Уровенный режим озер северо-восточной Африки как интегральный показатель изменения климата

Гетахун Брук Абат

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Уровенный режим озер северо-восточной Африки как интегральный показатель изменения климата
ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Уровенный режим озер северо-восточной Африки как интегральный показатель изменения климата"

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию ГОУВПО

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ (РГГМУ)

На правах рукописи УДК [556.555.2:551.583(282.263.5)]

Гетахун Брук Абат

Уровенный режим озер северо-восточной Африки как интегральный показатель изменения климата

Специальность 25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург 2008

003460370

Диссертация выполнена на кафедре гидрологии суши Российского государственного гидрометеорологического университета.

Научный руководитель:

-доктор географических наук, профессор,

Догановский Аркадий Михайлович -доктор географических наук, профессор

Мякишева Наталия Вячеславовна

Официальные оппоненты: -доктор географических наук

Бабкин Алексей Владимирович -кандидат технических наук

Трушевский Виктор Леонидович

Ведущая организация:

Институт озероведения РАН

Защита диссертации состоится «25 » 12 2008 г. В 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.197.02 в Российском государственном гидрометеорологическом университете по адресу: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98, тел. (812) 444-41-63.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета по адресу: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98.

Автореферат разослан « 25» 11 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат географических наук В.Н. Воробьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Климат не остается постоянным с течением времени, а испытывает изменения. Изменяются основные его элементы: температура воздуха, атмосферные осадки, ветер, влажность и т.д. Различают геологические, исторические и современные изменения климата. Современные изменения климата - один из важнейших факторов социально-экономического развития стран мира. Поэтому изучение изменений климата, а также исследование возможности их предсказания - задача исключительно важная. От изменений климата зависит не только состояние водных ресурсов планеты, но и закономерности их изменений в ближайшем будущем. Все сказанное особенно важно для стран северо-восточной Африки, где наблюдается дефицит воды.

Озера - водные объекты с замедленным водообменном. Уровень воды в них не только фиксирует водные ресурсы, но и является интегральным показателем увлажненности территорий а, следовательно, и интегральным показателем изменений климата. Замедленный водообмен в озерах во многом определяет структуру рядов уровней воды, формируя в первую очередь высокую инерционность колебаний, которая проявляется в наличии трендов - низкочастотных составляющих. Поэтому достаточно длинные ряды наблюдений над уровнями воды в озерах позволяют более надежно, чем ряды атмосферных осадков, температуры воздуха и речного стока выявить тренды и оценить тенденции изменений климата. Поскольку уровенный режим озер формируется не только под воздействием активных (климатических), но и адаптивных (подстилающая поверхность) факторов, актуальным является и изучение морфометрических особенностей озер и их бассейнов.

Цели и задачи работы

Основная цель работы состоит в изучении уровенного режима разнотипных озер северо-восточной Африки на основе уравнения водного баланса и установлении связи между изменениями климата и колебаниями уровня воды в озерах.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. исследовать формы озерных котловин, влияющих на уровенный режим;

2. определить составляющие водного баланса озер и провести их увязку;

3. выявить особенности распределения разнотипных озер по территории;

4. рассчитать ряды уровенных колебаний озер на основе уравнения водного баланса и сопоставить их с натурными данными;

5. выявить характер многолетних колебаний уровня воды в озерах разных типов водообмена;

6. оценить тенденции в изменениях уровня озер;

7. установить закономерности изменений климата на рассматриваемой территории;

8. разработать способ восстановления ряда годовых значений уровня озера Тана;

9. определить связь уровней озер с изменениями климата;

10. оценить возможность экстраполяции уровня озера Тана на ближайшее будущее.

Исходные данные. Для решения поставленных задачи использовались следующие данные:

• наблюдения за уровнем воды, речным стоком на впадающих и вытекающих

реках для четырех озер: Тана, Аваса, Зивай, и Абайа;

• наблюдения за температурой воздуха, атмосферными осадками, скоростью

ветра, влажностью и солнечным сиянием для бассейнов перечисленных озер;

• наблюдения за расходами р. Нил у Асуана и у Донгола, р. Голубой Нил у

Хартума и р. Белый Нил у Малакаль и Дангала;

• данные батиметрических съемок для шести озер: Тана, Шала, Аваса, Лангано,

Абийата, и Зивай.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались следующие методы:

1. метод аналогии;

2. метод водного баланса;

3. метод корреляционно- спектрального анализа;

4. метод регрессии и авторегрессии проинтегрированного скользящего среднего (АРПСС).

На защиту выносятся:

1. особенности строения озерных котловин северо-восточной Африки;

2. закономерности формирования водного баланса и уровенного режима озер;

3. закономерности распределения озер разных типов водообмена по территории;

4. характер многолетних колебаний и тенденций в изменениях уровня озер в естественных и нарушенных условиях;

5. закономерности изменений климата на территории северо-восточной Афри-

ки;

6. особенности взаимосвязи между колебаниями уровня озер и изменениями климата;

7. возможность восстановления и экстраполяции уровня озера Тана с учетом

изменений климата.

Научная новизна работы

Научная новизна работы заключается в следующем: 1. впервые проведена оценка форма котловин озер северо-восточной Африки

на основе расчетных параметров;

2. впервые оценены условия формирования уровенного режима озер разных типов водообмена на основе уравнения водного баланса;

3. впервые выявлены и оценены полициклические колебания и тенденции в изменениях уровня озер в естественных и нарушенных условиях;

4. впервые выполнено районирование и картирование рассматриваемой территории по характеру распределение разнотипных озер;

5. впервые установлены закономерности изменений климата северо-восточной Африки на основе анализа индексов увлажненности;

6. впервые разработан способ восстановления продолжительного ряда годовых уровней озера Тана по ряду расходов реки Нил;

7. впервые установлена связь между колебаниями уровня озер и изменениями климата;

8. впервые на основе вероятностных моделей выполнена экстраполяция уровня озера Тана на ближайшее будущее.

Достоверность результатов работы обоснована:

1. использованием большого объема данных Национального Метеорологического Агентства и Министерства Водных Ресурсов Эфиопии, а также базы данных ЮНЕСКО;

2. применением метода водного баланса;

3. использованием современных статистических методов анализа, обобщения и экстраполяции временных рядов.

Практическое значимость работы

Результаты работы могут быть внедрены в оперативную службу водных ресурсов стран северо-восточной Африки. Результаты работы также могут быть использованы в учебном процессе при преподавании таких дисциплин как гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия, а также дисциплины рациональное использование и охрана водных объектов. Результаты работы могут быть полезны и при выполнении научных проектов в области гидрометеорологических и экологических исследований. Апробация результатов

Наиболее значимые результаты диссертации докладывались на двенадцатой Мировой Озерной Конференции (The 12th World Lake Conference: Taal 2007, Oct.28 - Nov. 2 , Jaipur, India), итоговых сессиях Ученного совета РГГМУ (2007, 2008 гг.), а также на кафедре гидрологии суши РГГМУ (2008г). По теме диссертации опубликованы 4 работы, две из них на английском языке, две в журнале ВАК.

Личный вклад автора: сбор данных, проведение расчетов, интерпретация полученных результатов применительно к решению поставленных задач. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложений и списка использованных источников, включающего 70 наименования. Общий объем работы составляет 148 страниц, включая 71 рисунок и 15 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации; сформулированы цели и задачи исследования, приведены основные положения и результаты, выносимые на защиту, а также отражена новизна и практическая значимость работы.

В первой главе «Физико-географическое описание» приведены общие сведения о местоположении Эфиопии и соседних стран северо-восточной Африки, описан климат и подстилающая поверхность. Также даны общие сведения об озерах рассматриваемой территории, их происхождении, распределении, состоянии изученности и хозяйственном использовании. Так, территория Эфиопии в целом относится к зоне с тропическим климатом. Однако сложный рельеф местности с высотами от 116м ниже уровня моря до 4620м выше уровня моря, а также различная экспозиция склонов гор приводят к большому разнообразию климатических условий.

Климат территории формируется главным образом под влиянием движения внетропической зоны конвергенции (ВЗК). Перенос влагонесущих воздушных масс и сложный рельеф приводят к большому разбросу величин атмосферных осадков и разнообразию их режима. Наиболее увлажненным является район с осадками более 2000мм в год, наименее увлажненным - район с осадками около 100мм в год. Средняя температура воздуха изменяется от 12°С до 25°С.

