Глава 1. Моделирование гидротермодинамики Ладожского озера.

Руховец Л.А.
Учреждение Российской академии наук
Санкт-Петербургский экономикоматематический институт РАН
Санкт-Петербург
ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА
НА ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ БОЛЬШИХ ОЗЕР
Введение
К концу XX столетия загрязнение природной среды и истощение природных
ресурсов приобрели глобальный характер, т.е. стали проблемами для всего человечества.
Одна из них – дефицит питьевой воды во многих регионах мира. Как отмечается
В.И. Даниловым-Данильяном (2009) в период от 2025 до 2035-2040 гг. объем
водопотребления может достичь уровня экономически доступных водных ресурсов. Этот
прогноз служит важным предупреждением для использования водных ресурсов.
Положение с обеспечением питьевой водой в нашей стране, одной из самых
богатых в мире водными ресурсами, как это ни парадоксально, также становится
проблемой. Так, например, в Северо-Западном регионе России, на территории которого
расположены свыше 100 000 тысяч озер, включая крупнейшие озера Европы – Ладожское
и Онежское, – а также бассейны таких полноводных рек как Печора и Северная Двина,
уровень антропогенной нагрузки на водные объекты настолько высок, что проблема
питьевой воды при сохранении сегодняшних методов эксплуатации природной среды
может стать одной из самых острых.
Как известно, одними из основных накопителей пресной питьевой воды на Земле
являются большие стратифицированные озера. Их судьба, естественно, находится в
центре внимания ученых во всем мире, поскольку именно крупнейшие озерные системы
мира, расположенные в индустриально развитых и густонаселенных районах Европы и
Северной Америки, подверглись наибольшей опасности загрязнения и антропогенного
эвтрофирования.
Антропогенное эвтрофирование, т.е. увеличение первичной продуктивности озер в
результате обогащения их вод биогенными элементами, главным образом, фосфором,
стало во второй половине XX века повсеместным явлением, охватившим около 90 % всех
озер мира, включая крупнейшие из них. Большая часть озер мира расположена в зоне
умеренных широт северного полушария. Рост поступления биогенов, а также увеличение
сброса загрязнений, как следствие промышленного роста, роста населения и
интенсификации сельского хозяйства, привели к развитию процесса антропогенного
эвтрофирования озёр. Одним из первых крупных озер, подвергшихся антропогенному
эвтрофированию с достаточно тяжелыми последствиями, стало американское озеро Эри.
Не избежало развития процесса антропогенного эвтрофирования и одно из самых
северных среди великих озер мира – Ладожское озеро. A priori считалось, что Ладожское
озеро не может постигнуть судьба озера Эри в силу холодности и полноводности Ладоги,
однако рост фосфорной нагрузки привел к середине 80-х годов олиготрофное прежде
озеро к мезотрофному состоянию.
Необходимость борьбы с антропогенным эвтрофированием водоёмов и их
загрязнением, принявшими глобальный характер и сделавшие реальной угрозу качеству и
без того ограниченного запаса континентальных пресных вод, стимулировала проведение
широкого круга исследований в области лимнологии, математического моделирования,
1
экономики, связанных с проблемой сохранения, восстановления и эффективного
использования природных ресурсов больших стратифицированных озер.
Под большими озерами мы имеем в виду озера с горизонтальными размерами в
сотни километров и с глубинами в сотни метров. К их числу относятся самые большие
озера Европы – Ладожское и Онежское, американские Великие озера и, разумеется, озеро
Байкал. Все эти озера в начале XX века были классическими олиготрофными водоёмами,
тогда как к настоящему времени почти все они в той или иной степени затронуты
процессом антропогенного эвтрофирования. Существенной общей особенностью этих
озер вследствие их размеров является весьма значительное время реакции на внешние
воздействия, исчисляемое десятилетиями.
Для моделирования этих озер, для учета перечисленных особенностей, необходимо
создание трехмерных моделей и таких вычислительных алгоритмов, которые позволили
бы проводить расчеты на длительное время для воспроизведения как круглогодичной
циркуляции и температурного режима, так и круглогодичного функционирования их
экосистем.
