Научный журнал

Успехи современного естествознания

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Мякишева Н.В. 1 Давыденко Е.В. 1 Орлов Д.А. 1

---

1 Российский государственный гидрометеорологический университет

В работе использовались данные за период инструментальных наблюдений с 1946 по 2017 г. (70 лет). Выполнен вероятностный анализ внутригодовой и многолетней изменчивости уровней воды озера Умбозеро. Для анализа ритмики годовой цикличности уровня воды в озере использовался метод теории периодически коррелированных случайных процессов (ПКСП). Для объяснения выявленных особенностей многолетних колебаний уровня озера привлекались данные наблюдений за температурой воздуха и осадками на метеостанциях Мурманск, Ковдор, Каневка и Янискоски. Для анализа структуры временных рядов выполнялась их фильтрация с помощью методов низкочастотной и высокочастотной фильтрации Баттерворта с частотой среза ω = 0,57 рад./год. Временной ряд индекса де Мартона (αM), рассчитанный по данным наблюдений на ближайшей к озеру метеостанции, позволил проанализировать увлажненность бассейна Умбозера. В работе показано, что в рассматриваемом регионе наблюдается общее потепление климата, на фоне которого четко выражен период относительного похолодания с 1940 по 1970 г. Увеличение осадков отмечается только для метеостанций Мурманск и Янискоски. Выявленное соотношение тепла и влаги приводит к незначительному росту общей увлажненности территории. Для многолетней изменчивости уровня воды в Умбозере характерно наличие статистически значимого линейного тренда на повышение, на фоне которого проявляются периоды локальной нестационарности, когда в течение нескольких лет наблюдается устойчивое увеличение или уменьшение уровня воды в озере. Для внутригодового хода уровня воды в озере Умбозеро характерен максимум в июле, минимум – в апреле. Средняя многолетняя амплитуда колебания составляет 58 см при средней многолетней амплитуде дисперсии – 137 см 2. Полученные результаты позволяют в дальнейшем рассматривать Умбозеро, функционирующее преимущественно в естественном режиме, в качестве озера-аналога при исследовании больших неизученных озёр Мурманской области.

Статья в формате PDF

2287 KB

озеро Умбозеро

уровни воды

разномасштабная изменчивость

вероятностный анализ

1. Мякишева Н.В. Многокритериальная классификация озер. СПб.: Гидрометоиздат, 2009. 153 с.

2. Филатов Н.Н., Руховец Л.А., Назарова Л.Е., Георгиев Л.П., Ефремова Т.В., Пальшин Н.И. Влияние изменений климата на экосистемы озер севера европейской территории России // Ученые записки РГГМУ. 2014. № 34. С. 48–55.

3. Лемешко Н.А., Сперанская Н.А. Особенности увлажнения Европейской территории России в условиях изменяющегося климата // Современные проблемы гидрометеорологии. СПб.: Астерион, 2006. С. 38–54.

4. Рожков В.А. Теория и методы статистического оценивания вероятностных характеристик случайных величин и функций с гидрометеорологическими примерами. СПб.: Гидрометеоиздат, 2002. 780 с.

5. Филатов Н.Н., Выручалкина Т.Ю., Дианский Н.А., Назарова Л.Е., Синюкович В.Н. Внутривековая изменчивость уровня крупнейших озер России // ДАН. 2016. Т. 467. № 5. С. 589–593.

6. Выручалкина Т.Ю., Филатов Н.Н., Дианский Н.А., Гусев А.В. О прогнозе многолетних изменений уровня воды крупных озер // Труды Карельского научного центра РАН. 2016. № 9. С. 3–16.

7. Малинин В.Н., Гордеева С.М. Северо-Атлантическое колебание и увлажнение европейской территории России // Общество. Среда. Развитие. изд. Астерион № 2. 2014. С. 191–198.

8. Нестеров Е.С. Североатлантическое колебание; атмосфера и океан. М.: Триада, ЛТД, 2013. 144 с.

9. Butterworth S. On the theory of filter amplifiers. Exprimental wireless (and the wireless engineer). 1930. Vol. 7. № 85. P. 536-541.

10. Мякишева Н.В., Бирюкова В.А. Разномасштабная изменчивость уровня воды в озерах России. I Озера Арктической зоны // Естественные и технические науки. 2018. № 12. С. 181–187.

11. Мякишева Н.В., Давыденко Е.В., Орлов Д.А. Разномасштабная изменчивость уровня воды в озерах России. II Ладожское озеро // Естественные и технические науки. 2020. № 12. С. 166–172.

12. Давыденко Е.В., Гайдукова Е.В., Дрегваль М.С. Особенности уровенного режима озер Кольского полуострова // Гидрометеорология и экология. 2020. № 61. С. 437–445.

