Гидрология учебник

Современные и ожидаемые изменения климата и гидросферы земли

В настоящее время человечество становится свидетелем глобальных изменений климата Земли и сопутствующих изменений состояния гидросферы. Эти изменения из области предположений перешли уже в категорию доказанных фактов: происходит общее потепление климата, тают многие ледники, повышается уровень Мирового океана. Идут лишь споры о том, что стало основной причиной этих глобальных изменений климата — астрономические процессы (изменение солнечной активности, положения полюсов Земли и т. д.), естественные периодические колебания системы Мировой океан — ледники, антропогенное увеличение содержания так называемых «парниковых газов» в атмосфере и усиление парникового эффекта.

Гипотеза антропогенного изменения климата, в основу которой положен учет выбросов в атмосферу парниковых газов и прежде всего С0₂, наиболее полно и последовательно отражена в Третьем докладе, подготовленном Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) (IPCC-2001)^⁵. Этот доклад содержит как самые последние оценки происшедших в XX в. изменений климата и гидросферы Земли, так и многовариантные прогнозы глобальных изменений в XXI в.

МГЭИК была учреждена в 1988 г. Программой ООН по окружающей среде и Всемирной метеорологической организацией (ВМО), поэтому ее оценки носят официальный характер и заслуживают более подробного рассмотрения. Весьма важно, что эти оценки в целом нашли подтверждение в материалах Всемирной конференции по изменению климата, которая прошла в Москве 29 сентября — 3 октября 2003 г.^⁶

Глобальные изменения климата и гидросферы в XX в. По оценкам МГЭИК, средняя концентрация диоксида углерода (углекислого газа С0₂) в атмосфере с 1750 по 2000 гг. увеличилась с 0,280 до 0,368 %с, т. е. на 31 %. Основная причина этого — увеличение выбросов газа в атмосферу в результате сжигания органического топлива. Возросло содержание в атмосфере и других парниковых газов — метана СН₄, закиси азота N0₂, озона 0₃ и др. Парниковые газы, а также водяной пар поглощают длинноволновое (инфракрасное) излучение, испускаемое поверхностью Земли, что ведет к нагреванию нижних слоев атмосферы. Такое явление получило название «парниковый эффект». Он был всегда присущ атмосфере Земли, но в последнее столетие усилился.

Средняя глобальная температура поверхности Земли возросла в XX в. на 0,6 °С. При этом температура над поверхностью суши увеличилась сильнее, чем над поверхностью океана. Наибольшее потепление отмечалось в 1910—1945 гг. и с 1979 по 2000 гг., а в 1946—1975 гг. наблюдалось некоторое похолодание. Потепление в Северном полушарии в XX в. было наибольшим за последние 1000 лет. Последние 10 лет XX в. были самыми теплыми, а в 1998 г. отмечалась самая высокая средняя годовая температура.

Количество атмосферных осадков в высоких и средних широтах Северного полушария увеличилось в XX в. на 5—10%. Возросли осадки также и в тропиках. Однако в Северной и Западной Африке и некоторых районах Средиземноморья осадки несколько уменьшились. В высоких и средних широтах Северного полушария возросла повторяемость выпадения обильных осадков и катастрофических дождевых паводков. Вместе с тем увеличились частота и суровость засух в некоторых частях Азии и Африки. В течение последних 20— 30 лет XX в. явления Эль-Ниньо стали более частыми, продолжительными и интенсивными, чем в предшествующие десятилетия.

Происшедшие изменения климата отразились и на состоянии гидросферы. Глобальное потепление в XX в. привело к повсеместному отступанию горных ледников; сокращению площади снежного покрова (на 10 % после 1960 г., когда начались специальные наблюдения); подтаиванию и деградации многолетней мерзлоты в некоторых полярных, субполярных и горных районах; уменьшению толщины льда в арктических морях; сокращению приблизительно на 2 недели длительности ледостава на реках в высоких и средних широтах Северного полушария.

Изменения атмосферных осадков вызвали аналогичные изменения речного стока. Он, в частности, несколько возрос в тропиках и в средних и высоких широтах Северного полушария.

Повышение уровня Мирового океана в течение XX в. оценено в докладе МГЭИК величиной 10—20 см (1—2 мм/год); при этом в разных районах величина подъема уровня океана оказалась разной. Осредненный график повышения уровня океана в XX в. представлен на рис. 3.1, а.

Повышение уровня Мирового океана в XX в. в среднем на 15 см соответствует увеличению объема вод в океане на 54,2 тыс. км³, или всего на 0,004 % полного его^ объема. Средняя интенсивность увеличения объема вод Мирового океана за 100 лет составила 542 км³/год.