Другое назначение моделей – прогнозирование изменений в экосистемах при
различных сценариях развития экономики в бассейнах озер и возможных изменениях
климата, т.е. при изменении объемов и характера антропогенной нагрузки и изменениях
условий функционирования экосистем.
Доклад посвящен исследованиям заявленной в названии проблемы с помощью
созданных в нашем институте (СПб ЭМИ РАН) математических моделей для больших
стратифицированных озер. Конкретно в этих исследованиях рассматривается влияние
глобального потепления на экосистемы Ладожского и Онежского озер.
Глобальное потепление климата, несмотря на различие взглядов на причины этого
явления, подтверждено специалистами в многочисленных публикациях. Исследованию
этого феномена, в том числе на территории России, посвящено много крупных
международных программ. Согласно данным наблюдений, в высоких широтах Северного
полушария происходят значительные изменения климата. Так, потепление климата на
территории России выразилось в том, что среднегодовая приземная температура воздуха
за последнее столетие выросла на 0.9 С, тогда как глобальная среднегодовая температура
увеличилась на 0.6 С.
Анализу тенденций и прогнозу изменений климата на Северо-Западе России
посвящено много работ (Голицын и др., 2000, 2002; Мелешко и др., 2004 и т.д.). Эти
исследования основаны на анализе временных рядов данных наблюдений и на результатах
моделирования с помощью моделей общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО) и
моделей общей циркуляции атмосферы (МОЦА).
Достаточно очевидно, что возможные изменения глобального климата могут иметь
разнообразные (в том числе, негативные) экологические и социальные последствия для
страны в целом и для Северо-Запада России, в частности. Изучение этих последствий,
учитывая наблюдающийся в стране экономический рост, весьма актуально.
Экономический рост происходит в значительной степени за счет развития сырьевых
отраслей, что приводит, как правило, к увеличению антропогенной (техногенной)
нагрузки на природные экосистемы.
Основной целью данной работы, как уже отмечалось, является получение оценок
изменений в экосистемах Ладожского и Онежского озер под воздействием возможных
изменений климата на их водосборе при различных уровнях антропогенной нагрузки на
озера. Основной инструмент исследований – математические компьютерные модели:
2
модель гидротермодинамики больших стратифицированных озер и модели экосистем озер
(Моделирование экосистем больших..., 2003).
Хорошо известно, что с 1962 г. для Ладожского озера началось антропогенное
эвтрофирование. К началу 80-х годов озеро перешло из олиготрофного состояния в
мезотрофное (Антропогенное эвтрофирование …, 1982; Ладожское озеро …, 1992).
Процесс антропогенного эвтрофирования Ладожского озера был воспроизведен с
помощью модели экосистемы Ладожского озера для периода с 1962 по 2000 гг.
Результаты моделирования позволили уточнить количественные оценки процессов
переноса и трансформации субстанций, описывающих состояние экосистемы озера.
Для получения оценок влияния изменений климата на экосистемы Ладожского и
Онежского озер с помощью моделей гидротермодинамики были воспроизведены режимы
циркуляции озер для различных вариантов внешних воздействий на озера. Далее, с
помощью
моделей
экосистем мы
воспроизвели
режимы круглогодичного
функционирования экосистем Ладожского и Онежского озер для различных сценариев
изменения антропогенной нагрузки, прежде всего, фосфорной нагрузки на водоемы,
используя полученные результаты об изменениях физических параметров водного тела
озер (трехмерные поля круглогодичной трансформации температуры воды в озере,
скоростей течений, условий перемешивания и т.д.).
На основе анализа результатов воспроизведения функционирования экосистем озер
было оценено влияние изменений климата на экосистемы в перспективе, приблизительно
к середине XXI века.
Моделирование течений и температуры водного тела озер
Основная цель моделирования гидротермодинамического режима больших
стратифицированных озер в наших исследованиях – обеспечение экологических моделей
информацией об абиотических факторах природной среды, прежде всего, о
гидрофизических процессах, определяющих условия, в которых функционирует водная
экосистема.