На территории Эфиопии сосредоточено большое количество разнотипных озер. Из них 13 озер достаточно хорошо изучены и имеют большое хозяйственное значение. Площадь этих озер изменяется от 20 до 3600 км2. Самое большое озеро страны- Тана, из него вытекает река Голубой Нил. Озеро расположено на высоте 1785м, его котловина имеет тектоническое происхождение, а объем заключенной в ней воды составляет 32,4 км3. Большинство перечисленных озер имеют котловины тектонического происхождения. Однако в Эфиопии есть озера с котловинами вулканического происхождения, например, озеро Шала с максимальной глубиной 266м.

Все перечисленные озера широко используются в хозяйственных целях и, прежде всего, для водоснабжения, рыбопродукции, ирригации, рекреации и как пути сообщения.

В второй главе «Озерный фонд территории» рассмотрены особенности формирования и закономерности строения озерных котловин Эфиопии. Формы котловин и их характеристики во многом определяют структуру водного баланса озер, влияя в первую очередь на испарение и сток. Так, для озер с широкими котловинами испарение с поверхности зеркала выше, чем для озер с узкими котловинами. Поскольку сток из озера зависит от его уровня, а уровень в свою

очередь во многом определяется формой озерных котловин, то косвенно характеристики котловин влияют на приращения уровня.

Для изучения особенностей формирования и установления закономерностей строения озерных котловин рассматриваются шесть озер: Тана, Зивай, Абиата, Шала, Лангано, и Аваса. Их батиметрические карты были выбраны из различенных источников. Длины изобат измерялись с помощью курвиметра, а площади между изобатами - с использованием планиметра. Также по картам изобат измерялись максимальные длина и ширина озер. Остальные морфометрические характеристики рассчитывались.

При изучении закономерностей строения озерных котловин принята гипотеза о том, что котловины одного и того же происхождения и примерно одинакового периода эволюции имеют приблизительно одинаковые относительные размеры. Эту гипотезу подтверждает график зависимости объема воды в озерах от их площадей w = f(F). График зависимости формы котловин от высоты местности Ф =f(Z) показал, что при увеличении Z в горных районах форма котловин приближается к конусу; а при уменьшении Z -стремится к плоскому цилиндру. Анализ графика зависимости коэффициента развития береговой линии от высоты местности m = f(Z), имеющий практически линейный характер, позволяет сделать вывод о том, что с увеличением Z увеличивается и т.

Проведенные исследования показали, что на территории северо-восточной Африки наблюдаются озера с разной формой котловин: близкой к параболической (Тана и Зивай), близкой к полушару (Абиата и Аваса) и близкой к плоскому цилиндру (Лангано и Шала).

В третей главе «Водный баланс разнотипных озер» рассмотрены закономерности формирования водного баланса и уровенного режима озер, а также приведены особенности их распределения по территории.

Изменение объема воды в озере за малый промежуток времени описывается уравнением

W(t + Дt)-W(t) = R(t)At + F(t)P(t)At - F(t)E(t)At - RJt)At, (1)

где R- речной приток, включая подземную составляющую (м3/с); Р- слой осадков, выпадающих на поверхность озера в единицу времени (мм); Ro- сток из озера (м3/с); Е - слой испарения с поверхности озера в единицу времени (мм); F- площадь зеркала озера (км2).

После алгебраических преобразований при At—>0 получим:

= (R(t) + F0 [P(t) - E(t)] - RJt)} / Ft (2)

Обозначив суммарное поступление воды в озеро через

R„=R(t) + FJP(t)-E(t)J (3)

и, приняв в качестве линейного приближения

RJt) = ah(t) + f,, (4)

уравнение (2) перепишем в виде

d2h(t) Л2

(6)

где п(1) - белый шум.

Система уравнений (5) и (6) эквивалентна дифференциальному уравнению второго порядка

где т](0 = п(1)/Р0.

Дискретное уравнение водного баланса для озер имеет следующий вид:

где R - суммарный приток с изученных^,) и неизученных частей (Rui) бассейна (мм); Р - атмосферные осадки на водную поверхность озера (мм); R0 - сток (мм); Е - испарение с водной поверхности озера (мм); АН - приращение уровня в озере (мм).

Приток с изученной части бассейна (R¡) - оценен с использованием данных наблюдений за расходами воды на впадающих реках. Определение притока с неизученной части бассейна (Ru¡) выполнено по данным о модуле стока изученных рек, с использованием метода аналогии. Этот метод основан на построение зависимости модуля стока(ц) от высоты местности над уровнем моря (Z), то есть q = f (Z). Как видно из рис. 1, существует большая разница между модулями стока на различных высотах. Расчеты показали, что значение Ru¡ для озера Тана равно 7.4 л/(с км2) (рис. 1а). Зависимость q = f(Z) для других озер несколько отличается от зависимости для озера Тана (рис. 16). Значения Rgi для Абайа, Ауаса, Зиуай равны соответственно 1.65 л/(скм2), 2.79 л/(с км2) и 1.25 л/(скм2).

(7)

R + Р - Ro - Е = ±ДН

(8)

1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800

Height (m)

Scatlerplot (Spreadsheet2 2v*7c) modul, 1/s km2= 0 0579*exp(0 002 Гх)

Height, m

Рис. 1 Зависимость q =f (Z): а) для озера Тана б) для других озер

Среднее количество осадков на водную поверхность озера (Р) - определено по данным метеорологических станций, расположенных в непосредственной близости к озеру, имеющих самый длинный период наблюдений. Например, для озера Тана - это станции Бахирдар, Кунзила, Горгора и Ворета. Считается, что данные, полученные на этих станциях, могут характеризовать количество осадков на водную поверхность озера. Расчетное среднее количество осадков на поверхность озера оценено с использованием метода Тиссена. Для этого построены треугольники и определены их центры тяжести:

p^P^+Pjl+Pifl+PJ*

F ' '

1 а

где Р - среднее количество осадков, pi 4- осадки на каждой станции, fK 4 - доля площади от общей, F0 - площадь водной поверхности озера.

Поверхностный сток из озера Тана (Ro) проходит по реке Абай (Глубой Нил). Эта река хорошо изучена. Поэтому, сток из озера рассчитан с высокой точностью. Для озера Зиуай сток определен по вытекающей реке Керерсту. Поверхностный сток из озер Ауаса и Абайа отсутствует. Однако для озера Аваса имеются данные о подземном стоке которые и использованы в уравнении его водного баланса.

Испарение с поверхности озер (Е)- один из важных компонентов водного баланса. Однако отсутствие продолжительных ежегодных наблюдений за испарением заставляет определять Е расчетными методами. Измеренные данные по испарению имеются лишь за три года, которые использовались как контрольные. Испарение было оценено по методу Пенмана.

Метод Пенмана основан на привлечении данных по температуре воздуха, скорости ветра, радиационному балансу, влажности. Расчетная формула имеет вид:

Е\^у)Е^гУ [ш,'сутки] (10)

4098е

где Д= ю ЛПа!° с) & у = 66.8 (ПаГ с),

(237.3 +Г)2

£, = 0.035Л„ ,= радиационный баланс(у\/1 м2), 0.102и .

£„ = —2 (е»<< ~еч> >и~ скорость ветера измеренная на высоте г2ч,

1П 7

' о

г0 завысить от поверхности = 0.01 -0.06 для поверхности воды).

Результаты расчета водного баланса для четырех озер приведены в таблице 1.

Таблица 1:

Средине многолетние составляющие водного баланса озер Эфиопии

Озера Приток (мм) Осадки (мм) Сток (мм) Испарение (мм) ДН (мм)

Тана 1340 1240 1070 1510 -3.28

Абайа 1080 730 - 1700 7.08

Зиуай 1530 750 570 1720 15

Ауаса 1440 950 570* 1440 53.4

* подземный сток

Абсолютная возможная ошибка расчета составляющих водного баланса равна:

I 2 2~, 2 2 а = у]а1 + о 2 +а3 +сг4 (11)

где: - ошибка определения притока с изученной части бассейна;

02 - ошибка определения притока с неизученной части бассейна;

03 - ошибка определения измерения стока из озера; а4 - ошибка измерения уровня.