Происшедшие изменения климата и гидросферы оказали воздействие и на другие компоненты природной среды и условия жизни людей. В Северном полушарии в течение последних 40 лет период роста растений увеличивался примерно на 1—4 дня за каждые 10 лет. Границы произрастания растений и обитания животных (насекомых, птиц и рыб) сдвинулись в Северном полушарии в сторону полюса и вверх по склонам гор. Ущербы, обусловленные климатическими и гидрологическими явлениями, в последние 40 лет увеличились.

По данным Ю. JI. Воробьева, В. А. Акимова, Ю. И. Соколова (2003)повторяемость катастрофических наводнений на земном шаре

Рис. 3.1. Изменения уровня Мирового океана: по наблюдениям, согласно Первому докладу МГЭИК (1990) (а), и по прогнозу, по данным Третьего доклада МГЭИК (2001) (б). Ожидаемый рост уровня: 1 — максимальный; 2— средний; 3 — минимальный

в последние десятилетия заметно увеличилась; возрос и ущерб, приносимый наводнениями населению и экономике. Специалисты объясняют это нерациональным ведением хозяйства и изменением климата. Площадь территорий на планете, подверженных наводнениям, превышает в настоящее время 3 млн км²; проживает здесь около 1 млрд человек. От наводнений каждый год гибнут тысячи людей, ежегодные убытки составляют десятки миллиардов долларов. Только в одном 2002 г. в мире произошло 261 значительное наводнение, причем 9 из них (в том числе наводнение на юге России) отнесены к числу экстремальных, которые случаются раз в столетие. В результате наводнений в 2002 г., по оценкам Всемирной метеорологической организации, на земном шаре пострадало свыше 17 млн жителей из 80 стран, погибло более 3 тыс. человек, ущерб от бедствий составил более 30 млрд долларов. В России площадь территории, подверженной опасности только паводочных наводнений, составляет 400 тыс. км²; ежегодно затопляется около 50 тыс. км². Средний ежегодный ущерб от наводнений оценивается почти в 42 млрд руб.

Глобальные климатические модели. В последнее время для оценки происходящих, а главное, ожидаемых изменений климата и гидросферы Земли стали широко применять глобальные климатические модели (ГКМ). Современные ГКМ включают в качестве компонентов интерактивные (взаимодействующие между собой) математические модели атмосферы, океана, верхних слоев суши, криосферы (ледниковых систем), биосферы. ГКМ основаны на физических законах и представлены сложной системой дифференциальных уравнений в частных производных.

Проверка ГКМ с использованием данных наблюдений в XX в., проведенная МГЭИК, показала в целом хорошее совпадение фактических и рассчитанных величин изменений климата при известных изменениях концентрации С0₂ в атмосфере. Результаты такой проверки позволяют сделать по крайней мере четыре важных вывода: 1) ГКМ более или менее адекватно отражают происходящие изменения климата; 2) подтверждается ведущая роль содержания С0₂ и парникового эффекта в изменениях климата; 3) подтверждается антропогенная гипотеза изменений климата; 4) ГКМ могут быть использованы для многовариантных и приближенных расчетов возможных изменений климата в XXI в.

Прогнозы глобальных изменений климата и гидросферы в XXI в. Прогностические оценки в докладе МГЭИК сделаны, исходя из различных сценариев изменения выбросов парниковых газов в атмосферу, в свою очередь зависящих от социально-экономических и технологических характеристик различных схем дальнейшего развития человечества. По этой причине прогностические оценки обладают существенной неопределенностью и имеют многовариантный характер.

По разным сценариям МГЭИК, концентрация С0₂ в атмосфере к 2100 г. может возрасти до 0,540—0,970 %о по сравнению с 0,368 %о в 2000 г. Все остальные прогнозы, основанные на сценариях изменения содержания С0₂, также дают большие разбросы ожидаемых величин.

Согласно прогностическим оценкам МГЭИК, средняя температура поверхности Земли повысится с 1990 по 2100 гг. на 1,4—5,8 °С. Это приблизительно в 2—10 раз больше величины потепления, наблюдавшегося в XX в. В периоды с 1990 по 2025 гг. и с 1990 по 2050 гг. прогнозируется возрастание температуры соответственно на 0,4—1,1 и 0,8—2,6 °С. Темпы потепления климата в XXI в. могут оказаться самыми высокими за последние 10 000 лет.

В XXI в. среднее годовое количество атмосферных осадков, по прогнозам МГЭИК, увеличится в высоких широтах Северного полушария (как в летнее, так и в зимнее время); в средних широтах Северного полушария, тропической Африке и в Антарктике в зимнее время; в южной и восточной частях Азии в летнее время.

В Австралии, Центральной Америке и южной части Африки дожди в зимнее время должны уменьшиться.

С точки зрения гидрологии, очень важны оценки возможного изменения возобновляемых водных ресурсов — речного стока. В прогнозах МГЭИК отмечается, что в целом по земному шару прогностические оценки изменения речного стока совпадают с аналогичными оценками изменения атмосферных осадков, хотя в некоторых районах рост осадков может компенсироваться увеличением испарения, вызванным ростом температуры. Более конкретные прогнозы изменения стока зависят от сценария увеличения содержания С0₂ в атмосфере и роста температуры, поэтому все прогнозы изменения речного стока следует рассматривать как весьма приближенные.