Первой с помощью модели гидротермодинамики была воспроизведена
круглогодичная циркуляция Ладожского озера (скорости течений и температурный
режим), названная климатической. Эта циркуляция соответствует климатическим
условиям второй половины XX века. Это означает, что все внешние воздействия на
водоем (ветер, обмен теплом между водным телом и атмосферой через поверхность
водоема, речной приток и сток, осадки и испарения) соответствуют средним многолетним
данным (Тихомиров, 1982; Филатов, 1991).
Для того чтобы оценить воздействие изменений климата на водосборе озер в
результате глобального потепления на экосистемы озер, необходимо сначала оценить
воздействие климатических изменений на циркуляцию озер. Для моделирования
гидротермодинамического режима озер наиболее значимыми внешними воздействиями на
водоем являются поток тепла через поверхность водоема и суммарный приток воды
(речной приток + осадки – испарения). Для их определения необходимы данные о годовом
ходе составляющих теплового и водного балансов водосбора озера.
Для задания потока тепла и суммарного притока воды в озеро в условиях будущего
изменения климата на водосборе озера можно было бы использовать результаты
прогностических расчетов. В работах (Мелешко и др., 2004; Голицын и др., 2000, 2002)
приводятся результаты прогностических расчетов с помощью глобальных моделей
возможных изменений климата на территории России и, в частности, на Северо-Западе
для различных сценариев изменения концентрации CO2 и других парниковых газов в
атмосфере планеты.
3
Поскольку авторы в (Руховец и др., 2006; Rukhovets & Filatov (Eds), 2009)
поставили своей задачей получить лишь оценки возможных изменений в
гидротермодинамическом режиме озер, то ими был выбран подход, в котором не
использовались непосредственно результаты прогностических расчетов. Исходя из того,
что изменения климата на водосборе озера определяют изменения теплового потока через
поверхность водоема и суммарного притока воды, авторы при моделировании изменяли
эти внешние воздействия на водоем, используя ретроспективные данные.
Используя средние многолетние ретроспективные данные о тепловом режиме
Ладожского озера (Тихомиров, 1982; Филатов, 1991) и данные о водном балансе озера
(Гидрологический режим …, 1966), в (Руховец и др., 2006) построены ещё четыре
циркуляции Ладожского озера, названные, соответственно, теплой, теплой с повышенным
притоком, теплой с пониженным притоком и холодной. Первая из этих циркуляций
соответствует аномально теплому температурному режиму озера, сконструированному на
основе данных наблюдений – тепловой запас озера на середину каждого месяца года
соответствует самому большому из зарегистрированных в ходе наблюдений, и среднему
многолетнему значению водного притока в озеро. Вторая и третья циркуляции
соответствуют тому же самому тепловому режиму озера, причем вторая соответствует
аномально большому значению водного притока, а третья – аномально малому значению
водного притока из зарегистрированных в ходе наблюдений. Холодная циркуляция
соответствует аномально холодному температурному режиму озера, также
сконструированному на основе данных наблюдений, и среднему многолетнему значению
водного притока в озеро.
По той же схеме, что и для Ладожского озера, проводились исследования для
Онежского озера. Следует отметить, что ситуация с состоянием экосистемы Онежского
озера иная. Процесс антропогенного эвтрофирования озера, в основном, затронул лишь
заливы, особенно Петрозаводскую и Кондопожскую губы. Глубоководная центральная
часть Онежского озера сохраняет олиготрофный статус с высоким качеством своих вод.
Развитие экономики на водосборе Онежского озера, особенно добывающих и
обрабатывающих отраслей, делает актуальными исследования и для Онежского озера.
Моделирование изменений в экосистемах озер под влиянием климатических факторов
Для оценки воздействий изменения климата на экосистемы озер для каждой из
пяти построенных циркуляций были проведены расчеты функционирования экосистем
озер при фиксированной фосфорной нагрузке. Физическое время построения
периодических решений составляло не менее 15 лет.