Также рассчитывались относительные ошибки (5), которые были получены как отношение ошибки вычисления составляющая водного баланса к его приходной части. Согласно нормам, принятым в России, считается, что водный баланс оценен с достаточной точностью, если значение 8 меньше или равно значению о. Для рассмотренных озер все ошибки находятся в пределах точности расчета, поскольку для озера Тана 5 =3 %, а с = 10 %; для озера Ауаса 5=11 %, а о =11 %; для озера Зиуай 5 = 3 %, а о = 7 %, и для озера Абайа 8 = 5%, а о = 8%.

Распределение типов озер по территории можно установить, решая уравнение водного баланса в объемах, имеющий вид: + РР0 - ЕР0 - (¥„ = ДНРт при ДН = 0, где IV, - приток (км3) и \¥„- сток (км3). Составляющие в этом уравнении могут быть выражены в мм:

едсб

Р - Е

Г.

° =0,

(12)

где Рвдсб - площадь бассейна (км )

Р0 - площадь водной поверхности озера (км )

Для бессточного озера член \\УР0 в полученном уравнении должен быть равен

нулю. Поэтому, уравнение (12) примет вид:

/г

""" " (13)

Р - £ = 0.

Поскольку отношение 1:„дс0/Р„ характеризует критический удельный водосбор К, то уравнение (13) преобразуется следующем образом:

Ж + Р - Е = 0 . (14)

Решая уравнение (14) относительно К, получим:

„ Е-Р

к= К ■ <15)

Из уравнения (15) следует, что при К > (Е-Р)/К. - озеро является сточным, при К < (Е-Р)Я1 - озеро становится бессточным и при К = (Е-Р)/К - периодически сточным.

Величины Е, Р, Я - имеют зональное распределение, поэтому и параметр К является зональной величиной. Следовательно, можно построить карту изменений параметра К по территории (рис. 2). Изолинии на рисунке соединяют точки с равными значениями критического удельного водосбора К. Анализ карты показывает, что на территории Эфиопии встречаются все типы озер: сточные, бессточные и периодически сточные.

Рис. 2 Распределение параметра К по территории Эфиопии

Например, для озера Тана расчетное значение К равно 4.25, а значение, снятое с карты составляет около 1.5. Следовательно, озеро Тана можно считать сточным, что и наблюдается по расчетным данным. Все озера, расположенные на территории, ограниченной нулевой изолиний должны быть сточными. При продвижении на восток озера становятся бессточными.

В четвертой главе «Уровенный режим озер» рассмотрены закономерности формирования уровня озер, особенности его многолетних колебаний и тенденций.

Уровень озера представляет собой интегральную кривую, построенную по данным годовых приращений:

(16)

где Н - расчетный уровень, Нср - средний уровень озера, сШ - приращения уровня, п - число рассматриваемых лет. В качестве примера результаты расчетов уровня воды по уравнению водного баланса для озера Тана представлены на рис. 3. Также на рисунке приведены и измеренные значения уровня, которые хорошо согласуются с расчетными величинами.

__Годы__

Уровень по Балансу —®~-Измереный Уровень(мм)

Рис. 3 График колебаний годовых уровней озера Тана

На рис. 4 приведена оценка спектральной плотности 8*(ш), рассчитанная по ряду измеренных значений уровня воды озера Тана, продолжительность которого составляет всего 47 лет. Как видно В*(со) имеет вид красного шума, на фоне которого наиболее четко выражен всплеск энергии на частоте со = 0.06, соответствующей 11-летнему колебанию.

No. values 46 H. w:.0357 2411 .4464 .2411 .0357

Frequency

Рис. 4 Спектральный анализ годовых уровней озера Тана

Результаты низкочастотной фильтрации ряда измеренных уровней воды озера Тана (рис. 5) позволяют выделить периоды локальной нестационарности, проявляющиеся как тренды, которые можно рассматривать как ветви подъема или спада циклов более высокого порядка.

314800000 2996 33333

§ 2765.75000 ^ 2610.25000 g 2484.91667 н 2372.66667 2236.58333

1977.50000

1959 1967 1975 1983 1991 1999 1963 1971 1979 1987 1995 2003

Year

Рис. 5 Полициклические колебания уровня озера Тана

В пятой главе «Климат и озера» оцениваются изменения климата и рассматриваются закономерности взаимосвязи между изменениями климата и колебаниями уровня озер северо-восточной Африки, как интегрального показателя изменения климата.

Scatterplot (corrected levels 5v*47c) Тала Level = Lowess

Для характеристики изменения климата региона рассчитываются индексы увлажненности бассейнов озер Тана, Зивай, Аваса, Абайа. Индексы представляют собой отношение суммы осадков за год к средней годовой температуре воздуха у = P/t°. В качестве примера на рис 6а приведен график многолетних колебаний индекса увлажненности у бассейна озера Тана, а на рисунке 66 - зависимость высоты уровня озера Тана Н от индекса увлажненности у. Коэффициент корреляции г между Н и у достигает 0.70, что подтверждает тесную взаимосвязь между колебаниями уровня и изменениями

климата. Scatterplot (Theissen Method for pricipitation 13v-49c)

AverageHumidness= Lowess

Scatterplot (Theissen Method for pricipitation 13v*49c) Average Humidness = -13.9541*0 0395*x-2.8215E-6'x"2

2400 2600 2800 3000

Рис. 6 Коэффициент увлажненности у в бассейне озеро Тана а) колебания у 6) зависимость Н=Ду) (г=0.70)

Поскольку продолжительность рядов наблюдений над уровнями воды в озерах северо-восточной Африки незначительна (31-47 лет), возникает необходимость их восстановления. Для этого используется метод аналогии. В качестве аналогов выбраны реки Нил и Голубой Нил. В таблице 2 представлены коэффициенты корреляции между расходами воды, измеренными на разных постах бассейна Нила. При этом пост Донгола расположен недалеко от Асуана на Ниле, а Малакель и Монгола на Белом Ниле выше впадения Голубого Нила. Из таблицы следует, что высокие коэффициенты корреляции наблюдаются между расходами воды на одной реке и на близко расположенных постах, а низкие коэффициенты корреляции - между расходами на разных реках. На реке Нил имеется пост с длинным рядом наблюдений в Асуане (Египет) (с 1871 по 1981), а на реке Голубой Нил - у поста Хартум (с 1912 по 1997).

Таблица 2

Матрица коэффициентов корреляции между расходами воды на реках северо-восточной Африки

Асуан Донгола Гол.Н. Мал. Монгола Асуан(Нил) 1.00 0.93 0.86 0.54 0.49 Донгола(Нил) 0.93 1.00 0.94 0.49 0.40

Голубой Нил 0.86 0.94 1.00 0.32 0.28

Малакаль(Белый Нил) 0.54 0.49 0.32 1.00 0.88 Монгола (Белый Нил) 0.49 0.40 0.28 0.88 1.00

Предварительно до 1871 г. по расходам реки Нил у Асуана восстанавливался ряд расходов на р. Голубой Нил (рис 7), вытекающей из озера Тана, и хорошо отражающей режим его уровенных колебаний. Затем по ряду расходов на реке Голубой Нил восстанавливался ряд уровней воды в озере Тана. Учитывая, что в колебаниях расходов воды Голубого Нила, в отличие от колебаний уровня озера Тана, наблюдаются высокочастотные составляющие, они исключались путем скользящего сглаживания ряда (рис. 8). Восстановление уровня озера Тана по расходам р. Голубой Нил проводилось в период с 1959 по 1997 годы.

Из рисунка 8 следует, что до 1970 года ход расходов Голубого Нила и уровней озера Тана практически совпадают. Однако после строительства плотин Ро-сейрес и Эль-дием и забора воды на хозяйственные нужды водность Голубого Нила несколько снизилась.

—-Расходы Ас Расходы Гоп. Нгата

Рис 7: Колебания расходов воды Голубого Нила (восстановлены) и расходов

Асуана

'' Рас.одмГМ —*— ■-*"

Рис. 8 Колебания расходов воды Голубого Нила и уровня озера Тана с 1959 по

1997

Зависимость расходов Голубого Нила от уровня озера Тана представлена на рисунке 9(а). Учитывая влияния хозяйственной деятельности, зависимость неоднозначна, хотя коэффициент корреляции достигает 0.81. Анализ представленной зависимости показывает, что ее следует разделить на два периода (рис 9 б, в), теснота связи в которые возрастает.