Согласно прогнозам МГЭИК, к 2050 г. при условии экстремального увеличения содержания С0₂ до 0,643 %с и роста глобальной температуры на 2,5 °С по сравнению с температурой в 1990 г. ожидается увеличение годового стока рек в высоких широтах Северного полушария (в частности, в Канаде и Сибири) и Юго- Восточной Азии; уменьшение годового стока рек в Центральной Азии, южной части Африки, северной части Южной Америки, Австралии, в южной и центральной Европе.

Что касается изменения стока конкретных рек, то соответствующие прогнозы весьма ненадежны и противоречивы. Однако большинство интерпретаторов выводов МГЭИК сходится во мнении, что в XXI в. заметно возрастет сток таких рек, как Юкон, Макензи, Обь, Енисей, Лена, Амазонка, Ганг и Брахмапутра. При реализации некоторых сценариев может увеличиться и сток Волги.

По оценкам И. А. Шикломанова и В. Ю. Георгиевского (2003), ожидаемое потепление в холодный период года в высоких широтах приведет на большей части России к повышению зимнего стока в результате увеличения частоты и интенсивности оттепелей.

Ледники, по прогнозам, будут в XXI в. постоянно отступать. Снежный покров на суше и площадь морских льдов в Северном полушарии будут продолжать сокращаться. Ледяной покров арктических островов и Гренландии, скорее всего, уменьшится. Ледяной покров в Антарктиде (в особенности в ее центральной части) будет, наоборот, увеличиваться в результате возрастания количества осадков.

В Северном полушарии продолжится сокращение площади и мощности многолетней («вечной») мерзлоты. По некоторым оценкам, южная граница многолетнего промерзания грунтов как в Евразии, так и в Северной Америке может сместиться к северу: в случае увеличения температуры на 2 и 4 °С — соответственно на 5 и 10° с. ш.

Уровень Мирового океана в результате увеличения осадков и речного стока, таяния ледников, а также теплового расширения морской воды, по прогнозам МГЭИК, может возрасти за 1990— 2025, 1990—2050 и 1990—2100 гг. соответственно на 3—14, 5—32 и 9—88 см (рис. 3.1, б). При этом темпы повышения среднего уровня океана будут возрастать (табл. 3.3).

В XXI в. прогнозируются увеличение изменчивости метеорологических и гидрологических явлений; увеличение в ряде районов интенсивности осадков; усиление засух и наводнений, связанных с явлением Эль-Ниньо; увеличение максимальных скоростей ветра и осадков при тропических циклонах и др.

В целом прогнозируемые на XXI в. изменения в гидросфере Земли могут оказать, по мнению МГЭИК, заметное отрицательное

Таблица 3.3. Средние оценки ожидаемого повышения уровня Мирового океана в XXI в. (по материалам Межправительственной группы экспертов по изменению климата (2001))

8,5

Повышение уровня Год по сравнению с уровнем

1990 г., см

Гидрология 2

ПРЕДИСЛОВИЕ 5

ВВЕДЕНИЕ 10

Глава 1 34

ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ ВОД 34

(1.10) 49

(1.11) (1.12) 49

Глава 2 58

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 58

Глава 3 76

КРУГОВОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ И ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ ЗЕМЛИ 76

Глава 4 114

ГИДРОЛОГИЯ ЛЕДНИКОВ 114

Глава 5 ГИДРОЛОГИЯ ПОДЗЕМНЫХ вод 135

777777А¹ г—I² I— \^з ЕЕЕг 152

Глава 6 166

ГИДРОЛОГИЯ РЕК 166

k=f/F, (6.4) 173

₍₆.з9) 213

Глава 7 258

X = /1^ ; (Ю.12) 385

И; 0 411

Изменение уровня за период между указанными годами

мм/год

2,4

4.0

6.0

Примечание. Среднее повышение уровня Мирового океана в XX в., по оценкам МГЭИК, составило 15 см, что соответствует средней интенсивности подъема уровня 1,5 мм/год.

воздействие на население и природу в низинных прибрежных районах, дельтах и на островах (в результате затопления земель и размыва берегов). Например, по оценкам Нобуо Мимуры (2003), повышение уровня океана на 9, 50 и 88 см приведет к затоплению земель на площади, равной соответственно 0,45; 0,65 и 0,83 % площади всей суши. Доля населения, на жизни которого скажется это повышение уровня океана к 2100 г., составит соответственно 1,19; 1,84 и 2,34 % всего населения планеты.

Кроме того, в XXI в. могут возрасти ущербы от паводочных наводнений на реках, оползней, лавин, селей, от эрозии земель в речных бассейнах.

Содержание