Многолетние колебания минимального летне-осеннего стока рек Тауйского экорегиона

Общество. Среда. Развитие № 2’2022

На северном побережье Охотского моря наиболее освоенным является Та-уйский экорегион [2], который включает в себя бассейны рек, впадающих в Тауй-скую губу (рис. 1).

Как известно, в настоящее время происходят климатические изменения гидрологического режима рек [8; 10–13]. Этот процесс коснулся и рек Тауйского экорегиона. Так, в [2] установлено, что современные климатические изменения привели к росту минимального месячного зимнего стока этих рек.

В настоящей же работе поставлена цель, проанализировать многолетние колебания минимального летне-осеннего стока рек Тауйского экорегиона в условиях современных климатических изменениях. В качестве характеристики минимального стока взяты минимальные суточные расходы воды.

Минимальные летне-осенние расходы воды рассматриваемых рек наблюдаются во второй половине лета и осенью, но иногда и в июле [4]. Среднемноголетний модуль минимального суточного расхода воды по территории сильно меняется: от 7 до 20 л/ (с∙км2). Реки никогда не пересыхают.

Материалы и методы

Длительные наблюдения за стоком рек Тауйского экорегиона велись на семи гидрологических постах Колымского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (табл. 1). Погодичные значения минимальных суточных расходов воды за летне-осенний период были взяты из [3] и Гидрологических ежегодников Государственного водного кадастра.

Параметры кривой распределения (см. табл. 1) рассчитывались методом моментов с соблюдением требованием [5].

Для анализа изменений климата использовались многолетние наблюдения за температурой воздуха и атмосферными осадками на метеорологической станции Магадан. Эти данные размещены на сайте Всероссийского научно-исследовательского института гидрометеорологической информации – Мирового центра данных [1].

Рис. 1. Северное побережье Охотского моря

Таблица 1

Статистические параметры рядов минимальных суточных расходов воды в летне-осенний период в реках Тауйского экорегиона

Река – пункт (площадь водосбора)	Длина ряда	Среднее, м3/с	Коэффициент вариации	Отношение коэффициента асимметрии к коэффициенту вариации	Коэффициент корреляции смежных лет
Тауй – с. Талон (25 100 км2)	60	177	0,30	4	0
Дукча – п. Снежная Долина (119 км2)	46	2,43	0,40	5	0
Дукча – устье (330 км2)	59	3,93	0,43	2,5	0
Хасын – п. Хасын (682 км2)	80	5,48	0,36	3,5	0
Уптар – п. Уптар (265 км2)	49	2,52	0,41	4	0
Магаданка – г. Магадан (48,5 км2)	47	0,94	0,40	2	0
Каменушка – в 8 км от устья (40,3 км2)	44	0,60	0,38	0,5	0

Методами исследования явились: анализ рядов на наличие тренда с использованием критериев Стьюдента и Херста [9], скользящее осреднение с окном 30 лет, спектральный анализ.

Спектральная функция S ( T ) рассчитывалась с использованием весовой функции Хэмминга по формуле [ 7 ]:

5 ( T ) = 1/ 2 п + ^ [ (0,54 + 0,46cos( nT / m )) r ( t )cos(2 nT / T ) ] / n t =1

где τ – сдвиг по времени с дискретностью 1 год; m – максимальный сдвиг по τ ( m = n/ 2 лет); r ( τ ) – ординаты автокорреляционной функции; T – период ( T = 1, 2, …, m лет).

Построение графических связей производилось при помощи табличного редактора Microsoft Excel.

Результаты и обсуждение

Многолетние колебания минимальных суточных расходов воды связаны между собой: при уровне значимости 5% все коэффициенты корреляции выше критических значений (табл. 2). Учитывая это, можно сделать вывод, что ряды минимального стока являются реализациями одного случайного процесса. Исходя из принципа эргодичности, получить представление о случайном про-

Среда обитания

Матрица коэффициентов корреляции связи минимальных суточных расходов воды в летне-осенний период в реках Тауйского экорегиона

Река – пункт	Тауй – с. Талон	Дукча – п. Снежная Долина	Дукча – устье	Хасын – п. Хасын	Уптар – п. Уптар	Магаданка – г. Магадан	Каменуш-ка – в 8 км от устья
Тауй – с. Талон	1	0,65	0,54	0,55	0,55	0,57	0,45
Дукча – п. Снежная Долина		1	0,71	0,53	0,52	0,57	0,55
Дукча – устье			1	0,52	0,53	0,73	0,66
Хасын – п. Хасын				1	0,53	0,60	0,45
Уптар – п. Уптар					1	0,61	0,56
Магаданка – г. Магадан						1	0,68
Каменушка – в 8 км от устья							1

Общество. Среда. Развитие № 2’2022

Рис. 2. Многолетние колебания минимальных летне-осенних расходов воды р. Хасын (а) и их отклонений от линии тренда (б)

Рис. 3. Спектрограмма

Рис. 4. Скользящие 30-летние средние минимальных расходов воды р. Хасына Q30 (а), сумм атмосферных осадков за июль-сентябрь P30 (б) и среднегодовых температур воздуха T30 (в) в г. Магадане

цессе можно на основе анализа одной из его реализаций [7]. Наиболее длительные наблюдения за стоком имеются на р. Ха-сыне (см. табл. 2).

Многолетние колебания минимального стока р. Хасына имеют тренд на повышение (рис. 2а), по критерию Стьюдента с уровнем значимости 5% ряд неоднороден по среднему. Кроме того, показатель Херста составил 0,71, то есть и по этому критерию ряд содержит тренд.

Ряд минимумов, представленный в отклонениях от линии тренда, уже имеет стационарный вид (рис. 2б), и, судя по спектрограмме, содержит 8-летнюю цикличность (рис. 3).

Учитывая вышеизложенное, можно сказать, что минимальный сток рассматриваемого региона представляет собой нестационарный сложный Марковский случайный процесс со свойствами эргодичности [6].

Для выяснения причин нестационар-ности проанализируем скользящие 30-летние средние минимумов стока, сумм атмосферных осадков за июль-сентябрь и среднегодовых температур воздуха (рис. 4).

Такие графики дают наглядное представление, о том, как меняется со временем «климатическая норма», рассчитанная по 30-летиям. На рис. 4 видно, что все «нормы» характеристик «ползут» вверх. Причем, кривые расходов и осадков поднимаются синхронно, но довольно с большим отставанием от роста среднегодовых температур. Взаимная корреляционная функция показала, что наибольший коэффициент корреляции связи осадков с температурой отмечается с лагом 18 лет. Попробуем объяснить такое запаздывание.

Рост глобальной температуры воздуха приводит к изменениям в характере атмосферной циркуляции, а это видоизменяет режим поступления влаги с моря на сушу. Но из-за большой тепловой инерции Мирового океана происходит почти 20-летнее запаздывание реакции режима осадков на северном побережье Охотско- го моря.

Заключение

В результате проведенного исследования можно сделать следующие выводы. Многолетние колебания минимальных суточных расходов воды рек Тауйского экорегиона содержат тренд на повышение, обусловленный климатическими изменениями, а также 8-летнюю цикличность.

Минимальный сток представляет собой нестационарный сложный Марковский случайный процесс, а, значит, он в принципе прогнозируем.

Временной лаг в 18 лет, по-видимому, связан с тепловой инерцией Мирового океана.

Полученные результаты будут полезны при проведении гидрологических расчетов и разработке методов долгосрочных прогнозов минимального стока.