Расходы Гол. Нила, мЗ/с

Scatterplot (Spreadsheet5 4v"11с) Уровень, = 1890 6712+0.5092"х

Расходы Г.Н._1

8са«егр1о1 (5ргеайзЬее13 4у*25с) Уровень, мм = 1708.5795+0.7002'х

Рис. 9 Зависимость расходов Голубого Нила от уровня озера Тана а - за период (1959-1997), б - за период 1959 - 1970, в - за период 1971 - 1997.

Сравнение водности Голубого Нила у Хартума и Белого Нила у Малакеля с расходами Нила у Асуана показало, что наибольшие расходы воды в Ниле наступают при высокой водности Голубого Нила. Согласно Арсено больше 86% годового объема стока поступает в реку Нил с территории Эфиопии по трем его крупнейшим притокам: Голубой Нил, Текезе (Атбара) и Баро (Собат). Поэтому и коэффициент корреляции между расходами воды Голубого Нила и Нила у Асуана равен 0.86 (рис 10). При этом ряды ограничены 1965 г., когда была начата строительство гидростанции Насер.

! ! I ! N I I I i M I I

I Aswan yearly.yearly=blue nile: r = 0.7429; r = 0.8619, p =■ 0.0000; у = 48.3175454 + 0.5S4884S39'x Расходы воды Нила у Асуана, мЗ/с

Рис. 10 Связь расходов Голубого Нила у Хартума и Нила у Асуана за период с 1912 по 1965 г

Используя полученные зависимости, восстанавливались уровни озера Тана с 1871 по 1959 г. Ряд восстановленных уровней представлен на рис 13. Анализ этого ряда показал наличие значительного отрицательного тренда. Общее снижение уровня воды в озере за этот период превысило 60 см. Такое систематические снижение уровня в первую очередь следует связать с изменением климатических условий, а в конце XX века и с возрастанием антропогенной нагрузки.

Рис. 11 Восстановленные многолетние колебания уровня и тренд озера Тана

Брес4(з1 ¿Г1<э1у51з: Тапа Level(mгr^) N0 сагег: 138 .¡па юе^^.ОЗЭ? .2411 .4464.2111 .0357

0.00 0.05 0 10 0.15 0.20 0.26 0.30 0.35 0.40 О 45 0 50 Частоты

Рис. 12 Оценка спектральной плотности уровни озера Тана Одним из показателей структурных особенностей рядов является наличие разночастотных квазипериодических колебаний. Их продолжительности оценивалась с помощью спектрального анализа (рис 14). При этом предварительно исключался отрицательный тренд. Оценка спектральной плотности 8*(<а), рассчитанная по восстановленному ряду значений уровня воды озера Тана, продолжительность которого достигает уже 137 лет, имеет вид красного шума, на фоне которого наиболее четко выражены всплески энергии на частотах ю = 0.025, 0.06, 0.1, соответствующих 40-42, 20-22, 11 - летним колебаниям. Следует отметить, что такая же полицикличность свойственна крупным озерам засушливых областей Евразии и Африки.

Для восстановления рядов осадков и температуры воздуха в период, предшествовавший периоду инструментальных наблюдений, использовалась зависимость между изменениями увлажненности бассейна озера Тана и колебаниями его уровня, полученная ранее для_периода с 1959_по 2005 годы.

Средние осади!

Сред. Темпера -

Рис 13 Многолетние восстановленные осадки и температуры озера Тана

Восстановленные ряды представлены на рисунке 15. Из рисунка видно, что ряды температуры воздуха и осадки находится в противофазе. Общие тенденции следующие: температура воздуха повышается, а количество осадков понижается. Поскольку рассмотренные параметры являются главными показателями климата, который оценивается с помощью индекса увлажненности у, расчеты показывают уменьшение у во времени от 81.1мм/°С (1871г.) до 62.8мм/°С (2005г.). Уменьшение увлажненности бассейна озера Тана приводит к снижению уровня озера.

В шестой главе « Возможности экстраполяции уровня» рассматриваются регрессионные модели и стохастической модели АРПСС и оценивается их применимость для экстраполяции временных рядов.

В основу использования регрессионной модели положена установленная ранее зависимость уровня от климатических изменений, которая показала, что наиболее тесная связь между Н и у наблюдается при сдвиге на 1-2 года. Этот сдвиг можно использовать как заблаговременность предсказания. Результат экстраполяции представлен на рис 14.

Рис 14 Экстраполяция при применении регрессионный метод

Большинство временных рядов у, содержат элементы, которые последовательно зависят друг от друга. Такую зависимость можно выразить следующим уравнением:

Уь = С + Рх-Уц-и + Рг-УСь-г) + /?з-Уо-з) + - + £

(17)

где е - константа (свободный член), Рь Рг, Рз - параметры авторегрессии.

В отличие от процесса авторегрессии, в процессе скользящего среднего каждый элемент ряда подвержен суммарному воздействию предыдущих ошибок. В общем виде это можно записать следующим образом:

yt = /< + ^ - - «2-^-2) - <ХЗ-£(!-2) -

(18)

где (.1 - константа, сц, а2, аз, - параметры скользящего среднего. На практике для получения экономичной параметризации иногда бывает

необходимо включать в модель как члены, описывающие авторегрессию, гак и члены, моделирующие скользящее среднее. Такая случайная последовательность может быть определена уравнением

¥> = Т + I,

г- О Л = О > (19)

Экстраполяция годовых уровней озера Тана по модели АРПСС выполнена двумя способами. Первый способ заключался в использовании модели АРПСС, учитывающей как эволюционную, так и циклическую нестационарность. Модель включала один сезонный параметр авторегрессии и один сезонный параметр скользящего среднего. Исходный ряд трансформировался трижды в ходе логарифмирования, взятия разности с шагом 1 (для устранения эволюционный нестационарности и взятия разности с шагом 12 (для устранения циклической нестационарности). Второй способ заключался в использовании модели АРСС, включающей один сезонный параметр авторегрессии и один сезонный параметр скользящего среднего. При этом исходный ряд годовых уровней озера Тана предварительно фильтровался для исключения эволюционной нестационнарно-сти. Оба способа показали, что экстраполяция может быть выполнена только на 1 - 2 шага вперед. Общий вид модели для стационарной последовательности уровня озера имеет вид:

^ = 0.61};-!+ 0.38^ + ^ (20)

Результаты экстраполяции представлены на рисунке 156. Согласно полученным результатам экстраполяция может быть выполнена лишь на один два шага вперед.

Forecasts Model.(0.1 .0X1.0.1)Seasons* lag. 1 2 Input VAR11 ; T4253H(x) Stan of origin: 1 End Of origin 137

- Observed - - . Forecast ± «0.0000*4.

Forecast«. Model.<0.1.05(1.0.1) Seasonal lag: 11 Input VAR 11 : T42S3H(x); D(-1 ) Stan of origin: 2 End of origin: 137

1891 1911 1031 10C1 1 071 1091

Рис. 15: Экстраполяции уровня озера Тана: а - с трендом, б - после исключения тренда

Основные выводы

Основные выводы диссертационной работы сводятся к следующим.

1. На территории северо-восточной Африки расположены озера с разными формами котловин: близкой к параболе (озера Тана и Зивай); близкой к полушару (озера Абиата и Аваса); близкой к плоскому цилиндру (озера Лангано и Шала). Анализ графиков зависимостей объема воды в озерах от их площадей ш = Г(Р) подтверждает гипотезу о том, что котловины одного и того же происхождения и примерно одинакового периода эволюции имеют приблизительно одинаковые относительные размеры. График зависимости формы котловин от высоты местности ф = Г(7) показал, что при увеличении Ъ форма котловин приближается к конусу, и при уменьшении 7, - стремится к плоскому цилиндру. Коэффициент развития береговой линии также зависит от высоты места, возрастая с ее увеличением.

