ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА НА УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ СТОКА ВОДЫ В СУБАРКТИЧЕСКИХ ДЕЛЬТАХ

Научная статья
DOI:
https://doi.org/10.60797/GEO.2024.1.2
Выпуск: № 1 (1), 2024
Предложена:
29.03.2024
Принята:
02.05.2024
Опубликована:
13.09.2024
42
4
XML
PDF

Аннотация

Исследуется гидрологический режим субарктических дельт: сток воды, осадки, длительность подледного периода и толщина ледового покрова и их изменения. Осадки на территории бассейнов выше вершин дельт рек в XXI в. увеличиваются. Отмечена зависимость длительности подледного периода и толщины льда от географической широты местности. Обсуждаются изменения ледового режима субарктических устьев рек под влиянием изменения климата. Исследования самой южной субарктической дельты Юкона показали, что преобладающей причиной наводнений становятся штормовые нагоны. При продолжающемся росте средней температуры воздуха роль ледовых заторов в возникновении наводнений и в других реках будет становиться меньше. Приводится аналитический обзор данных об оттаивании грунта и росте глубины сезонно-талого слоя в зоне многолетнемерзлых пород в условиях изменения климата. Обсуждается возможность прогнозирования возникновения опасных явлений в субарктических дельтах.

1. Введение

Устья рек – это пограничные объекты, на режиме которых отражаются все процессы, происходящие на суше и в океане. Современные изменения климата вызывают изменения гидрологического режима дельт рек на побережье Северного Ледовитого океана. Устойчивый тренд повышения температуры воздуха и активное освоение территорий устьев и Арктического шельфа способствуют развитию процессов, свойственных только этой области, большая часть которой находится в зоне многолетнемерзлых пород (ММП). Например, практически весь бассейн р. Индигирка, включая дельту, относится к зоне сплошного распространения ММП. Мощность криолитозоны в бассейне реки составляет около 300-400 м при температуре пород на глубине 15‑30 м от 3°С до 7°С

.

Лед, находящийся в составе грунта арктических устьев рек, покрывающий речные потоки и устьевое взморье большую часть года, очень чувствителен к изменениям среднегодовой температуры воздуха T. В арктическом и субарктическом поясах Северной Америки и России в 2017 г. наблюдалось максимальное повышение T ~2–3°C по сравнению с осредненной за 1880-1920 гг.

. Например, на территории дельт Печоры и Колымы тренд T за 1976–2018 гг. составил 1.2-1.4 °С/10 лет
. Вследствие роста T увеличивается глубина сезонного оттаивания грунта
,
, приводящая к изменению ландшафта дельты. Толщина ледяного припая у берегов Арктики становится меньше, и площадь его распространения уменьшалась в 1976–2007 гг. со скоростью 12300 км2 год-1 (0.7% год-1)
. Изменение движения морских льдов на Арктических устьевых взморьях, рост уровня моря на протяжении XX века и увеличение просадки грунта в дельтах приводят к затоплениям прибрежных территорий и вызывают деградацию мерзлоты на территории арктических дельт. Наводнения, возникающие в периоды замерзания и вскрытия реки, в результате дождевых паводков и при штормовых нагонах
,
, оказывают отепляющее действие на дельтовые равнины с малым уклоном и приводят к дополнительному оттаиванию. Оценка риска затопления территорий и ущерб от него показывает, что в больших субарктических дельтах (Юкон, Маккензи, Лена) этот риск мал по сравнению с густонаселенными дельтами (Кришна, Ганг, Годавари)
. Это происходит в результате малого значения коэффициента, учитывающего население субарктической дельты, и полного игнорирования процесса оттаивания мерзлоты, приводящего к быстрому изменению гидрологического режима дельт в зоне ММП.

Параметры гидрологического и ледового режимов субарктических дельт являются интегральными характеристиками процессов, происходящих на территории водосборов рек и на устьевом взморье дельт. Цель работы – определение и анализ характеристик гидрологического режима в вершинах дельт (ВД) в зоне ММП для оценки тенденций развития разных процессов, в том числе опасных, в субарктических дельтах.