Государственная программа «Социально-экономическое развитие арктической зоны Российской Федерации», действие которой продлено вплоть до 2024 года, предполагает оценку водных ресурсов региона в условиях изменяющегося климата и возрастающей антропогенной нагрузки. Озёра представляют собой ресурсы водоснабжения населения и промышленности, транспортные пути, являются регуляторами стока вытекающих рек, используются для гидротехнического строительства, нужд энергетики и сельского хозяйства.

Уровень воды в больших озерах не только фиксирует водные ресурсы, но и служит интегральным показателем изменений климата на обширных территориях, что чрезвычайно важно при использовании озёрных вод в хозяйственных целях [1; 2].

Уровневый режим озёр формируется под воздействием активных (климатических) и адаптивных (подстилающая поверхность) факторов [3-5]. В формировании климата европейской территории России большую роль играет Северо-Атлантическое колебание (САК) [6-8]. Основа САК заключается в перераспределении атмосферной влаги между Арктикой и субтропической Атлантикой. При этом переход САК из одной фазы в другую вызывает изменения в динамике большинства крупномасштабных атмосферных процессов. В свою очередь климатические факторы – температура воздуха и атмосферные осадки – воздействуют на колебания уровней озер.

Озеро Умбозеро находится в Ловозерском районе Мурманской области, в юго-западной части Кольского полуострова и принадлежит к бассейну Белого моря. Озеро имеет ледниково-тектоническое происхождение, занимая глубокую впадину между Хибинами на западе и тундрами Ловозерья на востоке. Это самое глубокое из больших озёр Кольского полуострова. Умбозеро – 4-е озеро Мурманской области и 42-е озеро России по площади водного зеркала. Общая площадь водосбора озера составляет 2131 км2. Уровень воды не регулируется, годовая амплитуда – 1,2 м. Минимальные уровни наблюдаются в мае, до вскрытия, максимальные – в июле и связаны с пиком снеготаяния. На данном озере проводились преимущественно экологические и гидробиологические изыскания.

В условиях слабой изученности озёр, которая значительно уступает изученности рек, чрезвычайную актуальность приобретает поиск озёр-аналогов. Озеро Умбозеро функционирует преимущественно в естественном режиме и может рассматриваться как озеро-эталон. Выявление закономерностей его функционирования позволит в дальнейшем существенно упростить исследование неизученных водоёмов. Одним из важнейших гидрологических и гидроэкологических показателей озера является уровень воды. Гидрологический режим озера Умбозеро изучен недостаточно. В связи с этим возникает необходимость оценки многолетних и внутригодовых уровневых колебаний в условиях изменяющегося климата.

Особенности многолетних колебаний уровня Умбозера

Для анализа многолетней изменчивости уровня воды в озере использовались средние годовые значения высоты уровня H(t), а также ежегодные последовательности средних величин для всех месяцев года Hi(t), где i = 1,…12. Эти ряды интерпретировались как близкие к стационарным случайным процессам, за основную вероятностную характеристику которых принимались функции распределения вероятностей значений высот уровня F(H) и Fi(H). Дополнительно для детализации особенностей многолетних изменений привлекался и ряд средних месячных уровней.

В работе использовались данные за период инструментальных наблюдений с 1946 по 2017 г. (70 лет). Для изучения структуры временных рядов выполнялась их фильтрация. Традиционно для этих целей применяются различные аппроксимирующие функции (кубические сплайны, преобразование Фурье). B данной работе проводилась фильтрация Баттерворта [9].

Для многолетней изменчивости уровня воды в Умбозере характерно наличие статистически значимого линейного тренда на повышение (рис. 1).

Аналогичные особенности присущи и для ежегодных последовательностей средних значений для всех месяцев года. Однако значимые тренды на повышение уровня наблюдаются только для января, февраля и июня, когда реки и озера рассматриваемого региона находятся на грунтовом питании, которое является естественным регулятором. Зимой дополнительное регулирующее влияние оказывает и ледостав.

Результаты низкочастотной фильтрации Баттерворта с частотой среза ω = 0,57 рад./год позволили выявить периоды локальной нестационарности, когда в течение нескольких лет наблюдается устойчивое увеличение или уменьшение уровня воды в озере. Такие отрезки времени можно рассматривать как ветви «роста» и «спада» колебаний с периодом около 15 лет. Особенно четко такие флуктуации проявились с 1948 по 1962 год.

Для объяснения выявленных особенностей многолетних колебаний уровня озера привлекались данные наблюдений за температурой воздуха и осадками на метеостанциях Мурманск, Ковдор, Каневка и Янискоски (рис. 2).

В используемых рядах температур воздуха и годовых сумм осадков есть пропуски, связанные с отсутствием наблюдений за отдельные месяцы некоторых лет, что не позволяет рассчитать средние годовые значения. Однако, учитывая, что имеющиеся пропуски находятся в различных частях ряда, можно допустить, что их влияние на оценку значимости тренда не существенно.