2. На территории северо-восточной Африки распространены озера разных типов водообмена: бессточные, сточные и периодически сточные. В западной части Эфиопии расположены преимущественно сточные озера. При движении на восток увеличивается количество бессточных озер. Такое распределение связано в большей степени с возрастанием в указанном направлении аридности климата, чем с увеличением значений критических удельных водосборов.

3. При движении с запада на восток рассматриваемой территории меняется и структура водного баланса. Все большую роль в расходной части приобретает испарение. Поэтому особое значение для условий северовосточной Африки имеет расчет испарения. Для оценки испарения привлекались четыре известных метода. Показано, что наилучшие результаты дают методы Пенмана и Пристли-Тейлора. Для изучения структуры водного баланса построены серии гиперболических графиков, отражающих зависимость долей стока и испарения в расходной части баланса и долей притока и осадков в приходной части баланса от удельных водосборов и условий увлажненности. Это позволило контролировать проведенные водно-балансовые расчеты. Согласно нормам, принятым в России, водный баланс решен с достаточной точностью.

4. Годовые уровни озер рассчитывались по уравнению водного баланса через приращения и сравнивались с фактическими значениями. Анализ восстановленного ряда годовых высот уровня воды в озере Тана продолжительностью 137 лет показал наличие значительного отрицательного тренда. Общее снижение уровня в период с 1871 по 2005 гг. превысило 60 см. На фоне тренда в структуре ряда наблюдаются разночастотные квазипериодические колебания. Выборочный спектр имеет вид спектра красного шума с четко выраженными всплесками энергии на частотах ш = 0.025, 0.05, 0.9, соответствующих 40-42, 20-22, 11 - летним колебаниям. Аналогичная полицикличность характерна и для крупнейших озер засушливой зоны Евразия и Африки.

5. Для характеристики климата северо-восточной Африки оценивались индексы увлажненности бассейнов озер у. Показано, что в период с 1871 по 2005 гг. наблюдалось уменьшение увлажненности с 81.1 мм/0 С до 62.8 мм/0 С. Анализ восстановленных рядов годовых осадков и температуры воздуха позволил выявить тенденции на повышение температуры воздуха и уменьшение осадков. Таким образом, в последние 137 лет на территории северо-восточной Африки наблюдалось потепление климата.

6. Закономерности изменения индексов увлажненности бассейнов озер хорошо согласуются с характером изменений их уровня. Поэтому, уровни озер можно использовать как интегральный показатель изменений климата. Уменьшение увлажненности в бассейне озера Тана приводит к снижению его уровня, на которое накладывается и уменьшение, вызванное хозяйственной деятельностью.

7. Применение регрессионных моделей и моделей АРПСС показало, что экстраполяция уровня и, следовательно, увлажненности бассейнов возможна на 1 - 2 ближайших года.

Основные публикации

1. Догановский A.M., Гетахун Б.А. Водный баланс и уровенный режим озера Тана//География и смежные науки LX Герценовские чтения, 2007, -№ 60, -

2. Doganovsky A.M. and Getahun B.A., 2008. Water balance and level regime of Ethiopian lakes as integral indicators of climate change// Proceedings of Taal2007: The 12lh World Lake Conference: 1092-1102.

3. Гетахун Б. А. Многолетние колебания и экстраполяция данных об уровне озера Тана с учетом изменения климата// Вестн. С.-Петерб. у-та. Сер.7, вып. 2, 2009. С. (в печати, справка предлагается).

4. Getahun В.A. Estimation of long-term annual water levels of lake Tana for analysis of climate change/Леографическая наука и образование в России: история и современное состояние, сборник научных трудов, международный конференции, 3-4 декабря 2008г, СПб, 2009. (в печати, справка предлагается).

с. 31-42.

Соискатель

Гетахун Брук Абат

J1P № 020309 от 30.12.96.

Подписано в печать 17.11.08. Формат 60х907]6. Печать офсетная. Печ. л. 1,5. Тираж 100. Зак. № 38.

195196, СПб, Малоохтинский пр. 98. РГГМУ

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Гетахун Брук Абат

Введение

1 Физико-географическое описание

1.1 Географическое положение и рельеф региона

1.2 Климатические условия

1.2.1 Циркуляция атмосферы

1.2.2 Пути движения цикл оно в

1.2.3 Климат Африки

1.2.4 Многолетние и сезонные атмосферные осадки Эфиопии

1.2.5 Температурный режим

1.3 Гидрография

1.3.1 Общая характеристика водных объектов:

1.3.2 Геология и геоморфология

1.3.3 Почвы и растительность

1.3.4 Гидрометеорологическая изученность 2. Озерный фонд территории

2.1 Условия формирования озерных котловин

2.2 Сведения об опорных озерах

2.3 Закономерность строения котловин озер 3 Водный баланс разнотипных озер

3.1 Уравнение водного баланса

3.2 Сравнение расчетных методов испарения

3.3 Проверка точности расчета водного баланса

3.4 Внешний водообмен озер

3.5 Распределение озер по территории

3.6 Теоретическое обобщение уравнений водного баланса озер

4 Уровенный режим озер

4.1 Сравнение измеренного и рассчитанного уровней воды

4.2 Статистическая обработка ряда уровней

4.3 Элементы теории стационарных случайных процессов

4.4 Закономерности колебаний уровней озер

4.5 Кривые обеспеченности уровней воды

5 Климат и озера Ю

5.1 Восстановление уровней озер Зивай, Аваса и Абайа

5.2 Коэффициенты увлажнения бассейнов озер

5.3 Исследование длинных рядов

5.3.1 Баз рядов (Асуан, Голубой Нил, Белый Нил)

5.3.2 Исследование этих рядов (тренды, циклы)

5.4 Восстановление ряда уровня озера Тана

5.4.1 Зависимость уровня Тана от водности Голубого Нила

5.4.2 Зависимость расходов Голубого Нила от расходов Нила у Асуана

5.4.3 Уровни Тана в начале XXI века

5.4.4 Исследование восстановленных рядов уровней о. Тана

5.4.5 Восстановление осадков и температур

5.4.6 Зависимость уровня озер от увлажненности бассейнов

6 Возможности экстраполяции уровня

6.1 Применение регрессивной модели

6.2 Метод АРПСС процесса

6.2.1 Авторегрессивный процесс

6.2.2 Случайные последовательности скользящего среднего

6.2.3 Смещенная модель авторегрессии - скользящего среднего

6.2.4 Авторегрессия проинтегрированного скользящего среднего 135 Заключение 142 Список использованных источников

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Уровенный режим озер северо-восточной Африки как интегральный показатель изменения климата"

Исключительно важной проблемой в жизни человека всегда была проблема изменений климата. Эти изменения воздействуют на среду обитания и во всем мире определяют условия жизни. Например, от изменения климата зависит состояние водных ресурсов тех или иных регионов земного шара, а вода, как известно, является главным условием благополучия человечества. Поэтому изучение изменений запасов воды и исследование возможностей предсказания этих изменений в ближайшем будущем задача исключительно актуальная. Особенно это касается регионов земного шара, где постоянно наблюдается дефицит воды.

К таким регионам относится и северо-восточная часть Африки. Регион включает всю территорию Эфиопии и часть территорий соседних стран. Климат региона разнообразен, т.е. включает засушливые регионы и регионы хорошо обеспеченные водой. Это объясняется особенностями орографии, при этом отметка местности изменяется от 110 м ниже уровня море до 4620 м над уровнем моря.

Количество осадков изменяется от 100 мм на низменностях до 2000 мм в год на плато. Сезон выпадения осадков приходит летом (июль - сентябрь). На режим распределения осадков главным образом воздействует движение внетропической зоны конвергенции (ВЗК), которая является зоной сходимости между восточными ветрами с северного полушария и восточными ветрами с южного полушария.

В горной части территории хорошо развита гидрологическая сеть. Реки региона текут главным образом с горных вершин эфиопских плато к соседним низменностям. На территории Эфиопии имеется 12 главных водосборов. Основная река - Голубой Нил собирает воду большей частью с Эфиопского плато и далее к низменностям Судана. Другие главные реки — Вабишебеле и Генале, которые дренируют высокие точки Эфиопии на востоке и текут к низменностям Сомали.