2. Объекты и данные

Рассматриваются устья рек на побережье Северного ледовитого океана (табл. 1, 2). Используется статистический метод оценки изменения величины среднегодового расхода воды Q рек. Рассчитывается среднемноголетний расход воды <Q>, его линейный тренд и скорость изменения DQ/Q на гидрологических постах (г/п), ближайших к вершинам дельт (ВД) восьми рек Печора, Лена, Яна, Индигирка, Колыма, Маккензи, Колвилл и Юкон по данным источников

,
,
,
. Скорость изменения Q используется в качестве интегрального индикатора тенденций процессов, происходящих в бассейне реки. Величины DQ/Q сравниваются со среднегодовыми суммами осадков P в дельтах. Климатические значения P приводятся по данным
,
,
,
. Скорость изменения сумм осадков P на ближайших к дельтам метеорологических станциях (м/с) некоторых Российских рек рассчитывается по данным
. Приводится обзор имеющихся данных о ледовых явлениях и средняя толщина льда. Проводится анализ и сравнение этих величин для разных устьев при изменениях климата.

Рост T на побережье Северного Ледовитого океана, приводит к повышению температуры поверхности земли Tg, увеличению толщины слоя сезонного протаивания d и смещению к северу границы распространения сплошных мерзлых грунтов. Приводится краткий аналитический обзор изменений величин Tg и d по данным

,
,
,
. Циклические изменения климата вызывают периодические колебания d на территории зоны ММП и формирование легкоразмываемых грунтов в зоне миграции границы распространения ММП, что вызывает изменение стока наносов в дельте криолитозоны.

3. Обсуждение результатов

Расход воды. Во всех устьях из Табл. 1 наблюдается рост расхода воды с разной скоростью. Оценка DQ/<Q> зависит от длины ряда наблюдений, что можно проиллюстрировать на примере рек Яна и Индигирка (рис. 1). Величины <Q> для рек Лена, Печора, Колыма, Маккензи и Колвилл рассчитаны в работах

,
,
. Скорость изменения Q в дельте Яны возможно завышена из-за недостаточной длины ряда наблюдений.

Таблица 1 - Устья рек, расположенные в зависимости от широты ВД, начиная с самой северной

Река

Сев. широта

<Q>, м3

DQ/<Q>,

%

P, мм/год

DP/<P>%,

м/с

1

Лена

72°24¢43²

17200

0,19

300

2

Яна

71°32¢14²

1063

0,561

200

3

Колвилл

70°53¢02²

624

0,981

150

4

Индигирка

70°37¢04²

1603

0,18

200

0,16 Усть-Мома 0,22 Оймякон

5

Колыма

69°33¢05²

3320

0,29

0,921

300

0,42 Черский

6

Маккензи

68°56¢23²

9260

0,21

300

7

Печора

68°18¢27²

4234

0,20

1,161

600

0,37– Печора,

0,48Нарьян-Мар

8

Юкон

61°56¢04²

6557

0,36

400

 -

Примечание: характеристики рек: среднемноголетний расход воды в ВД <Q> и скорость изменения Q (DQ/<Q>); средняя сумма осадков для климатического пояса в год P и скорость роста DP/<P> на некоторых м/с в Сибири; 1 – короткие ряды, захватывающие период в XXI в

Таблица 2 - Периоды изменения Q и P и г/п для рек из таблицы 1 при расчетах

Река

Период <Q>, годы

Период <P>, годы

1

Лена

1936 – 2008 (2011)

Кюсюр

2004 – 2021

 

2

Яна

1972 – 2007

Юбилейная

2004 – 2021

 

3

Колвилл

2003 – 2019

Умиат

1971 – 2000

 

4

Индигирка

1937 – 1998

Воронцово

1967 – 2022 Усть-Мома

1967 – 2022 Оймякон

5

Колыма

1978 – 2019

Колымское

2003 – 2019

1966 – 2018 Черский

 

 

6

Маккензи

1973 – 2011

Арктик Рэд Ривер

м/п Инувик 1991 – 2000

P = 250 мм/год

7

Печора

1932 – 2005

Оксино

2000 – 2018

1966 – 2018 Печора

1966 – 2018 Нарьян-Мар

 

8

Юкон

1976 – 2023

Пайлот-Стэйшн

1971 – 2000,

Изменение Q на г/п Воронцово, р. Индигирка (1937–1998 гг.), и Юбилейная, р. Яна (1972–2007 гг.) с10% и 20% соответственно

Рисунок 1 - Изменение Q на г/п Воронцово, р. Индигирка (1937–1998 гг.), и Юбилейная, р. Яна (1972–2007 гг.) с10% и 20% соответственно

Ряд наблюдений Q в дельте Колвилла (г/п Умиат, 145 км выше ВД) также короткий и охватывает период 2003-2019 гг., с использованием восстановленных данных за 2003-2007 гг., представленных в
. Расчет DQ/<Q> для коротких рядов в дельтах рек Печора и Колыма в начале XXI в. дает соответственно: Печора – 1.16% (2000-2018) и Колыма – 0.92% (2003–2019). Растущие величины речного стока и атмосферных осадков составляют приходную часть баланса субарктических дельт.

