Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Влияние климатических вариаций на уровенный режим озер

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Анохина, Екатерина Анатольевна, Санкт-Петербург

<5Г

7 :/ СХ., V/ /

Министерство общего и профессионального образования РФ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(РГГМУ)

/

На правах рукописи

Анохина Екатерина Анатольевна

УДК 556.555.2:551.583

ВЛИЯНИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ ВАРИАЦИЙ НА УРОВЕННЫЙ РЕЖИМ ОЗЕР

Специальность 11.00.07-гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение 3

1. Современные взгляды на закономерности формирования уровенного режима озер 4

1.1. Роль водного баланса в формировании уровенного режима озер 4

1.2. Существующие подходы к описанию структуры многолетних колебаний уровня озер 6

1.3. Представление уровенного режима как результата воздействия

двух групп факторов 9

2. Выявление влияния климатических вариаций на уровенный

режим озер статистическими методами 13

2.1. Выбор объектов исследования 13

2.2. Статистический анализ рядов среднегодовых уровней воды озер 14

2.3. Методика выделения детерминированной составляющей 25

2.4. Зависимость детерминированной составляющей в колебаниях озерного уровня от климатических вариаций 34

3. Статистические модели, описывающие колебания уровней воды

озер 55

3.1. Методика описания динамики детерминированной составляющей колебаний уровня воды озер 55

3.2. Методика описания случайной составляющей колебаний

уровней озер 67

4. Практическое использование предлагаемых моделей 84 Заключение 93 Список использованных источников 96 Приложение 103

ВВЕДЕНИЕ

Основная цель данной работы заключается в разработке схемы расчета среднегодовых значений уровня воды озер на основе выявления временных и пространственных закономерностей колебаний уровней разнотипных озер и анализа факторов формирования их режима.

Актуальность работы определяется необходимостью обоснования принципов рационального использования озерного фонда и обязательного учета перспектив изменения запаса и качества воды в гидрологических объектах замедленного водообмена при планировании их хозяйственного использования.

Озеро вместе с бассейном следует рассматривать как сложную систему, включающую ряд разнотипных подсистем - биологические, химические, гидрологические. Исходя из этого, для выявления закономерностей функционирования столь сложной системы, приходится задействовать значительное число характеристик состояния, отражающих отдельные свойства элементов водного объекта. К настоящему моменту лишь на весьма малом числе озер ведутся измерения, допускающие столь подробное описание. Следовательно, недостаток натурной информации заставляет существенно упрощать модель сложной природной системы. В современной гидрологии общепринятой является гипотеза о том, что значение уровня воды озера - комплексный показатель, который допустимо применять в качестве наиболее общей характеристики состояния всей озерной системы, позволяющей составить представление о содержании процессов, происходящих в водоеме /1/. Кроме того, отметка уровня воды представляет практический интерес, прежде всего для водного хозяйства, водного транспорта, рыболовства, рекреационных нужд и пр.

1. СОВРЕМЕННЫЕ ВЗГЛЯДЫ НА ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ УРОВЕННОГО РЕЖИМА ОЗЕР

1.1. Роль водного баланса в формировании уровенного режима озер

Уровенный режим озер формируется под воздействием большого числа факторов, как внешних, так и внутренних по отношению к конкретной озерной системе. Внешние факторы определяют поступление воды в озерную систему и выводят ее таким образом из состояния равновесия, внутренние - определяют перераспределение притока системой, имеющее результатом сглаживание возмущения, вносимого внешними факторами, и способное вновь привести озерную систему в состояние равновесия.

Процесс перемещения и перераспределения воды между атмосферой, сушей и Мировым океаном отражается уравнением водного баланса. Для отдельного водного объекта уравнение водного баланса является законом сохранения количества воды.

Элементы водного баланса любого озера непосредственно определяются приходом и расходом воды. В общем виде уравнение водного баланса можно представить так:

1П-£Р = Ак, (1.1)

где ^П - сумма приходных компонентов, £Р - сумма расходных компонентов, Ак - аккумуляционная компонента. Приходные компоненты - это поверхностный и подземный приток воды в озеро, атмосферные осадки и конденсация водяных паров на поверхность

самого озера, а также любое поступление в озеро в результате хозяйственной деятельности. Расходные компоненты - поверхностный и подземный сток из озера, испарение с зеркала озера, а также заборы воды из озера в результате хозяйственной деятельности. По разности между приходными и расходными компонентами водного баланса определяется аккумуляционная компонента. В различные временные периоды она может быть как положительной (увеличение водозапаса озера), так и отрицательной (уменьшение запаса воды в озере).

Соотношение между составляющими водного баланса озера зависит от географического положения и строения озерной системы. В приходной части баланса по мере продвижения с севера на юг убывает доля поверхностного стока, а в расходной части возрастает удельный вес испарения. Например, для озер Карелии в приходной части баланса приток по рекам составляет 80-90 %, а для озер юга Западной Сибири - 50-60 %. В расходной части баланса испарение с поверхности озер в первом случае не превышает 5-10 %, а во втором достигает 100 %. Наиболее полный обзор исследований по водному балансу озер, а также по методам расчета его составляющих приведен в работах В.Н. Адаменко /2/, З.А. Викулиной /3/, P.A. Нежиховского /4/.