Также в Эфиопии имеется 13 главных озер. Самым большим по площади является озеро Тана с площадью поверхности 3600 км . Озеро расположено в котловине на Эфиопском плато и является сточным. Другие главные озера расположены в долине на более низких отметках. В работе рассмотрены 4 озера, которые являются опорными, что позволяет показать тенденцию изменения климата региона, который определяет уровенный режим этих озер.

Многолетние наблюдения на главных озерах и реках региона имеют ряды наблюдений за период 30 лет. Далее для озера Тана имеется лишь 47 лет наблюдений. Эти данные для озер получены из Министерства Водных Ресурсов, и метеорологические данные получены из Агентства Метеорологической Службы Эфиопии. Гидрологические данные, которые получены из Министерства Водных Ресурсов, включают в себя: уровни озер, стоки рек (втекающих и вытекающих). Метеорологическая информация включает в себя осадки, минимальные и максимальные температуры, скорость ветра, относительную влажность, продолжительность солнечной радиации. При этом отсутствующие данные оценены методом аналогии.

Водные балансы четырех озер рассчитаны с использованием этих гидрометеорологических данных. Изучение водного баланса позволяет, вычислить приходные и расходные компоненты озерных систем. Водный баланс является основой количественной оценкой современного и будущего состояния водных ресурсов озер и водохранилищ. Водный баланс имеет широкое применение. Он применяется при планировании водохозяйственных мероприятий в бассейнах рек и озер (орошение, водоснабжение, переброска стока, создание водохранилищ и др.). Он используется для контроля выработки электроэнергии на гидроэлектростанциях, в практике рыбного хозяйства, водного транспорта. Он также применяется при прогнозах притока воды к водохранилищам и их уровенного режима и при оценках качества воды озер, водохранилищ и др. Идентифицируя и критически анализируя каждый компонент, молено представить картину тенденций режима уровней озер.

Наличие длинных рядов данных позволяет изучить тенденции флуктуации уровней. Для этих целей установлены зависимости увлажнения бассейнов и уровней озер, которые также дают возможность выполнить экспертную оценку тенденции изменения климата в ближайших будущих годах посредством изменения уровней.

На основании анализа также вычисленных осадков, испарения, и слоя стока с бассейнов были определены различные типы озер (сточные, бессточные или периодические сточные) и показано их распределение по территории. Была построена карта параметра удельного водосбора, которая и определяет типы озер. Зная отношение бассейна к площади водной поверхности озера по этой карте возможно определить, является ли озеро сточным, бессточным или периодически сточным.

Формы котловин озер также изучались, и было доказано, что котловины одного и того же происхождения имеют такую же площадь поверхности. Это позволяет оценить запасы воды в неизученных озерах. Изучались также отношения глубины, объема и площади шести озер, включая форму котловины. Котловины озер в высоких горных районах ближе к форме конуса по сравнению с формой озер в более низких местах. Это можно объяснить тем, что в низменности большее количество наносов, чем в горной местности. Актуальность работы

Климат не остается постоянным с течением времени, а испытывает изменения. Изменяются основные его элементы: температура воздуха, атмосферные осадки, ветер, влажность и т.д. Различают геологические, исторические и современные изменения климата. Современные изменения климата - один из важнейших факторов социально-экономического развития стран мира. Поэтому изучение изменений климата, а таюке исследование возможности их предсказания - задача исключительно важная. От изменений климата зависит не только состояние водных ресурсов планеты, но и закономерности их изменений в ближайшем будущем. Все сказанное особенно важно для стран северо-восточной Африки, где наблюдается дефицит воды.

Озера - водные объекты с замедленным водообменном. Уровень воды в них не только фиксирует водные ресурсы, но и является интегральным показателем увлажненности территорий а, следовательно, и интегральным показателем изменений климата. Замедленный водообмен в озерах во многом определяет структуру рядов уровней воды, формируя в первую очередь высокую инерционность колебаний, которая проявляется в наличии трендов -низкочастотных составляющих. Поэтому достаточно длинные ряды наблюдений над уровнями воды в озерах позволяют более наделено, чем ряды атмосферных осадков, температуры воздуха и речного стока выявить тренды и оценить тенденции изменений климата. Поскольку уровенный режим озер формируется не только под воздействием активных (климатических), но и адаптивных (подстилающая поверхность) факторов, актуальным является и изучение морфометрических особенностей озер и их бассейнов. Цели и задачи работы

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи: а) исследовать формы озерных котловин, влияющих на уровенный режим; б) определить составляющие водного баланса озер и провести их увязку; в) выявить особенности распределения разнотипных озер по территории; г) рассчитать ряды уровенных колебаний озер на основе уравнения водного баланса и сопоставить их с натурными данными; д) выявить характер многолетних колебаний уровня воды в озерах разных типов водообмена; ж) оценить тенденции в изменениях уровня озер; и) установить закономерности изменений климата на рассматриваемой территории; к) разработать способ восстановления ряда годовых значений уровня озера Тана; л) определить связь уровней озер с изменениями климата; м) оценить возможность экстраполяции уровня озера Тана на ближайшее будущее. Исходные данные

Для решения поставленных задачи использовались следующие данные:

• наблюдения за уровнем воды, речным стоком на впадающих и вытекающих реках для четырех озер: Тана, Аваса, Зивай, и Абайа;

• наблюдения за температурой воздуха, атмосферными осадками, скоростью ветра, влажностью и солнечным сиянием для бассейнов перечисленных озер;

• наблюдения за расходами р. Нил у Асуана и у Донгола, р. Голубой Нил у Хартума и р. Белый Нил у Малакаль и Дангала;

• данные батиметрических съемок для шести озер: Тана, Шала, Аваса, Лангано, Абийата, и Зивай.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались следующие методы: а) метод аналогии; б) метод водного баланса; в) метод корреляционно- спектрального анализа; г) метод регрессии и авторегрессии проинтегрированного скользящего среднего (АР11СС). На защиту выносятся: а) особенности строения озерных котловин северо-восточной Африки; б) закономерности формирования водного баланса и уровенного режима озер; в) закономерности распределения озер разных типов водообмена по территории; г) характер многолетних колебаний и тенденций в изменениях уровня озер в естественных и нарушенных условиях; д) закономерности изменений климата на территории северо-восточной Африки; ж) особенности взаимосвязи между колебаниями уровня озер и изменениями климата; и) возможность восстановления и экстраполяции уровня озера Тана с учетом изменений климата. Научная новизна работы

Научная новизна работы заключается в следующем:

• впервые проведена оценка форма котловин озер северо-восточной Африки на основе расчетных параметров; впервые оценены условия формирования уровенного режима озер разных типов водообмена на основе уравнения водного баланса;

• впервые выявлены и оценены полициклические колебания и тенденции в изменениях уровня озер в естественных и нарушенных условиях;

• впервые выполнено районирование и картирование рассматриваемой территории по характеру распределение разнотипных озер;

• впервые установлены закономерности изменений климата северовосточной Африки на основе анализа индексов увлажненности;

• впервые разработан способ восстановления продолжительного ряда годовых уровней озера Тана по ряду расходов реки Нил; впервые установлена связь между колебаниями уровня озер и изменениями климата; впервые на основе вероятностных моделей выполнена экстраполяция уровня озера Тана на ближайшее будущее. Достоверность результатов работыобосноваш: а) использованием большого объема данных Национального Метеорологического Агентства и Министерства Водных Ресурсов Эфиопии, а также базы данных ЮНЕСКО; б) применением метода водного баланса; в) использованием современных статистических методов анализа, обобщения и экстраполяции временных рядов.

Практическое значимость работы

Наиболее значимые результаты диссертации докладывались на двенадцатой Мировой Озерной Конференции (The 12th World Lake Conference: Taal 2007, Oct.28 - Nov. 2 , Jaipur, India), итоговых сессиях Ученного совета РГТМУ (2007, 2008 гг.), а также на кафедре гидрологии суши РГГМУ (2008 г). По теме диссертации опубликованы 4 работы, две из них на английском языке, две в журнале ВАК.

Работа содержит шесть глав. Первая глава посвящена описанию физико-географических характеристик северо-восточной части Африканского континента. Здесь приведены особенности климата региона: осадки, температуры и другие параметры. Во второй главе приведены сведения о озерах, их строение и их морфометрические характеристики, а также формы котловин. В третьей главе представлены и решены водные балансы четырех опорных озер. В четвертой главе режимы уровня из этих четырех озер и приращение уровней изучены с использованием спектрального и статистического анализа. В пятой главе рассмотрено отношение климата региона и уровня озера и в шестой главе представлен анализ тенденции и экстраполяции.