Для трех теплых циркуляций, соответствующих возможным изменениям климата
при глобальном потеплении, изменения биомассы фитопланктона, в основном, относится
к осеннему периоду, что согласуется с более заметными изменениями в температурном
режиме.
Рассмотрение динамики развития фитопланктона в различных точках озера
позволяет оценить пространственное разнообразие условий, в основном, связанное с
различиями в температурном режиме. Полученные в вычислительных экспериментах
различия в продуктивности фитопланктона при фиксированной от года к году фосфорной
нагрузке, определяются изменениями в гидротермодинамическом режиме озера. Эти
различия заметно уступают изменениям, связанным с изменениями фосфорной нагрузки.
Результаты вычислительных экспериментов показывают, что влияние изменения
абиотических условий в озере на функционирование экосистемы при фиксированной
фосфорной нагрузке невелико.
4
Для Онежского озера влияние изменений абиотических условий в озере на
функционирование его экосистемы более заметное, хотя оно также невелико.
Моделирование изменений в экосистеме Ладожского озера под влиянием
антропогенных и климатических факторов
В работах (Меншуткин & Воробьева, 1987; Rukhovets et al., 2003) для Ладожского
озера было показано, что в условиях климатической циркуляции при фосфорной нагрузке,
не превышающей 4000 т P/год озеро остается в перспективе в слабо мезотрофном
(близком к олиготрофному) состоянии. Это позволяет принять эту величину за
допустимую границу фосфорной нагрузки на водоем. Далее, в тех же работах
представлены результаты, показывающие, что нагрузка, превышающая 7400 т P/год,
приводит в перспективе к деградации экосистемы озера, к ускорению перехода озера в
эвтрофное состояние.
В работах (Руховец и др., 2006; Rukhovets & Filatov (Eds.), 2009) приведены
результаты вычислительных экспериментов по воспроизведению функционирования
экосистемы Ладожского озера на период от 2000 до 2015 гг. для трех циркуляций (теплой,
теплой с повышенным притоком и климатической) при нагрузках 4000 т P/год и
7400 т P/год. Расчеты показали, что для всех циркуляций реакция экосистемы озера на
изменение фосфорной нагрузки практически та же, что и для климатической циркуляции.
Выводы
Полученные
в
вычислительных
экспериментах
изменения
в
гидротермодинамическом режиме Ладожского озера при различных вариантах внешних
воздействий на водоем, соответствующих возможным изменениям климата на водосборе
озера, оказались незначительными. Наибольшие изменения по сравнению с
климатической циркуляцией, построенной по средним многолетним данным, имеют место
для теплой циркуляции с повышенным притоком. Построенные циркуляции, кроме того,
позволили получить представление о границах межгодовой изменчивости основных
характеристик крупномасштабной циркуляции озера.
Результаты моделирования функционирования экосистемы Ладожского озера для
различных циркуляций показали, что наибольшие изменения в экосистеме имеют место
для теплой циркуляции с повышенным притоком. При сохранении фосфорной нагрузки на
уровне 4000 т Р/год состояние озера можно определить как слабо мезотрофное. При росте
фосфорной нагрузки до критического значения в 7400 т Р/год наибольшие отличия имеют
место для теплой циркуляции и к 2015 г. озеро возвращается к состоянию, имевшему
место в 1982 г. при наиболее высокой фосфорной нагрузке в 8100 т Р/год.
Результаты моделирования функционирования экосистемы Онежского озера
отличаются только тем, что ввиду более северного расположения реакция его экосистемы
на климатические изменения несколько более заметная.
Решающим фактором, определяющим состояние экосистемы большого
стратифицированного Ладожского озера, является уровень антропогенной нагрузки.
Климатические изменения, как показывают наши оценки, лишь усиливают или ослабляют
до некоторой степени воздействие антропогенного фактора.
