скалистые горы), что свидетельствует о более значительной роли

режима температур, радиационного баланса в процессе формирован и динамики талого стока в морском климате. Эта же тенденция закономерно прослеживается и в зависимости С-у. тал. стока = ^ (С -г макс, снегозапасов). Найденные зависимости могут служить для расчета указанных характеристик в областях, не осв> щеннык данными по динамике стока, снегонакопления и твердых осадков.

Одной из задач изучения изменчивости стока является анализ чередования циклов разной водности рек. Выделение зон синфазного стока позволяет в дальнейшем свести анализ колебаний множе ства рек к рассмотрению типичных: рек - районообразователей (Кузин, 1970). С помощью определения по интегрально-разностным кривым (нормированных по ) фаз различной тенденции по основным переломным точкам выявлены районы с однородными, синфазными колебаниями водносш. В результате построены карты районирования по синфазности талого стока с диаграммами фаз водности рек и некоррелируемыми между собой колебаниями талого стока для трех горных стран. Размеры, положение и число районов синфазного стока определяются орографическими особенностями регионов,регионов, положением хребтов по отношению к влагонесу-щим потокам, наличием барьеров на их пути.

На территорию североамериканских Кордильер кроме карты синфазности стока была построена карта районов одинаковой снеж-ности посредством анализа интегрально-разностных кривых колебаний снегозапасов (длина рядов - 28 лет, с 1951 г.). Карта районов синфазности снегонакопления в целом сходна с картой районирования по фазам водности, однако в сложном по рельефу районе южно" части Берегового хребта и Скалистых гор картина районов

снежности более дробна. Это обусловливается разницей в ритмике самих процессов образования талого стока и снегозапасов: первый внотупает как интегральная характеристика процессов аккумуляции твердых осадков, таяния снега и льда во всем бассейне, второй - это колебания толщины снежного покрова в точке (на площадке), более чувствительные к наклону, экспозиции, форме поверхности, а поэтому в сложных орографических условиях и при достаточно большом количестве осадков цикличность снегонакопления может иметь более сложную картину, чем цикличность талого стока.

Для исследования структуры циклических колебаний талого стока применен спектральный анализ, в математическую основу которого заложено преобразование Фурье корреляционной функции сложного случайного процесса (Бендатт, Пирсол, 1972), каким считаются годовые колебания стока. Целью расчетов было получение и анализ графиков спектров мощности талого снегового и ледникового стока для разных по степени континенгальности климата горных стран - Североамериканских Кордильер, и Памиро-Алая. Спектры мощности колебания талого стока были рассчитаны для рек, у которых были проанализированы закономерности чередования фаз водности, чтобы оценить, насколько сходна или различна спектральная структура колебаний водности стока рек, имеющих синфазные изменения водности. Как выяснилось, в пределах группы рек с одинаковыми фазами водности, длины периодов первых гармоник спектра не обязательно совпадают, что было показано, например, в работе В.Н.Бусарова (1976), изучавшим циклическую структуру общего стока рек Аппалачей и гор Сьерра IIзгада. Особенно выделяются периода первых гармоник спектра коле-

- я >•

что объясняется неодигаковоЯ реакцией различных чаете" этих крупных бассейнов на синоптическую ситуацию в регионе. Одинаковые спектры мощности служат более строгим критерием, чем одинаковые фазы водности при гидрологическом районировании.

Для понимания пространственной картины формирования цикли1 ности талого стока горных стран была сделана попытка локализации циклов с одинаковой продолжительностью - в результате выявлены однородные гидросиноптические районы, построенные по первым проявившимся на спектрограммах гармоникам, соответствз щих самому короткому временному циклу колебаний талого стока.