Изменение соотношения между элементами водного баланса вызывает изменение запаса воды в чаше озера и, следовательно, уровня водоема. Абсолютные значения природных (естественных) составляющих водного баланса испытывают колебания соответственно колебаниям увлажнения области питания озера и обусловливают колебания уровня воды.

1.2. Существующие подходы к описанию структуры многолетних колебаний уровня озер

Актуальность исследования многолетней изменчивости озерных уровней обусловила появление большого числа работ по этой тематике. Начиная с конца 19 века, когда появились работы А.И. Воейкова, а затем в начале 20 века J1.C. Берга и их последователей, где впервые говорилось о колебательном характере уровенного режима озер, наличие детерминированной компоненты принято считать вероятным. Основные результаты их исследований свелись к установлению внутривековой изменчивости наполнения озер и постулированию зависимости выявляемых циклов от колебаний климата. Существенный вклад в изучение этого вопроса внес A.B. Шнитников, впервые установивший количественные характеристики многолетних колебаний на основе анализа исторических сведений /51. A.B. Шнитников исследовал колебания уровней озер Скандинавии, Северо-Запада России, Прибалтики, Польши путем визуального анализа хронологических графиков хода уровней озер. Периоды колебаний рассмотренных им водоемов оказались близкими между собой и равнялись в среднем 27-29 лет.

В дальнейшем по мере увеличения объкма имеющихся в распоряжении исследователей выборок и совершенствовании методов статистического анализа были получены и другие оценки характеристик средней продолжительности циклов. Так, Л.И. Глазачева определила их длительность в 20-32 года /6/, а И.В. Филатова - 27-31 год III. По данным Р.К. Клиге /8/, продолжительность периодов колебаний бессточных озер Центральной Азии, а также крупных бессточных озер других регионов (Большое Соленое в Северной Америке, Мертвое море и др.) заключена в пределы от 26 до 46 лет. М.А. Андреева, изучавшая уровенный режим озер Урала, установила, что цикличность здесь проявляется «достаточно четко и

определенно», а продолжительность циклов изменяется от 16-18 лет до 2527 лет, в среднем составляя 20-22 года 191. Шесть внутривековых циклов продолжительностью по 27-28 лет выявлены Г.С. Джиавок /10/ на озере Ханка, уровенный ряд которого был реконструирован с 1814 до 1912 года.

Чаще всего вышеперечисленные исследования уровенного режима озер носят региональный характер и посвящены отдельным гидрологическим объектам, как правило, крупным. Разные авторы анализировали различный объем исходной информации, используя выбранные ими статистические методы, что и привело к фактической невозможности сопоставить приводимые результаты. Если обобщать опубликованные сведения о выделяемых разными авторами циклах, то их продолжительность изменяется от 2-х летних вплоть до вековых. Кроме того, разными исследователями полученные результаты интерпретируются иногда с диаметрально противоположных позиций - от признания определяющей роли однозначных причинно-следственных связей между уровнем озера и вынуждающими климатическими факторами вплоть до ее полного отрицания.

Таким образом, в настоящее время в практике лимнологических расчетов и прогнозов существуют два подхода к объяснению многолетней изменчивости уровней озер - детерминистический, постулирующий, что главные источники изменчивости уровня известны и определены, и стохастический, предполагающий характерные изменения процесса около функции средних значений.

К первому направлению относятся уже упомянутые работы

A.B. Шнитникова /5/, Л.И. Глазачевой /6/, а также других исследователей /11, 12, 13, 14, 15, 16, 17/. Ко второму - М.И. Будыко /18/,

B.Е. Привальского, С.Б. Музылева /19 / и других /20, 21, 22, 23/. К достоинствам первого направления следует отнести приводимое авторами физическое обоснование получаемых выводов. Однако в последнее время

принципы детерминистического подхода все чаще ставятся под сомнение. В числе причин возможного пересмотра детерминистических представлений можно назвать многофакторность процесса формирования уровня, причем большинство зафиксированных связей между значениями уровня озер и климатическими параметрами представляется необходимым отнести к категории нечетких и нелинейных. Это привело к тому, что процессы колебания уровней стали чаще рассматриваться как вероятностные. Характерной особенностью, по мнению М.И. Будыко и М.И.Юдина /18/, является способность гидрометеорологических рядов (случайных по своей природе) образовывать группировки (серии) повышенных и пониженных значений. Это же положение доказывалось Д.Я. Ратковичем /24/. Е.Е. Слуцкий считает источником возникновения цикличности в структуре геофизических процессов взаимодействие большого числа случайных факторов /25/. На основе вероятностного подхода Д.Я. Раткович, И.С. Жданова и В.Е. Привальский использовали для описания и прогнозирования динамики уровня воды Каспийского моря метод Монте-Карло. После розыгрыша продолжительных случайных рядов притока и испарения и дальнейшего применения уравнения водного баланса был восстановлен ряд приращений уровня воды Каспия. После многократного повторения такой процедуры по усредненным значениям было вычислено прогнозное значение уровня воды Каспия и его средняя квадратическая погрешность /26/. Этот метод прост, так как не приходится использовать аналитические выражения, описывающие поведение случайного процесса. Слабым местом предлагаемой методики прогноза можно считать тот факт, что ее авторы считают колебания уровня Каспия стационарным процессом, хотя этот водоем проявляет свои естественные интеграционные свойства весьма сильно и внутрирядная связанность ряда приращений среднегодового уровня воды Каспия значительна - г(1)=0.98. К общим недостаткам подходов такого рода можно отнести оставление за границами