Проведенное исследование показало также, что ассимиляционный потенциал
экосистем озер от изменения климата, по крайней мере до середины XXI века не
изменится. Если учесть что ассимиляционный потенциал природных экосистем является
важной частью природного богатства страны, то этот вывод является важным.
При возросшем внимании к проблеме глобального потепления климата вызывает
интерес изучение влияния климатических изменений на состояние биосферы в целом и на
5
состояние отдельных ее составляющих, в частности, на экосистемы крупных
пресноводных озер – запасников питьевой воды. Поэтому вычислительные эксперименты
по оценке возможных изменений в экосистемах озер представляются весьма значимыми.
Однако проведенные исследования необходимо продолжить по мере уточнения прогнозов
изменения климата на водосборах озер и усовершенствования моделей.
В заключение следует отметить, что в докладе представлены исследования,
в которых принимали участие сотрудники СПб ЭМИ РАН д.ф.-м.н., профессор
Г.П. Астраханцев, д.б.н., профессор В.В. Меншуткин, к.т.н. Т.Р. Минина, В.Н. Полосков и
сотрудница Института озероведения РАН д.б.н. Н.А. Петрова.
Литература
Антропогенное эвтрофирование Ладожского озера / Под ред. Петровой Н.А. М.; Л.: Наука, 1982.
304 с.
Гидрологический режим и водный баланс Ладожского озера / Под ред. Малининой Т.И. Л.: Изд-во
ЛГУ, 1966. 324 с.
Голицын Г.С., Ефимова Л.К., Мохов И.И. и др. Изменения температуры и осадков в бассейне
Ладожского озера по расчетам климатической модели общей циркуляции в XIX—XXI вв.
// Изв. РГО. 2002. Т. 134. Вып. 6. С. 36-47.
Голицын Г.С., Мелешко В.П., Ефимова Л.К. и др. Составляющие водного и теплового балансов на
водосборе Ладожского озера по фактическим и модельным данным // Ладожское озеро.
Мониторинг, исследование современного состояния и проблемы управления Ладожским
озером и другими большими озерами / Под ред. Филатова Н.Н. Петрозаводск: Изд-во КарНЦ
РАН, 2000. С. 312-319.
Данилов-Данильян В.И. Водные ресурсы – стратегический фактор долгосрочного развития
экономики России // Вестник РАН, 2009, т.79, № 9. С. 789-798.
Ладожское озеро – критерии состояния экосистемы / Под ред. Петровой Н.А., Тержевика А.Ю.
СПб.: Наука, 1992. 326 с.
Мелешко В.П., Катцов В.М., Говоркова В.А. и др. Антропогенные изменения климата в 21 веке в
Северной Евразии // Метеорология и гидрология. 2004. № 7. С. 5-26.
Меншуткин В.В., Воробьева О.Н. Модель экосистемы Ладожского озера // Современное состояние
экосистемы Ладожского озера. Л.: Наука, 1987. С. 187-200.
Моделирование экосистем больших стратифицированных озер / Под ред. Руховца Л.А. СПб.:
Наука, 2003. 363с.
Руховец Л.А., Астраханцев Г.П., Минина Т.Р., Петрова Н.А., Полосков В.Н. Оценка возможных
изменений в экосистеме Ладожского озера в 21 веке под влиянием антропогенных и
климатических факторов // Водные ресурсы, 2006. Т. 33, № 3. С. 367-382.
Тихомиров А.И. Термика крупных озер. Л.: Наука, 1982. 232 с.
Филатов Н.Н. Гидродинамика озер. СПб.: Наука, 1991. 200 с.
Rukhovets L.A., Astrakhantsev G.P., Menshutkin V.V., Minina T.R., Petrova N.A., Poloskov V.N., 2003.
Development of Lake Ladoga Ecosystem Models: Modelling of the Phytoplankton Succession in the
Eutrophication Process. I. // Ecol. Modelling, v. 165, N 1, p. 49-77.
Rukhovets L.A., Filatov N.N. (Eds.). 2009. Ladoga and Onego – Great European Lakes: Observation and
Modeling. Springer-Praxis Publishing. 320 p.
6