В рассматриваемом регионе наблюдается общее потепление климата. Для всех рядов средних годовых температур воздуха (кроме м/с Мурманск) характерен статистически значимый тренд на повышение, выраженный, однако, в разной степени для различных станций (табл. 1). Однако на фоне общего потепления наблюдается период относительного похолодания, особенно четко выраженный на метеостанции Мурманск с 1940 по 1970 г. Увеличение осадков отмечается только для метеостанций Мурманск и Янискоски.

Временной ряд индекса де Мартона (αM), рассчитанный по данным наблюдений на ближайшей к озеру метеостанции, отражает незначительное увеличение увлажненности бассейна Умбозера и наличие периодов локальной нестационарности, совпадающих с аналогичными периодами в колебаниях уровня воды в озере.

Особенности внутригодовых колебаний уровня озера

Для анализа ритмики годовой цикличности уровня воды в озере Умбозеро использовался метод теории периодически коррелированных случайных процессов (ПКСП). Теория и методы ПКСП достаточно подробно изложены в работе [4]. Основными вероятностными характеристиками ПКСП являются математическое ожидание m(t), дисперсия D(t), матрица корреляционных зависимостей внутригодовой изменчивости K(t, τ). Оценки вероятностных характеристик ПКСП m*(t), D*(t), K*(t, τ) вычислялись по ряду средних месячных высот уровней воды.

Поскольку ритмика годовой цикличности уровневых колебаний проявляется на фоне низкочастотных изменений, перед проведением расчетов характеристик внутригодового хода последовательно выполнялись низкочастотная и высокочастотная фильтрация Баттерворта с частотой среза ω = 0,57 рад./год (рис. 4).

Отметим, что низкочастотная фильтрация Баттерворта с частотой среза ω = 0,57 рад./год ряда средних месячных уровней позволила более детально выявить периоды локальной нестационарности многолетних колебаний.

На рис. 5 (а, б) представлены графики оценок математического ожидания и дисперсии внутригодовых колебаний уровня воды озера Умбозеро до и после фильтрации ряда.

Ход кривой m*(t) как до, так и после фильтрации имеет четко выраженный сезонный характер: максимум приходится на июль, минимум – на апрель. Амплитуда колебания оценки m*(t) после фильтрации не изменилась и составляет 58 см.

В отличие от хода кривой оценки дисперсии D*(t) до фильтрации, когда минимум достигается в апреле и совпадает с минимумом оценки m*(t), для кривой D*(t) после фильтрации характерно наличие периода минимальных значений с января по апрель. При этом максимум дисперсии до и после фильтрации приходится на июнь.

Амплитуда оценки дисперсии D*(t) после фильтрации значительно уменьшилась – с 380 до 137 см2.

Для оценки внутригодовой коррелированности уровней воды в озере Умбозеро были построены корреляционные зависимости K*(t, τ) для рядов до фильтрации и после фильтрации (рис. 6 а, б).

В табл. 2 приведены параметры авторегрессии первого порядка AR(1), аппроксимирующие корреляционные зависимости, представленные на рис. 6.

Из табл. 2 следует, что параметры AR(1) не значимы в апреле и декабре до фильтрации и с апреля по июнь после фильтрации. Корреляционная связь ослабевает в период прохождения весеннего половодья на реках, впадающих в озеро. В остальное время года, когда преобладающим источником питания являются грунтовые воды, корреляционная связь является тесной.

Данная статья является продолжением цикла, посвященного изучению уровневого режима озер России [10; 11]. Описание водного режима некоторых озер Кольского полуострова также представлено в работе [12].

Выводы

1. Потепление климата в бассейне Умбозера особенно чётко выражено с начала 1970-х годов.

2. Многолетние изменения индекса де Мартона αM и уровня воды в Умбозере достаточно хорошо согласуются и отражают увеличение увлажненности территории. Поэтому временной ход уровней воды в озере можно рассматривать как индикатор изменений климата в его бассейне.

3. Для внутригодового хода уровня воды в озере Умбозеро характерен максимум в июле, минимум – в апреле. Средняя многолетняя амплитуда колебания составляет 58 см при средней многолетней амплитуде дисперсии – 137 см2.

Заключение

Полученные результаты позволяют в дальнейшем рассматривать Умбозеро, функционирующее преимущественно в естественном режиме, в качестве озера-аналога при исследовании больших неизученных озёр Мурманской области, что внесет определенный вклад в освоение арктической зоны.

В дальнейшем предполагается установить связь между уровнем воды и основными составляющими водного баланса Умбозера – речным притоком и стоком.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, № FSZU-2020-0009 «Исследование физических, химических и биологических процессов в атмосфере и гидросфере в условиях изменения климата и антропогенных воздействий».

Библиографическая ссылка