исследования предположений о физической сущности рассматриваемого явления.

Любой из применяемых в настоящее время подходов, таким образом, имеет свои несомненные достоинства и недостатки и в общем случае невозможно отдать предпочтение какому-нибудь одному из них.

Факторы, формирующие уровни воды озер можно разделить на две группы - активные и реактивные. Действие первой группы - вынуждающих сил - приводит к отклонению уровня озера от некоторого среднего значения, а второй - амортизационных сил - ведет к затуханию возникающих колебаний уровня. Соответственно, каждое из двух направлений обосновывает свои методические предпочтения преимущественной ролью одной из отмеченных двух групп факторов в формировании уровенного режима озера.

В таких условиях перспективным может стать подход, учитывающий двойственный характер формирования уровенного режима озер, причем соотношение между источниками изменения среднегодовых уровней озер должно подбираться индивидуально для озера или для однородного озерного района в соответствии с физико-географическими и климатическими условиями наполнения водоемов.

1.3. Представление уровенного режима как результата воздействия двух групп факторов

Корректная реализация указанного подхода должна включать детальную оценку влияния каждой из составляющих водного баланса и локальных особенностей отдельных озерных систем на уровенный режим конкретного водоема. Однако в настоящее время такой подход осуществить достаточно проблематично, прежде всего из-за отсутствия подробной

натурной информации для исследований и последующего применения такой детально проработанной методики. В сложившихся условиях предпочтительнее использовать статистические методы для выявления закономерностей формирования уровенного режима озер. Обоснование устойчивости статистических закономерностей следует искать в корректности выводов с физической точки зрения.

Многие исследователи, занимающиеся статистическим анализом -H.A. Картвелишвили, Г.Г. Сванидзе, Г.В. Алексеев, Н. Маталас, сходятся на том, что любой временной ряд может быть представлен как бы состоящим из двух компонент: детерминированной и случайной /27, 28, 29, 30, 31, 32/. A.B. Рождественский и А.И. Чеботарев предложили выделение из исходного ряда динамической нормы и случайных некоррелированных отклонения, распределенные по нормальному закону /33/. Детерминированная составляющая определяется периодической или переходной функцией /27/. Детерминированная часть временного ряда представляет собой нелинейную функцию известной структуры, реализация которой зависит от времени и интенсивности влияющих на геофизический процесс факторов. Таким образом, значения детерминированной составляющей могут быть представлены или предсказаны на основе данных ' о содержании геофизического процесса. Если временной ряд содержит детерминированную составляющую, он является нестационарным, причем характер нестационарности зависит от специфики детерминированной составляющей /29/.

Вклад случайной составляющей в общую дисперсию исходного процесса может быть охарактеризован только в вероятностном смысле.

Реализация процесса формирования уровней озер является результатом взаимодействия огромного числа различных факторов и детерминированных воздействий и их взаимодействия между собой.. Детальное рассмотрение такого процесса ограничивается количеством

имеющейся информации об интенсивности влияния большинства даже из очевидно влияющих факторов. В такой ситуации удобным и перспективным представляется выделение в рядах среднегодовых уровней воды озер детерминированной составляющей отражающей влияние небольшого числа наиболее значимых факторов, и случайной составляющей, в которой статистически (в совокупности) учитываются влияния относительно менее существенных факторов.

Следовательно, такой ряд в общем виде может быть представлен как сложный полициклический коррелированный процесс /31/ вида:

Н(1) = М(1) + 8(1), (1.2)

где Н(1:) - анализируемая реализация процесса формирования уровня, М(г) - детерминированная составляющая, 8(1) - случайная составляющая.

Термин детерминированная составляющая применительно к стохастическим процессам используется достаточно давно и его традиционное содержание несколько отличается от смысла, вкладываемого в него при математическом моделировании, в том числе гидрологических процессов. В данном случае под детерминированной составляющей понимается результат воздействия, который может быть определен путем статистического анализа исходного ряда или условий протекания изучаемого процесса.

В ходе процесса формирования уровенного режима озер в результате интерференции детерминированные воздействия затушевывают закономерности, свойственные случайному ряду, и наоборот, случайные флуктуации делают неявными (скрывают) детерминированные составляющие колебаний /28/.

Цель выделения в исходном процессе двух составляющих заключается в замене одного сложного неоднородного процесса двумя существенно более простыми. На возмо