Судя по анализу карт гидросиноптических районов, для обет горных стран характерна низкочастотная структура колебаний сто рек, находящихся в зоне влияния крупного и компактного оледе-ния регулятора многолетних циклических колебаний талого стока. Для северной части Берегового хребта периоды первых гармоник составляют 8-10 лет, в районе ледникового поля Джуно - 10-12 лет, для южной части, где оледенение менее компактно, их велич на не превышает 6-8 лет. На Дамиро-Алае низкочастотная структура рек (периоды в 6-7 лег) характерна для рек, вытекающих из узла оледенения центральной части Памира. Для крупных рек, прибрежных бассейнов, рек высоких плато отмечается цикличность более высокой частоты - 4-6 лет (Алайская долина), 2-3 года -Внутренние плато Канады. Для сравнения цикличности талого стока и колебаний связанных с ним факторов - снегонакопления и динамики твердых осадков - результаты спектрального анализа рядов максимальных снегозапасов, твердых осадков и талого стока сгруппированы по принципу единства территории на район гор -запада Канады и СП'А. Оказалось, что периоды циклов снегоза

пасов одинаковы (3-4 года) независимо от местоположения. Наличие же общих тенденций в изменении величин первых гармоник твердых осадков и талого стока свидетельствуют о генетической связи этих процессов и их динамики.

В четвертой главе представлен подход к оценке реакции водных ресурсов гор (талого стока) на изменения климата, вызванного возможным влиянием роста парниковых газов в атмосфере на примере гор запада Северной Америки.

Как известно, в Северном полушарии с 60-х годов отмечается потепление климата, интенсивность которого в последнее время возросла. Средняя глобальная температура воздуха Северного полушария в 80-е годы увеличилась на 0,2-0,3°С по сравнению с предыдущими десятилетиями и на 0,5-0,6°С - по сравнению с концом XIX в. На севере Аляски по данным Л.Майо и Д.Трабанта (1984) с 60-х годов отмечается сначала медленное, а с 1976 г. значительное увеличение среднегодовой температуры воздуха (в 80-е годы - на 3-4°С больше, чем за период 1951-1975 гг.). В юго-восточной Аляске, а также в континентальных районах Сибири потепление оказалось наиболее значительным, главным образом за счет более теплых зим (Будыко, Гройсман, 1988). На юге исследуемый регион достигает 45-й параллели - это район Каскадных гор. Расчеты, сделанные при использовании экстремальных значений суточной температуры воздуха, и соотнесение ее с типами погоды, для нескольких станций в Каскадных горах позволяют сделать вывод, что и в этих широтах материка наблюдается потепление. Поэтому задачей данного исследования было принято составление карт талого стока с учетом этого климатического сдвига. К тому

же, карта стока, сделанные для Атласа снежно-ледовых ресурсов мира - это результат обобщения фактических данных в основном за период до 1976 г.

Задача получения полей талого стока с учетом продолжающей потепления климата (Будкко, 1989) включает в себя два этапа: выбор сценария изменения климатических параметров на территор! гор запада Канады и США на определенный временной период; расчет талого стока с вводом прогнозных параметров климата и nocí роение карты талого стока на этот временнйо отрезок с помощью зависимостей талого стока от факторов климата, распределенных по высоте.

I. Исходя из прогноза антропогенного изменения глобального климата на конец XX- начало XXI в. рост среднегодовой температуры воздуха составит для данных широт 0,53° С (Будыко, 1980), что совпадает с величиной максимального за последние 100 лет естественного потепления, наблюдавшегося в 30-х годах. Для пер хода от глобального прогноза к региональному (на территорию гор запада Канады и CEA) использовался подход, разрабатываемый советскими исследователями (Винников, 1986, Винников, Ковынёва 1983 и др.), суть которого заключается в изучении связи между изменениями всей климатической системы, характеризующейся темп ратурой воздуха и региональными переменчив Карты распределени температуры воздуха для зимы и лета, построении на основе тако. подхода, обобщающие различные методы (опубликованы в монографии "Антропогенные изменения климата", Л., 1983), били внбра в качестве сценария изменения температуры дл^ расчета талого стока на эту дату.

