The changes in climatic conditions of winter and spring runoff formation in the Severnaya Dvina basin according to ground and satellite observations

Abstract

Работа посвящена анализу влияния климатических изменений осенне-зимнего периода на зимний и весенний сток, а также ледовый режим рек в бассейне р. Северная Двина и в его юго-западной части – бассейне р. Малая Северная Двина. Этот вопрос важен в связи с большой повторяемостью заторных наводнений на реках этого региона. Для прогнозирования максимальных заторных уровней на реках бассейна необходим анализ изменений гидрологического режима, происходящих в результате наблюдаемого потепления климата. В теоретической части работы выполнен обзор имеющейся в научных публикациях информации о климатических изменениях в бассейне р. Северная Двина и на сопредельных территориях. Обобщены различные предположения о вероятном их влиянии водный и ледовый режим, а также на повторяемость заторов на реках региона, В практической части работы оценены (посредством расчета линейных трендов и сравнения со «стационарным» периодом) величина и интенсивность многолетних изменений климатических и гидрологических характеристик холодного периода года (с ноября по март) в бассейне р. Малая Северная Двина. Посредством методов корреляционного и регрессионного анализа выявлено и количественно охарактеризовано влияние этих изменений на зимний и весенний сток рек бассейна. Сделаны предположения о вероятных последствиях для повторяемости крупных заторов у г. Великий Устюг. Дополнительно предложено решение проблемы дефицита данных наземных наблюдений о запасе воды в снежном покрове – выполнен сравнительный анализ данных глобальных климатических архивов. Полученные результаты свидетельствуют о повышении температуры воздуха в холодные месяцы, которое началось в исследуемом бассейне во второй половине 1980х годов. Период с отрицательными среднесуточными температурами воздуха становится короче, увеличивается количество оттепелей. Это приводит к сокращению периода ледостава и уменьшению максимальной толщины льда. Кроме того, за счет этого возрастает доля жидких осадков в зимний период. Продолжительность залегания снежного покрова также становится меньше. В последние 20 лет наблюдается уменьшение максимального за зиму запаса воды в снеге, что становится причиной снижения объемов стока весеннего половодья в исследуемом бассейне. Так, происходит внутригодовое перераспределение стока: увеличение зимней и уменьшение весенней его составляющих. Этот эффект наиболее ярко прослеживается на малых реках. Наблюдающиеся изменения как климатических, так и гидрологических характеристик более интенсивны в бассейне р. Сухона, чем в бассейне р. Юг. Их влияние на заторную обстановку у г. Великий Устюг достаточно неоднозначно: с одной стороны, уменьшение максимальной толщины льда может способствовать уменьшению повторяемости заторов; с другой стороны, потепление зимнего периода становится причиной замерзания рек при высоких «зажорных» уровнях воды, что для участка близ города Великий Устюг является ведущим фактором формирования заторов. По результатам оценки альтернативных источников информации о запасе воды в снежном покрове было определено, что глобальные сеточные архивы ESA и СМС содержат информацию, в наибольшей степени соответствующую данным наземных наблюдений. Данные из архивов SWEC, AMSR-E и Blended значительно отличаются от наземных наблюдений, поэтому их использование для решения научных и прикладных задач не рекомендуется.

The main contest of the work is an analyses of cold season climate change impact on winter and spring runoff and rivers ice-regime in Severnaya Dvina and Malaya Severnaya Dvina basins. The topic is important because of frequency of ice-jam floods on rivers in this region. The analyses of hydrological regime reaction on climate worming is necessary for forecasting of ice-induced water levels. In the first part of work there is a review on scientific researches on climate change in Severnaya Dvina river basin. The summary of different supposals about their impact on rivers water and ice regime and ice-jams situation in the region is presented. In the second part the range and intensity of long-term changes of climatic and hydrological characteristics of the cold season (from November to May) in Malaya Severnaya Dvina river basin is evaluated through calculation of the linear trends and comparison with the “stable” period. The impact of these changes on winter and spring runoff is characterized using methods of correlation and regression analyses. The supposals about the probable consequences for the ice-jams formation nearby the city of Velikiy Ustyug are made. In addition, the solution of the problem of the snow water equivalent observation data deficit is suggested based on the comparative analyses of global climate data bases. The results testify that cold months air temperature is increasing till the second half of 1980-s. The period of below-zero (oC) air temperatures is shortening and the amount of thaws is growing. It leads to ice-cover period reduction and maximum ice thickness decreasing. Also, the percentage of liquid precipitation is increasing. The duration of snow-cover existence is declining. The decreasing of maximum snow water equivalent in the last 20 years leads to decline of runoff volume in spring in the research area. As a result, there is a runoff redistribution: increasing of a winter part and decreasing of a spring part. This effect is more significant on small rivers. The depictured changes are more intense in Sukhona basin than in the Yug basin. Their impact on the ice-jam situation nearby the Velikiy Ustyug is ambivalent: from one hand, the decreasing of maximum ice-cover thickness can facilitate the ice-jam frequency decline; from the other hand, the cold season worming becomes a reason for river frozen-up on high water levels, which is a leading ice-jam formation factor nearby Velikiy Ustyug. Following the results of snow water equivalent data bases quality estimation, the global equal-grid archives ESA and CMC content the information, which is highly alight with the observation data. The data from the archives SWEC, AMSR-E and Blended is much different, so using of this information for scientific and engineering researches is not recommended.