Осадки. Устойчивый рост Т приводит к увеличению увлажненности субарктического региона за счет роста глубины протаивания почвы, грунтового питания, таяния наледей и изменения режима осадков. Исследования многолетних изменений P в бассейнах рек Печора и Колыма показали рост годовых сумм осадков на ближайших к дельтам постах в период 2008–2019 гг.

(табл. 1). По данным
многолетние изменения P в Арктике в 1936–2009 гг., осредненные по широтной зоне 60-70° с.ш., также дают увеличение P на 8% относительно нормы осадков за 1961–1990 гг., причем годовой прирост обеспечивается увеличением P в период октябрь-май.

Исследование многолетних трендов P в бассейне р. Индигирки по данным

в 1967-2022 показало рост осадков на м/п Усть-Мома в 1119 км от устья (рис. 2) и Оймякон (верховье) и уменьшение P в дельте рек на м/п Чокурдах в 187 км от устья. Возможно уменьшение осадков при приближении к устьевому взморью объясняется движением воздушных масс над океаном, так как такое же уменьшение P зарегистрировано в бух. Амбарчик на устьевом взморье Колымы, где на м/с Амбарчик в 2008-2019 гг. наблюдалось уменьшение Р на (0.98%/год)
.

Сравнение значений DQ/<Q> в ВД и <P> на ближайших к дельтам м/п показывает (рис. 3), что разница осадков в дельтах рек не единственная причина влияющая скорость изменения стока воды. В наиболее южной дельте Юкона, где среднее количество осадков невелико, скорость роста Q более чем в 2 раза превосходит DQ/<Q> всех других дельт, включая дельту Печоры.

Изменение P на м/п Усть-Мома, р. Индигирка, 1967–2022 гг.

Рисунок 2 - Изменение P на м/п Усть-Мома, р. Индигирка, 1967–2022 гг.

Ледовый режим рек. Рост температуры воздуха и осадков в зоне ММП приводит к изменению ледового режима рек. По данным
,
,
максимальная толщина льда и продолжительность ледостава уменьшаются в XXI в. по сравнению с периодом от начала наблюдений до 1979 г. Средняя продолжительность подледного периода исследуемых рек t составляет 190-250 дней в году, толщина льда d изменяется от 1.4 до 2.4 м (рис. 4). Длительность ледостава и толщина льда в среднем уменьшаются с уменьшением географической широты, на которой расположены ВД.
Скорость изменения Q (1) в зависимости от среднегодовых величин сумм осадков <P> (2) в дельтах рек из Таблицы 1

Рисунок 3 - Скорость изменения Q (1) в зависимости от среднегодовых величин сумм осадков <P> (2) в дельтах рек из Таблицы 1

Изменение длительности ледостава t и толщины льда d в дельтах рек из Таблицы 1 в зависимости от широты ВД

Рисунок 4 - Изменение длительности ледостава t и толщины льда d в дельтах рек из Таблицы 1 в зависимости от широты ВД

Арктические дельты мало населены и труднодоступны и ряды регулярных наблюдений за ледовым режимом в том числе образованием ледяных заторов и заторными уровнями воды очень коротки или отсутствуют, исключая экстремальные случаи. Образование льда на Российских реках начинается в дельтах с конца сентября – начала октября (Индигирка) до начала ноября (Печора), и смещается к верховью с некоторым запаздыванием в сроках появления льда по длине реки. По данным
осенний ледоход с образованием шуги проходит в течение 3-4 дней и, как правило, без роста уровня до критических отметок на исследуемых реках. Например, на г/п Воронцово р. Индигирки, находящемся на расстоянии 350 км от устья, в период 1937-1989 гг. зарегистрировано 3 зажора
, не приведшие к заметному росту уровня воды в дельте.

При вскрытии рек, текущих с юга на север в субарктической зоне, возникают условия для образования заторов, приводящих к подъемам уровня воды и затоплению прилегающей территории (Табл. 3). Вскрытие рукавов дельты Печоры начинается в конце мая и с вероятностью 33% сопровождается заторными наводнениями в период 1912–2015 гг.

.