Согласно этому сценарии, средняя летняя температура воздуха повысится в регионе южной и юго-восточной Аляски на 1,9°С, северной части Берегового хребта - на 1,8°С( шной части Берегового хребта - на 1,7°С, Скалистых гор - на 1,6°С. Ожидаемое увеличение атмосферных осадков в регионе определено по карте оценки зависимости изменения средней годовой суммы осадков от изменения среднегодовой приземной температуры воздуха. Рост осадков составит для всего региона 17$ современной среднемного-летней суммы.

2. Исходными материалами для расчета прогнозных величин талого стока послужили региональные высотные зависимости средней летней температуры воздуха (Тл), суш твердых осадков (Хтв) и талого ледникового и снегового стока ( К тал), полученные при составлении карт этих элементов на территорию запада Северной Америки для Атласа снежно-ледовых ресурсов мира. Средняя летняя температура воздуха служит хорошим критерием тепловых ресурсов, необходимых для процесса таяния, а суша твердах осадков - наиболее существенный фактор, определяющий количественно талый сток.

Вся исследуемая территория разбита на восемь регионов, охватывающих различные по увлажненности макросклоны крупных хребтов или целиком цепь гор, если контраст между склонами был не велик. Для каждого района построены однозначные зависимости, Тл = ^ (Ш. Хтв = ^ СН>, К тал = ^ (Н), причем эти связи с высотой определялись независимо друг от друга, затем для одних и тех же 200-метровых интервалов строились двойные зависимости стока от Тл, Хтв, и находились соответствующие уравнения множественной регрессии. Поиск связи вели отдельно

для ледниковой и нелелниковой поверхностей выбранных районов ввиду достаточно большом площади занятой оледенением для первь четырех районов. При вводе прогнозных параметров приняты следз щие допущения: при изменении среднеглобальной температуры воздуха, сдвиг Тл произойдет на одну и ту же величину по всему высотному диапазону, то же касается и изменения суш твердых осадков.

Исходя из эмпирических и прогнозных кривые тал. = ^ (К данных в работе видно, что талкй сток для неледниковых частей закономерно возрастает на восточных подветренных склонах Берег вого хребта и в Скалистых горах: здесь, в континентальных условиях увеличение температуры достаточно для усиления таяния более мощного снежного покрова. В районах наветренных склонов юкной Аляски - по всему высотному диапазону, а Берегового хребта - до 120С м, прогноз показал возмокное уменьшение талог стока, а это означает, что в случае сохранения прежних взаимосвязей меэду тальм стоком и температурой лета и твердыми осадк т, в будущем (яри принятом сценары:) талы« сток должен уменьшиться. Эту тенденцию мокно объяснить следующим образом: клика1 этих районов характеризуется большим количеством дней с облачной погодой, а осадки, максимум которых приходится па весенне-зпмнеЙ период, вгаадагат в течение всего года; очевидно, что предполагаемая прибавка твердых осадков обеспечивается увеличению.! числом облачшгх дней; в соответствии с этим уменьшится таяние снега и льда, поскольку ведущая роль в этом процессе как для лолчрнчх, так и для умеренна п;;рот принадлежит радиационному балансу , доля которого понизится в общем теплопри-•"•до (Вэлопшз, 1966); принятое -:с по сценарию увеличение сред

нелетней температуры воздуха в этих районах недостаточно для резкого усиления таяния летом, В качестве проверки этого результата были рассчитаны величины талого стока 5 рек шной Аляски за период 1972-1988 гг., т.е. за период наблюдаемого климатического сдвига в районе шной Аляски по фактическим данным. Для всех пяти рек объемы талого стока уменьшились, а объемы общего возрос-' ли у четырех из пяти рек. Значения талого стока, выраженные в слое, хорошо легли на прогнозную кривую R тал = j- (Н) для южной Аляски.