В конце в заключении представлены основные выводы работы.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Гетахун Брук Абат

Основные выводы диссертационной работы сводятся к следующим.

Во-первых, на территории северо-восточной Африки расположены озера с разными формами котловин: близкой к параболе (озера Тана и Зивай); близкой к полушару (озера Абиата и Аваса); близкой к плоскому цилиндру (озера Лангано и Шала). Анализ графиков зависимостей объема воды в озерах от их площадей w = f(F) подтверждает гипотезу о том, что котловины одного и того же происхождения и примерно одинакового периода эволюции имеют приблизительно одинаковые относительные размеры. График зависимости формы котловин от высоты местности ф = f(Z) показал, что при увеличении Z форма котловин приближается к конусу, и при уменьшении Z - стремится к плоскому цилиндру. Коэффициент развития береговой линии также зависит от высоты места, возрастая с ее увеличением.

Во-вторых, на территории северо-восточной Африки распространены озера разных типов водообмена: бессточные, сточные и периодически сточные. В западной части Эфиопии расположены преимущественно сточные озера. При движении на восток увеличивается количество бессточных озер. Такое распределение связано в большей степени с возрастанием в указанном направлении аридности климата, чем с увеличением значений критических удельных водосборов.

В-третьих при движении с запада на восток рассматриваемой территории меняется и структура водного баланса. Все большую роль в расходной части приобретает испарение. Поэтому особое значение для условий северовосточной Африки имеет расчет испарения. Для оценки испарения привлекались четыре известных метода. Показано, что наилучшие результаты дают методы Пенмана и Пристли-Тейлора. Для изучения структуры водного баланса построены серии гиперболических графиков, отражающих зависимость долей стока и испарения в расходной части баланса и долей притока и осадков в приходной части баланса от удельных водосборов и условий увлажненности. Это позволило контролировать проведенные водно-балансовые расчеты. Согласно нормам, принятым в России, водный баланс решен с достаточной точностью.

В-четвёртых, годовые уровни озер рассчитывались по уравнению водного баланса через приращения и сравнивались с фактическими значениями. Анализ восстановленного ряда годовых высот уровня воды в озере Тана продолжительностью 137 лет показал наличие значительного отрицательного тренда. Общее снижение уровня в период с 1871 по 2005 гг. превысило 60 см. На фоне тренда в структуре ряда наблюдаются разночастотные квазипериодические колебания. Выборочный спектр имеет вид спектра красного шума с четко выраженными всплесками энергии на частотах <в = 0.025, 0.05, 0.09, соответствующих 40-42, 20-22, 11-летним колебаниям. Аналогичная полицикличность характерна и для крупнейших озер засушливой зоны Евразия и Африки.

В-пятых, для характеристики климата северо-восточной Африки оценивались индексы увлажненности бассейнов озер у. Показано, что в период с 1871 по 2005 гг. наблюдалось уменьшение увлажненности с 81.1 мм/°С до 62.8 мм/°С. Анализ восстановленных рядов годовых осадков и температуры воздуха позволил выявить тенденции на повышение температуры воздуха и уменьшение осадков. Таким образом, в последние 137 лет на территории северо-восточной Африки наблюдалось потепление климата.

В-шестых, закономерности изменения индексов увлажненности бассейнов озер хорошо согласуются с характером изменений их уровня. Поэтому, уровни озер можно использовать как интегральный показатель изменений климата. Уменьшение увлажненности в бассейне озера Тана приводит к снижению его уровня, на которое накладывается и уменьшение, вызванное хозяйственной деятельностью.

В-седьмых, применение регрессионных моделей и моделей АРПСС показало, что экстраполяция уровня и, следовательно, увлажненности бассейнов возможна на 1 - 2 ближайших года.

Заключение

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Гетахун Брук Абат, Санкт-Петербург

1. Багров, Н.А. О Колебаниях уровня бессточных озер Текст. / Н.А. Багров // Метеорология и гидрология -1963 .-№ 6.-С.41 46.

2. Бокс, Дж. Анализ временных рядов. Прогноз и управление Текст. Вып.1. / Дж. Бокс, Г. Дженкинс-М., 1974.

3. Викулина, З.А. Водный баланс озер и водохранилищ Советского Союза Текст. /З.А. Викулина.-JI.: Гидрометеоздат, 1979.-165 с.

4. Владимиров, A.M. Гидрологические расчеты Текст. / A.M. Владимиров.-JI.: Гидрометеоиздат, 1991.-364 с.

5. Гелета, И.Ф. Оценка возможности прогнозирования Ладожского озера на отдаленную перспективу Текст. / И.Ф. Гелета, Н.В. Мякишева // География и современность -1992.-№ 6.-С.79 94.

6. Дементьев, Н.Ф. Синхронность в колебаниях уровней подземных вод и расчет подземного стока Текст. / Н.Ф. Дементьев // Метеорология и Гидрология.-1663.-№ 6.-С.10 17.

7. Дмитриевский, Ю.Д. Озера Африки Текст. / Ю.Д. Дмитриевский, И.Н. Олейников.-Л.: Гидрометеоиздат, 1979.-184 с.

8. Догановский, А.М. Водный баланс и уровенный режим озера Тана Текст. / A.M. Догановский, Б.А. Гетахун // География и смежные науки. LX: Герценовские чтения-2007.-С.31 42.

9. Догановский, A.M. Распределение по территории озер с разной степенью проточность Текст. / A.M. Догановский, Д.В. Камаринский // Современные проблемы гидрометеорологии: Сб. науч. работ.-2006.-С.184 -191.

10. Догановский, А.М. Гидросфера Земли Текст. / А.М. Догановский, В.Н. Малинин-СПб.: Гидрометеоиздат, 2004.-630 с.

11. Ефимова, Н.А. Радиационные факторы продуктивности растительного покрова Текст. / Н.А. Ефимова.-Л.: Гидрометеоиздат, 1977216 с.

12. Келлер, Р. Воды и водный баланс суши Текст. / Р. Келлер -М.: Прогресс, 1965.-435 с.

13. Коваленко, В.В. Моделирование гидрологических процессов Текст. /В.В. Коваленко, Н.В. Викторова, Е.В. Гайдукова.-СПб.: Изд. РГГМУ, 2006559 с.

14. Коваленко В.В. Частично инфинитная гидрология Текст. / В.В. Коваленко-СПб.: Изд. РГГМУ, 2007.-230 с.

15. Лучшева, А.А. Практическая гидрометрия Текст. / А.А. Лучшева,— Л.: Гидрометеоиздат, 1951.^440 с.

16. Назаров, Н.Г Метрология. Основные понятия и математические модели Текст.: Учебн. пособие для вузов / Н.Г Назаров.-М.: Высшая школа, 2002.-348 с.

17. Рождественский, А.В. Статистические методы в гидрологии Текст. / А.В. Рождественский, А.И. Чеботарев—Л.: Гидрометеоиздат, 1974.^423 с.

18. Рожков, В.А. Вероятностные модели океанологических процессов Текст. /В.А. Рожков,Ю.А. Трапезников.-Л.: Гидрометеоиздат, 1990.-270 с.

19. Румянцев, В.А. Стохастические модели влияния климата на гидрологию озер В.А. Рожков, Ю.А. Трапезников, А.С. Григорьев СПб.: Изд. НИИ Химии СПБГУ, 2001.-156 с.

20. Самохин, А.А. Практикум по гидрологии Текст. / А.А.Самохин, Н.Н. Соловьева, A.M. Догановский.-Л.: Гидрометеоиздат, 1980.-296 с.

21. Сивков, С.И. Методы расчета характеристик солнечной радиации Текст. / С.И. Сивков.-Л.: Гидрометеоиздат, 1968.-232 с.

22. Сорокин, И.Н. Внешний водообмен озер СССР Текст. / И.Н. Сорокин.-Л.: Наука, 1988.-44 с.

