INFLUENCE OF CLIMATE CHANGE ON CONDITIONS OF WATER DISCHARGE FORMATION IN SUBARCTIC DELTAS
INFLUENCE OF CLIMATE CHANGE ON CONDITIONS OF WATER DISCHARGE FORMATION IN SUBARCTIC DELTAS
Abstract
The hydrological regime of subarctic deltas is studied: water discharge, precipitation, duration of the subglacial period and ice cover thickness and their changes. Precipitation in the territory of the basins above the tops of river deltas in the XXI century is increasing. The dependence of the sub-ice period duration and ice thickness on the geographical latitude of the area is noted. Changes in the ice regime of subarctic estuaries under the influence of climate change are discussed. Studies of the southernmost subarctic Yukon delta have shown that storm surges are the predominant cause of flooding. As average air temperatures continue to rise, the role of ice blockings in causing flooding in other rivers will become less important. An analytical review of data on ground thawing and growth of the seasonally thawed layer depth in the permafrost zone under climate change conditions is given. The possibility of predicting the occurrence of hazardous events in subarctic deltas is discussed.
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/с | 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, 0,48– Нарьян-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, |
Рисунок 1 - Изменение Q на г/п Воронцово, р. Индигирка (1937–1998 гг.), и Юбилейная, р. Яна (1972–2007 гг.) с10% и 20% соответственно
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.
Рисунок 2 - Изменение P на м/п Усть-Мома, р. Индигирка, 1967–2022 гг.
Рисунок 3 - Скорость изменения Q (1) в зависимости от среднегодовых величин сумм осадков <P> (2) в дельтах рек из Таблицы 1
Рисунок 4 - Изменение длительности ледостава t и толщины льда d в дельтах рек из Таблицы 1 в зависимости от широты ВД
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.
Рисунок 5 - Даты вскрытия р. Юкон на г/п Пайлот-Стэйшн
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.
Рисунок 6 - Уменьшение длительности подледного периода t на реках
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.