Для ледниковых поверхностей таяние в основном увеличится, а его максимум сместится на нижние высотные уровни вследствие некоторого наступания ледника под воздействием потепления климата (Майо, Трабант, 1984). IIa больших внсотах талый сток с ледников также несколько уменьшится.

Полученные зависимости позволяют построить карты прогноза талого стока на конец XX - начало XXI в. На этих картах, так же как и на картах современного состояния, показаны зоны резкого сокращения стока, При сравнении карт прогноза с современными, можно сделать следующие заключения:

- талый сток (в абсолютном выражении) с гор запада Канады и США в целом увеличится, но в разной мере; наибольший прирост его ожидается на наветренных склонах хребтов;

- зоны резкого сокращения стока немного расширятся из-за наступания ледников (по-видимому, эта тенденция, будет характерна для оледенения вксоккх пшрот - в шной и юго-восточной Аляске), и вследствие этогч), зокк максимального стока - области языков .ленников _ с?-*РС'ЯТС-Я vs. ^олвнизкие "^гювни;

- увеличение ледникового стока может достигнуть 4500 мм

в год в областях абляции ледников Беринга и Маласпина, стекаю щих в океан, 3500 мм в районе ледникового поля Джуно;

- в среднем значения талого стока в зонах его максимума возрастут на 1000-1500 мм в год.

Построенные карты позволили рассчитать ресурсы талого сто' ка на конец XX - начало XII в. методом порайонного планиметру вания карт. В работе помещены данные об прогнозных значениях объемов талого стока в порядке увеличения их прибавки, этот п< рядок соответствует росту общей континентальности климата выд( ных районов. Таким образом, наибольшие объемы талых вод будут приурочены к Скалистым горам, где в средние летние температур! достаточно велики, в Береговом хребте таяние будет меньшим.

Заключение.

Важными итогами работы можно назвать решение пяти груш задач. Первую составляет обобщение различных видов информации - гидрологической, климатологической, гляциологической, а также методов расчета стока и его компонент с помощью этой информации для целей картографирования стока на горную территори с компактным оледенением. К второй группе можно отнести анали взаимосвязи карт талого стока с картами определяющих сток факт ров - максимальных снегозапасов, твердых осадков и др. с помощью картографических методов. К третьей группе относится расчет ресурсов общего и талого стока по высотным интервалам для 3-х горных стран и их сравнительный анализ. К четвертой груше относится изучение закономерностей распределения измен чпвости талого стока с помощью составленные гарт вариации, злй'азности и цикличности его колебаний для горных стран,

отличных по условиям климата и оледенения. Получены номограммы расчета коэффициентов вариации талого стока по изменчивости снегозапасов и твердых осадков для района гор запада Канады и США. Изучена циклическая структура колебаний талого стока и выявлена роль оледенения в процессе циклических колебаний этого элемента. Пятую группу задач составляет разработка подхода к пространственному прогнозу ресурсов талых вод гор запада Канады и США в условиях изменения глобального климата. Использование эмпирико-статистических связей талой компоненты стока с основными показателями изменения климата и сценариев потепления климата, позволило составить карты распределения талого стока на период начала XXI века и рассчитать ресурсы талнх вод для крупных районов исследуемой территории.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Ресурсы речного и талого стока горных районов Северной Америки. - Материалы гляциологических исследований. М., 1987, вып.60, с.91-98

2. Картографические методы исследования талого снегового и ледникового стока горных стран. - МШ, М., 1989, вып.67, с.49-56 (совместно с Н.Н.Дрейер)

3. Комплексная оценка снежно-гидрологических характеристик в горных районах Северной Америки. - МШ, М., 1984, вып.51,

с.121-126 (совместно с Т.Э.Ивановской)

4. Карта речного стока гор запада Канады и США. - ГОТ, 1983, вып.46, с.105-110 (совместно с Н.Н.Дрейер)

5. Талый снеговой и ледниковый сток гор запада Канады и США.. - МШ, 1984, вып.50, с.56-63 (совместно с Н.Н.Дрейер)