Одно из опасных наводнений в результате ледяного затора произошло в 1998 г., когда средний уровень воды ниже ВД был превышен на ~5 м, и были затоплены улицы Нарьян-Мара

. В дельте Лены вблизи ее вершины (о. Тит-Ары) часто образующиеся ледяные заторы вызывают подъем уровня воды, распространяющийся вверх по течению на большие расстояния (до сотен километров) и длящийся до 10 суток
. В дельтах Яны и Колымы заторные наводнения происходят практически ежегодно с подъемом уровня воды на 10-13 м
. Весенний ледоход в дельте Индигирки начинается в конце мая-начале июня и продолжается в среднем 4-5 суток. При частых заторах льда уровень воды поднимается до 3 м
. На г/п Воронцово повторяемость заторообразования составляет 12–27%, на г/п Чокурдах – 36%. Ледяной затор может длиться 5 суток и более.

Таблица 3 - Периоды повышении уровня воды, частота образования ледяных заторов и их вклад в повышение уровня воды в дельтах сибирских рек

Дельта реки

Причина повышения уровня воды

Период времени

Вклад ледяных заторов, %

Печора

Половодье снеговое, весеннее

15.05 – 15.06

30–70

Лена

Половодье снеговое, весенне-летнее

1.06 – 15.06

80–100

Яна

Половодье снеговое, весна-лето, летне-осенние дожди

Июнь – август

50–100

Индигирка, г/п:

Воронцово

Чокурдах

Половодье снеговое, весна-лето, ледяные заторы

Июнь

 12 – 27

36

Колыма

Половодье снеговое, весенне-летнее

1.06 – 15.06

40–70

Примечание: источники: [1], [9]

Вскрытие рукавов дельты Маккензи начинается одновременно в конце мая – начале июня и сопровождается заторами льда в ВД, ростом уровня воды и затоплением большей части дельты

. Несмотря на потоки воды, несущие обломки льда вдоль Среднего и других рукавов дельты, льдины никогда не выносятся за пределы верхней дельты. Максимальная d£1.3 м в ВД средняя за 1996–2008 гг. наблюдалась в конце апреля – середине мая.

В дельте Колвилла ледяные заторы часто возникают на спаде половодья благодаря таянию огромных льдин, застрявших на мелководьях и устьевых барах

. По данным разных авторов из
, за 1962–1995 гг. для рукавов дельты грубая оценка дает
: дату очищения от льда в конце периода на~5 дней раньше, а максимальный уровень воды достигается на ~15 дней позже. Задержку пика половодья можно объяснить изменением режима таяния ледников и режима осадков в верховьях притоков реки.

На р. Юкон, как и на других рассматриваемых реках, таяние снега и льда начинается с верховьев реки. Нерегулярные наблюдения за вскрытием реки на г/п Пайлот-Стэйшн начались в 1924 г.
(рис. 5). По имеющимся данным вскрытие реки на заключающем г/п в настоящее время происходит в среднем 13 мая, что на 6 дней раньше, чем в начале XX в. В ~30 км ниже г/п Пайлот-Стейшн с 1950 до 2007 г. T зимой выросла – 40 до -25℃, а d уменьшилась с ~2 м до 1 м
. В настоящее время вскрытие рукавов дельты Юкон проходит почти незаметно без звука взломанного льда, что подтверждает выводы
.
Даты вскрытия р. Юкон на г/п Пайлот-Стэйшн

Рисунок 5 - Даты вскрытия р. Юкон на г/п Пайлот-Стэйшн

В юго-западной части дельты (с. Эммонак, Алаканук) регулярно возникавшие заторы льда при вскрытии потоков в рукавах стали реже, часто лед тает на месте и уровень воды не превышает критических отметок. В период 1984-2006 гг. зарегистрировано 13 наводнений
, 10 из которых происходили в результате ледяных заторов. За весь период наблюдений 1964–2020 гг. в северной части дельты Юкона (с. Котлик)
отмечено 33 наводнения, 2 из которых происходили весной. Все остальные наводнения происходили летом и осенью в результате штормовых нагонов.

Подледный период у рукавов дельт становится более коротким (рис. 6), что в свою очередь влияет на влагообмен потоков с атмосферой. Уменьшение длительности подледного периода, отмеченные разными авторами в XXI в.

,
,
,
вносят вклад во взаимодействие устьев рукавов с морским волнением и штормовыми нагонами, высота и частота которых зависит от положения границы распространения многолетних морских льдов. Влияние изменения климата на ледовые условия в дельтах заключается в более раннем вскрытии рукавов и постепенном уменьшении толщины льда, покрывающего рукава дельт. Более тонкий ледяной покров и большая T приводят к более частым «тепловым» вскрытиям вместо «динамических»
.

Оттаивание ММП Сравнение изменения величин Tg и d на побережье Северного ледовитого океана России показывает, что в районе устьев Оби, Лены, Колымы, Анадыря рост Tg приводит к увеличению глубины протаивания

. Обнаруженное в дельтах Печоры и Колымы уменьшение зимних осадков, осредненных по площади водосбора
, способствует более раннему началу весеннего половодья и снижению пиковых значений Q
,
, а также способствует более быстрому освобождению территории от снега и оттаиванию грунта, что приводит к увеличению глубины активного слоя.

Рост Tg в дельте р. Маккензи в период 1970–2008 гг. составил 1.5–2.5ºС, d увеличилась на 8 см за 1983–2008 гг.
. В 2005–2009 гг. зарегистрированный рост d в районе дельты Маккензи, привел к увеличению времени замерзания оттаявшего грунта в аллювиальных низинах (101 день) вдвое по сравнению со временем замерзания возвышенных и не столь увлажненных областей
.
Уменьшение длительности подледного периода t на реках

Рисунок 6 - Уменьшение длительности подледного периода t на реках

Исследования Tg мерзлых пород на севере Аляски в период 1900–1980 гг. показали ее увеличение на 2–4ºС
. На севере Аляски вблизи дельты р. Колвилл увеличение температуры грунта на глубине 1.2 м за 1999–2010 гг. составило более 1ºС
. Исследование изменений температуры грунта на глубине 80 см на 22 станциях в бассейнах рек Яна и Индигирка
показало ее устойчивый рост на 0.03℃/год в период 1966–2015 гг. Таким образом, оттаивание мерзлых пород на территории бассейнов рек, впадающих в Северный Ледовитый океан, вносит некоторый вклад в увеличение стока рек, приводит к изменению свойств грунта и размывам берегов. Катастрофические ямы размыва наблюдаются в рукавах дельты Маккензи, до 30 м глубиной, и их число выросло до 18 в 2004 г.
. Их появление представляет опасность для проходящего под рукавами дельты трубопровода, однако прогнозировать локализацию размывов пока не удается.

Просадка грунта определяется его способностью оседать под действием собственного веса или внешней нагрузки при повышении влажности Просадкам подвержены мелкодисперсные грунты, в частности молодые и рыхлые дельтовые отложения. Разработанные методы с применением спутниковых данных дают среднюю оценку диапазона скорости просадки грунта в полигональной тундре арктических дельт 2–7 мм/год по рядам <10 лет, которая может возрастать до 30 мм/год

. Однозначная связь между глубиной активного слоя и реки пока не установлена. Исследования показали, что скорость изменения глубины активного слоя и просадки грунта сильно зависит от свойств почвы и содержания льда в почве, и от свойств и толщины снежного покрова. Для моделирования и прогноза увеличения глубины активного слоя выбираются участки однородной полигональной тундры
,
 при неизвестной зависимости льдистости грунта от глубины. С ростом T активизируется образование поверхностных таликов, которые вызывают термокарстовые провалы грунта, не поддающиеся прогнозированию.

4. Заключение

Основной вывод работы заключается в том, что влияние таяния ММП в бассейнах и устьях рек представляет важное дополнительное условие при прогнозировании изменений гидролого-морфологического режима дельт арктического и субарктического поясов в условиях роста температуры воздуха. Предпринятое исследование позволяет сделать следующие выводы: (1) Расходы воды в дельтах рек в зоне ММП растут, при этом длительность ледовых явлений и толщина льда на рукавах дельт в XXI-ом веке убывает. (2) Изменение режима осадков на территории бассейнов рек приводит к росту осадков в XXI-ом веке, что вносит положительный вклад в водный баланс дельт. (3) В настоящее время в дельте Юкона, самой южной из рассмотренных, наводнения, вызванные ледяными заторами, незначительны по сравнению с нагонными наводнениями, зависящими от распространения многолетних морских льдов вблизи устьевого взморья. (4)  Данные о вскрытии северных дельт при сравнении с дельтой Юкона позволяют предположить, что при прогнозируемом росте T частота заторных наводнений будет уменьшаться, а штормовых нагонов расти. (5) Таяние льда в грунте зоны ММП и рост толщины активного слоя в бассейнах рек увеличивает величину поверхностного стока с водосбора.

Расчеты и аналитический обзор сделаны автором. При обновлении используемых баз данных в анализе участвуют обновленные расчеты.

Метрика статьи

Просмотров:42
Скачиваний:4
Просмотры
Всего:
Просмотров:42