Изменение гидрологических характеристик р. Оби под влиянием климатических изменений в 1922-2020 гг. (по данным наблюдений в г. Барнауле)

Abstract

Актуальность работы обусловлена нарушением стационарности гидрологических характеристик под влиянием потепления климата и необходимостью учета изменений стока при гидрологических расчетах и прогнозах. Цель: оценка стационарности гидрологических характеристик и анализ направленных изменений стока реки Оби у г. Барнаула и связанных с ними основных стокоформирующих факторов - температур воздуха и осадков по данным метеостанции г. Барнаула. Методы: комплексный географо-гидрометеорологический анализ, статистический анализ временных рядов, включающий: оценку однородности рядов с использованием критериев Фишера и Стьюдента, тестов Петита, Буишанда и Александерсона; исследование направленных изменений с использованием линейных трендов. Результаты и выводы. Выполнен анализ стационарности рядов метеорологических и гидрологических характеристик по гидропосту Барнаул и метеостанции Барнаул за период с 1922 по 2020 гг. с годовым, сезонным и месячным разрешением; определены годы нарушения однородности временных рядов. На основании выделенных условно однородных периодов выполнена количественная оценка изменений среднемесячных и среднесезонных расходов воды. Проанализированы линейные тренды средних и максимальных расходов и уровней воды, температуры воздуха и осадков, выполнена оценка их значимости. Выявлены климатические причины изменений стока р. Оби. Установлено, что нарушение стационарности рядов гидрологических характеристик является следствием изменения климатических факторов формирования стока, в первую очередь, температуры воздуха. Наиболее значимые изменения стока заключаются в его перераспределении внутри года. Отмечено статистически значимое увеличение расходов зимней межени на 20-30 %. В половодье характерен рост расходов в апреле и снижение - в мае-июне, однако эти изменения статистически незначимые. На фоне увеличения среднегодовых расходов воды произошло уменьшение максимальных расходов и уровней воды, а также снижение дисперсии годового и максимального стока, что говорит об увеличении его естественной зарегулированности. Изменения стока в период зимней межени и половодья выходят за рамки естественных колебаний водности, т. к. существенно изменилось соотношение талого и базисного стока. Начало нового квазистационарного периода на р. Оби в верхнем течении приходится на 80-е гг. XX в., в отличие от рек Европейской части России, у которых нарушение стационарности рядов соответствует началу интенсивного роста температуры в 1970-х гг

Relevance. Violation of hydrological characteristics stationarity caused by climate change and the necessity to take into account the flow change in hydrological studies and prognoses. Aim. To assess the hydrological characteristics evaluation and analyze the Ob River flow directional changes near the city of Barnaul and the flow-forming factors related to the changes (air temperature and precipitations according to the Barnaul meteorological station data). Methods. Complex geographic-hydrological analysis; statistical analysis of time series including the evaluation of the time series homogeneity with the use of the Fisher and Student criteria, the Pettitt's, Buishand's and Alexandersson's tests; directional changes linear rends estimation. Results and conclusions. The authors have examined the meteorological and hydrological characteristics series stationarity according to Barnaul gauging station and Barnaul meteorological station from 1922 to 2020 with the annual, seasonal, and monthly resolution and detected the years with the time series homogeneity violations. Based on the conditionally selected homogenous periods the quantitative assessment of the average monthly and seasonal flow was performed. The linear trends of the average and maximum water flow and level, air temperature and precipitations were examined, their significance was assessed. The climate reasons for the Ob River flow changes were detected. During the study it was established that the hydrological characteristics series stationarity violation is caused by the climate flow-forming factors changes, predominantly by the air temperature changes. The main changes of the flow lie in its redistribution within a year. A statistically significant increase in winter low water discharge was marked, the figures being 20-30%. During the seasonal flood the discharge increases in April and decreases in May and June, however, these changes are not statistically significant. There was a decrease of the maximum water discharge and level as well as the dispersion reduction of the annual and maximum flow amid the increase of the annual average discharge of water, which indicates a natural flow regulation. The flow changes in the winter low water and seasonal flood go beyond natural fluctuations as the meltwater and base-flow ratio significantly changed. The new quasistationary period of the Ob River upper course starts in the 80s of the 20th century unlike the rivers in the European part of Russia, the violation of the time-series stationarity of which is correlated to the intense temperature increase in the 70s of the 20th centur