23. Тараскин, А.Ф. Статистический анализ временных рядов авторегрессии и скользящего среднего Текст.: Учебное пособие / А.Ф. Тараскин Самара: Изд. Самар. гос. аэрокосм, ун-та, 1998.-64 с.

24. Тараскин, А.Ф. Статистическое моделирование и метод Монте-Карло Текст.: Учебное пособие / А.Ф. Тараскин Самара: Изд. Самар. гос. аэрокосм, ун-та, 1997.-62 с.

25. Чеботарев; А.И. Общая гидрология (Воды суши) Текст. / А.И. Чеботарев-Л.: Гидрометеоиздат, 1975.-544 с.

26. Эдельштейн, К.К. Водные массы долинных водохранилища Текст. / К.К. Эдельштейн.-М.: Изд.МГУ, 1991.-176 с.

27. Гетахун, Б.А. Многолетние колебания и экстраполяция данных об уровне озера Тана с учетом изменения климата Текст. / Б.А. Гетахун // Вестн. СПб. ун-та 2009.-Сер.7, вып. 2.-(в печати).

28. Bauwens, W. Surface hydrology Text. / W. Bauwens // IUPWARE.-Brussels: University of Brussels, 2006.

29. Boccaletti, M. Quaternary oblique extensional tectonics in the Ethiopian Rift(Horn of Africa) Text. / M. Boccaletti et al // Tectonophysics.-1998.-287,-P.97-116.

30. Bonini, M. Successive orthogonal and oblique extension episodes in a rift zone: laboratory experiments with application to the Ethiopian Rift Text. / M. Bonini et al // Tectonics.-l997.-16.-P.347 362.

31. Bonnefille, R. Palaeoenvironment of Lake Abijata, Ethiopia, during the past 2000 years: Sedimentation in African Rifts Text. / R. Bonnefille et al // Geol. Soc. London: Spec. Publ.-1986.-25.-P.253 265.

32. Chorowitz, J. The Tana basin, Ethiopia: intra-plateau uplift, rifting and subsidence Text. / J.Chorowitz et al // Elsevier: Tectonophysics 1998.-295-P.351.-367.

33. Chou, W. Applied hydrology Text. / W.Chou.-New York: McGraw Hill, 1988.-Cop.XIV.-572 p.

34. Cohen, A.S. Estimating the age of formation of lakes: an example from Lake Tanganyika, East African Rift system Text. / A.S. Cohen et al // Geology.-1993.-21.-P.511 -514.

35. Conway, D. A water balance model of the Upper Blue Nile in Ethiopia Text. / D. Conway // Hydrological Sciences-Journal.-1997.-42(2).-P.265 286.

36. Doganovsky, A.M. Water balance and level regime of Ethiopian lakes as integral indicators of climate change Text. / A.M. Doganovsky, B.A. Getahun // The 12th World Lake Conference: Proceedings of Taal, Jaipur, India, 2007-Jaipur, 2008.-P.1092-1102.

37. Dusan, D. Weather analysis Text. / D. Dusan.-New Jersey: Englewood cliffs: Prentice Hall Inc, 1994.-304 p.

38. Ebinger, C. Late Eocene-Recent volcanism and faulting in the southern main Ethiopian rift Text. / C. Ebinger et al // J. Geol. Soc.-London, 1993.-150,-P.99- 108.

39. El-Fadel M. The Nile River Basin: A Case Study in Surface Water Conflict Resolution Text. / M. El-Fadel // J. Nat. Resource: Life Sci. Educ.-2003.-32.-P.107-117.

40. Fleming, S.W. Practical applications of spectral analysis to hydrologic time series Text. / S.W. Fleming et al // Hydrological Process.-2002.-16-P.565 574.

41. Gasse, F. Late Quaternary lake-level fluctuations and environments of the northern Rift Valley and Afar region (Ethiopia and Djibouti) Text. / F. Gasse, F.A. Street // Elsevier: Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology-1978-24.-P.279 325.

42. Gianelli, G. Water-rock interaction processes in the Aluto-Langano geothermal field (Ethiopia) Text. / G. Gianelli, M. Teklemariam // J. Volcanol. Geotherm. Res.- 1993.-56.-P.429 445.

43. Grove, A.T. Late Quaternary lake levels in the Rift Valley of Southern Ethiopia and elsewhere in tropical Africa Text. / A.T. Grove, A.S. Goudie // Nature.-1971.-234.-P.403 -405.

44. Hart, W.K. Basaltic volcanism in Ethiopia: constraints on continental rifting and mantle interaction Text. / W.K. Hart et al // J. Geophys. Res-1989-94 (B6).-P.7731 -7748.

45. Hofmann, C., et al, Timing of the Ethiopian flood basalts event and implications for plume birth and global change Text. / C. Hofmann // Nature-1997.-389.-P.838-841.

46. Johnson, T.C., , Late Pleistocene desiccation of Lake Victoria and rapid evolution of cichlid fishes Text. / T.C. Johnson et al // Science 1996-273 -P.1091 —1093.

47. Kadomura. H., Climate anomalies and extreme events in Africa in 2003, including heavy rains and floods that occurred during northern hemisphere summer Text. / H. Kadomura <7 African Study Monographs 2005.-Suppl.30.-P. 165181.

48. Kebede, S.,, Water balance of Lake Tana and its sensitivity to fluctuations in rainfall, Blue Nile Basin, Ethiopia Text. / S. Kebede et al // Journal of Hydrology.- 2006.-316.-P.233 247.

49. Kinfe, H., Impact of climate change on the water resources of Awash River Basin, Ethiopia Text. / H. Kinfe // Climate research.- 1999-Vol. 12.-P.91 -96.

50. Kite, G. Use of time series analysis to detect climate changeText. / G. Kite // Journal of hydrology.- 1989.-111 .-P.259 279.

51. Korme, T. Volcanic vents rooted on extension fractures and their geodynamic implications in the Ethiopian Rift Text. / T. Korme, J. Chorowicz, B. Collet, F.F. Bonavia J. Volcanol. Geotherm. Res.- 1997.-79.-P.205 222.

52. Le'zine, A.M. Correlated oceanic and continental records demonstrate past climate and hydrology of North Africa (0-140 ka) Text. / A.M. Le'zine, J. Casanova // Geology.- 1991.-19.-P.307 310.

53. Climatic and agro-climatic resources of Ethiopia.-Addis Ababa: NMSA, 1996-Vol. 1(1).

54. Peggy, A. Johnson. Water Balance of the Blue Nile River Basin in Ethiopia Text. / A. Johnson Peggy, P. Daglas Curtis // Journal of irrigation and drainage engineering 1994(may/june).-Vol.l20, issue 3.-P. 573 - 590.

55. Petersen, G. Spatio-temporal water body and vegetation changes in the Nile swamps of southern Sudan Text. / G.Petersen et al // Adv. Geosci-2007-11.-P.113-116.

56. Ponce, V.M., Engineering hydrology: principles and practices Text. / V.M. Ponce Englewood cliffs: Prentice hall Inc.- 1989.-XV.-P.640 p.

57. Rajendran, K., et al, The Impact of Surface Hydrology on the Simulation of Tropical Intraseasonal Oscillation in NCAR (CCM2) Atmospheric GCM Text. / 1С. Rajendran et al // Journal of the Meteorological Society of Japan-2002.-Vol.80, № 6.-P.1357 1381.

58. Saad, A. Nile river morphology changes due to the construction of High Aswan Dam in Egypt Text. / A. Saad.-Egypt: Ministry of Water Resources and Irrigation, 2002.-14 c.

59. Strzepek, K.M., , 1996. Vulnerability assessment of water resources in Egypt to climatic change in the Nile Basin Text. / K.M. Strzepek et al // Climate research.- 1996.-Vol. 6.-P.89 95.

60. National water development report of Ethiopia Text.—Addis Ababa: UNESCO, 2004.-284 p.

61. Walker, C.C. Response of idealized Hadley circulations to seasonally varying heating Text. / C.C. Walker, T. Schneider Geophys. Res. Lett.- 2005.-32, L06813, doi: 10.1029/2004GL022304.

Информация о работе

Гетахун Брук Абат
кандидата географических наук
Санкт-Петербург, 2008
ВАК 25.00.27

Диссертация

Уровенный режим озер северо-восточной Африки как интегральный показатель изменения климата - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы