4 Актуальность проблемы. Термический режим водоема определяется
климатическими особенностями региона, в котором он расположен. Перераспределение тепла в водной массе зависит от морфометрических характеристик водоема, и прежде всего — от площади и глубины. В свою очередь, термический режим озер в значительной мере определяет развитие физических, химических и биологических процессов в водоемах. Па экологическое состояние озер большое влияние оказывают изменения температуры воды, они сказываются, прежде всего, на биопродуктивности водоема. Повышенные значения температуры воды способствуют развитию процессов эвтрофирования и зарастания озер, увеличению кормовой базы рыб и т.д., наоборот, понижение температуры приводит к снижению биопродуктивности озер.
Объектом данного исследования являются озера Северо-Запада России и Финляндии. Среди крупных озер особое внимание уделено Онежскому озеру, снабжающему водой крупные населенные пункты Карелии, в том числе г. Петрозаводск. Предметом исследования являются среднемноголетние распределения температуры воды разнотипных водоемов.
На рассматриваемой в данной работе территории Северо-Запада России находится около 200 000 озер, кроме того, к анализу привлекались озера Финляндии, на территории которой расположено 75 000 озер (Китаев, 1984). Несмотря на огромное количество озер в регионе, регулярные наблюдения за температурой воды проводятся менее чем на 100 водоемах. За последние годы озерная сеть гидрологических постов страны сократилась на 25%, причем в основном за счет средних и малых водоемов озерных районов (Румянцев и др., 2004). Создание и использование численных моделей для диагностических и
5 прогностических расчетов термического режима водоемов достаточно трудоемко и
требует специалистов высокой квалификации, а также большого объема гидрометеорологических данных. Альтернативным решением данной проблемы является исследование зависимостей термического режима разнотипных водоемов от географических факторов и их морфомстрических характеристик и разработка серии регрессионных моделей на основе многочисленных эмпирических данных.
Влияние различных географических факторов на термический режим пресноводных водоемов проанализировано во многих работах. При рассмотрении озер Земли в целом или одного из полушарий в основном принимается во внимание зональность инсоляции и обычно исследуется влияние географической широты ср и высоты над уровнем моря Z на элементы теплового баланса водоемов (Адаменко, 1985), кратность полного перемешивания водных масс в годовом термическом цикле (Hutchinson, Loffler, 1956), средние и экстремальные значения температуры поверхности воды (Рянжин, 1991) и ее годовой ход (Strashkraba, 1980; Страшкраба, Гнаук, 1989). При исследовании озер одной климатической зоны обычно учитывается влияние лишь геометрических размеров и формы строения озерных котловин на термическую стратификацию и перемешивание (Хатчинсон, 1969; Хомскис, 1969), глубины летнего эпилимниона и термоклина (Arai, 1981; Gorham, Boyce, 1989; Patalas, 1984), тепловой бюджет (Birge, 1915; Gorham, 1964; Форш, 1974; Якушко, 1971). Такое разделение на глобальный и региональный подходы (главным образом для упрощения анализа зависимости элементов термического режима озер от отдельных географических факторов) ограничивает использование полученных результатов на практике в довольно узких рамках: по морфометрии водоемов или по их расположению в координатах <р и Z. Поэтому
6
одной из актуальных проблем лимнологии следует считать выявление связей и закономерностей, определяющих формирование и развитие термической структуры в озерах, разнообразных по своим морфометрическим характеристикам и расположенных в разных климатических условиях, у^ Цели и задачи исследования. Цель исследования — установить
щ
закономерности изменчивости термического режима разнотипных водоемов Северо-Запада России в зависимости от физико-географических факторов и озерной морфометрии и разработать методы их оценки на основе анализа натурных данных.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
— сформировать ряды данных по температуре воды разнотипных озер Северо-Запада России и их физико-географическим характеристикам;
— получить количественные выражения для условий возникновения устойчивой термической стратификации в разнотипных озерах в зависимости от их геометрических размеров;
- оценить влияние различных географических факторов на вертикальную термическую структуру разнотипных водоемов и установить регрессионные зависимости между температурой воды па стандартных горизонтах и характеристиками озер;
- оценить влияние географической широты и морфометрических особенностей водоемов на сезонный ход температуры поверхности воды;
v^ - исследовать применимость известных функций для аппроксимации натурных данных годового хода температуры воды на различных горизонтах в разнотипных водоемах;
7
- исследовать пространственно-временную изменчивость средпемпоголетней
температуры воды в Онежском озере;
- оценить влияние изменчивости температуры воздуха на вертикальную термическую структуру Петрозаводской губы Онежского озера.
В соответствии с задачами определены основные методы исследований — методы корреляционного и регрессионного анализа данных и метод стохастического моделирования.
Научная новизна и основные научные положения, выносимые на защиту:
- на примере разнотипных озер Северо-Запада Европейской территории России и Финляндии впервые разработаны доступные широкому кругу специалистов оперативные методы оценки влияния физико-географических закономерностей и озерной морфометрии на ход температуры поверхности воды и на вертикальную термическую структуру водоемов;
- установлено, что среднемноголетняя температура верхнего пятиметрового слоя озер в период максимального прогрева определяется главным образом зональными факторами, а в слое скачка и гиполимнионе наибольшее влияние на нее оказывают морфометрические характеристики водных объектов. Скорость нагревания водоемов умеренной зоны в весенне-летний период зависит одновременно от их географического положения и геометрических размеров, в то время как охлаждение в осенний период— преимущественно от глубины;
- предложена аппроксимирующая функция для описания среднемноголетних ежедневных значений температуры поверхности воды 54 озер Европы и ежедневного хода температуры воды на стандартных горизонтах в глубоководных озерах (Онежском, Инари, Каллавеси);
8
- благодаря разработанной методике впервые получены ежедневные средние
пространственные распределения температуры воды Онежского озера, построены карты-схемы распределения температуры воды па стандартных горизонтах на 1-ое число каждого месяца, количественно оценена интенсивность нагревания и охлаждения различных слоев воды;
- установлены регрессионные зависимости между эмпирическими параметрами модели для температуры воздуха и воды, которые позволяют прогнозировать сезонные изменения вертикальной термической структуры Петрозаводской губы Онежского озера при различных сценариях изменения регионального климата.
Практическая значимость работы. Основные результаты получены автором в ш^/ рамках научно-исследовательских тем, выполнявшихся в Институте водных проблем Севера Карельского научного центра РАН (ИВПС КарНЦ РАН), а также при проведении исследований по проекту РФФИ (грант №02-05-97508р).
Полученные результаты могут быть использованы для вычисления характерной температуры воды в озерах, на которых нет стационарных ¦^^ наблюдений, а также для совершенствования термических классификаций озер и калибровки боксовых экологических моделей. Разработанные стохастические модели позволяют оперативно проводить оценки термического режима водоемов (по вертикальной термической структуре, сезонным изменениям температуры поверхности воды, толщине эпилимниона), используя при этом ограниченную географическую информацию о водных объектах. В силу своей простоты эмпирические модели доступны широкому кругу специалистов для решения многих научных и практических задач, например, при строительстве водохранилищ или при изменении уровенного и водного режима озер.
9 Информационную основу исследований составили результаты
инструментальных наблюдений на сети станций и постов Северо-Западного межрегионального территориального управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Росгидромета, а также государственной системы гидрометеорологических наблюдений Финляндии. Достоверность результатов работы обоснована привлечением большого объема данных стандартных наблюдений и использованием современных методов их статистического анализа.
Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации были представлены на 5 международных научных конференциях: «Биологические ресурсы водоемов бассейна Балтийского моря» (Петрозаводск, 1991), на III международном Ладожском симпозиуме «Мониторинг и устойчивое управление Ладожским озером и другими крупными озерами» (Петрозаводск, 1999); «Экология северных территорий России. Прогноз ситуации, пути развития, решения» (Архангельск, 2002), на IV международном Ладожском симпозиуме (Новгород, 2002), на VI конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» (Москва, 2004).
Публикации. Результаты диссертации представлены в 20 научных публикациях. Диссертация написана на основе материалов многолетних исследований автора. Все работы, результаты которых приведены в диссертации, выполнены лично автором или вместе с соавторами.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, УР» заключения; изложена на 136 страницах, включает 24 рисунка, 5 таблиц, библиографический список использованной литературы из 117 наименований.
т
10 Глава I. ВЛИЯНИИ. ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ И
МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НА ТЕРМИЧЕСКУЮ
СТРУКТУРУ ОЗЕР
1.1. Термический режим водоемов как следствие физико-географической
зональности
Состояние озера как географического объекта в значительной степени определяется географическим положением, континентальностью и барико-циркуляционными условиями атмосферы. Среди главных климатообразующих факторов первичным является астрономический фактор - пространственно-временная изменчивость высоты Солнца. Распределение изолиний годового радиационного баланса поверхности, отражая совместно влияние астрономического и циркуляционного факторов и особенностей подстилающей поверхности, имеет в основном широтный характер (Алисов, 1969; Пивоварова, 1977; Багрова, 1983; Адаменко, 1985). Поэтому годовой оборот тепла в озерах определяется в первую очередь их географическим положением и высотой над уровнем моря, увеличение которой дает эффект возрастания географической широты. Коэффициенты корреляции широты с суммарной радиацией и с радиационным балансом статистически значимы и весьма высоки, т.е. -0,83 и -0,93 соответственно (Адаменко, 1985).
Влияние физико-географической зональности на термический режим пресноводных водоемов рассматривается во многих лимнологических работах. Еще основоположник лимнологии Ф. Форель (Forel, 1892) предложил
классификацию озер, основанную на принципе широтой и высотной физико-географической зональности. На основании проведенных исследований годового термического цикла в пресноводных озерах умеренных широт Ф. Форель показал, что распределение тепла в них связано с аномалией плотности воды и дважды в год, когда водные массы приближаются к температуре максимальной плотности {Т,т1 ~ 4°С), возникает их полная циркуляция. Ф. Форель разделил все пресноводные озера мира на три типа: - полярные, с температурой воды Тт-т < Ттах < 4°С; -умеренные, с температурой воды Гп1;„ < 4°С < Ттах; -тропические, с температурой воды 4°С < Гт!п < Гтач.
Последующие классификации по мере появления новых данных, особенно по районам, ранее не изученным, дополняли и расширяли классификацию Фореля. Дж. Хатчинсон и X. Леффлер (Hutchinson, Loffler, 1956), развивая классификацию Фореля, предложили взять за основу число периодов полного перемешивания озер в течение года, учитывая связь этого процесса с климатической зональностью и вертикальной поясностью. Согласно их классификации полярные амиктические (неперемешивающиеся) озера круглый год покрыты льдом, в холодных мономиктических озерах перемешивание происходит в течение лета, а температура воды не поднимается выше 4°С. В димиктических озерах летом и зимой устанавливаются прямая и обратная термические стратификации, а дважды в год -весной и осенью они полностью перемешиваются. Их наибольшая температура
т
г зимой ниже 4°С, а летом наименьшая температура выше 4°С. В теплых
мономиктических озерах наблюдается лишь один период осенне-зимнего перемешивания. Минимальные значения температуры в них не опускаются ниже
12 4°С. Полимиктическис озера характеризуются часто возникающей или постоянно
существующей вертикальной циркуляцией вод. Олигомиктические озера имеют относительно редкие периоды вертикальной циркуляции.
Термические классификации, основанные на принципе физико- географической зональности, уточняли, дополняли и развивали многие исследователи (Ruttner, 1931; Yoshimura, 1936; Zafar, 1959; Рянжин, 1989 и др.). С. В. Рянжиным (1989, 1990, 1991) была уточнена классификация Хатчинсона-Леффлера относительно географических границ распространения водоемов разных типов и расширена для части теплых тропических и высокогорных озер. Он рассчитал среднестатистические границы между классами и высказал предположение о возможности существования озер других термических типов.
Подробный обзор термических классификаций приведен в работах С. П. Китаева (1984) и Н. П. Смирновой (1993). Здесь следует отметить, что влияние географической широты <р и высоты над уровнем моря Z на элементы теплового баланса водоемов принимается во внимание обычно при так называемом глобальном подходе, т. е. при рассмотрении озер Земли в целом, или одного из полушарий. При глобальном подходе в классификациях не рассматриваются морфометрические характеристики и не учитываются мелководные озера. Этот пробел попытался восполнить В. М. Левис (Lewis, 1983). Он усовершенствовал классификацию Хатчинсона-Лефлера, включив мелководные озера. Поэтому кроме широты и высоты над уровнем моря в его классификации учтены длина разгона ветра для малых (< 5 км) и больших озер (5-25 км) и глубина перемешивания.
В перечисленных выше классификациях, а также в работах, рассмотренных С. П. Китаевым (1984) и Н. П. Смирновой (1993), учитывается влияние
13 географических факторов на формирование термического режима озер, однако
самих количественных оценок их влияния на температуру воды или глубину залегания термоклина сравнительно не много. Среди них можно выделить работы М. Страшкрабы (1989), С. В. Рянжина (1989, 1991), Т. Арая (Arai, 1981), К. Паталаса (Patalas, 1984), Е. Горхам и Ф. М. Бойса (Gorham, Boyce, 1989).
М. Страшкраба в результате аппроксимации данных годового хода температуры 50 озер и регрессионного анализа установил количественные зависимости среднегодовых и экстремальных значений температуры поверхности воды от географической широты. Его зависимости справедливы для нетропических и незамерзающих озер, расположенных вблизи уровня моря (Strashkraba, 1980; Хендерсон-Селлерс, 1987). Годовые изменения температуры поверхности водоемов он описывает регрессионным уравнением:
T(i,0)=AQ+Als\n[z(t+0)/№], (1.1)
где / - момент времени года (по Юлианскому календарю), Ф - фазовый угол (равный примерно 240 и 60 для северной и южной полусферы соответственно).
Коэффициенты Ао и А\ - функции широты, которые для озер средних размеров параметризуются следующим образом:
Л0=28,12-0,34Ф±2,41 (г2 =-0,95);
Л, = 0,5397 -0,04501Ф' + 0,01463(Ф')2 -0,00019б(Ф')* {г2 = 0,942), где Ф' = Ф-3,4 (Ф измеряется в градусах).
С. В. Рянжиным (1989, 1991) были получены регрессионные уравнения вариаций температуры поверхности воды на основании измерений на 132 озерах (Африки, Америки, Азии, Европы) для всего Северного полушария. Для 79 озер, расположенных вблизи уровня моря (Z< 200 м), эти уравнения имеют вид:
14 7(<р, 0) = 30.0-0,\2<р-0,0093р2 + 0,0000766^3 (±0,5°С), (1.2)
(±0,9°С), (1.3)
(27.2-0.00726?>-0,02734р-+0,000336^ (±0,8 С), [ 0 при <р>5У'с.ш. (замерзающие озера),
где Т - температура поверхности воды (средняя, максимальная, минимальная). В скобках приведены стандартные отклонения. Его уравнения учитывают бимодальность колебаний температуры в тропической зоне. Одновременно с регрессионной моделью Рянжин использовал безразмерные кубические сплайновые модели для более адекватного описания температурных характеристик вблизи границ (экватора, высоких широт, замерзающих озер) и учета влияния на температуру горных эффектов.
Следует отметить, что классификации, в которых термика озер представлена как следствие физико-географической зональности, как правило, не учитывают морфометрии озер, влияющей на процессы перемешивания и перераспределения тепла в водной толще и формирование вертикальной термической структуры.
1.2. Значение морфометрических характеристик для исследований термического режима озер
Термический режим озер отражает климатические особенности той зоны, в пределах которой эти озера расположены, однако зональные признаки не полностью характеризуют все многообразие озер в пределах одной зоны. Многочисленные материалы наблюдений показали, что определяющую роль в формировании термического режима водных масс при прочих равных условиях
15 (приток солнечной радиации, зона избыточного увлажнения) имеют
морфометрические особенности котловины (Gorham, 1964; Хомскис, 1969; Форш, 1974; Драбкова и др., 1979; Изотова, 1982). Морфометрия представляет собой совокупность способов и приемов количественного выражения элементов формы озерной котловины и размеров водной массы озера (Богословский, Муравейский, 1955).
В сложившейся практике лимнологических исследований чаще всего используются следующие морфометрические показатели (Сорокин, 1993):
1. Площадь зеркала озера (S, км2);
2. Объем озера (V, км3);
{м*. 3. Средняя глубина озера (/У, м) — частное от деления объема водной массы на
площадь его зеркала;
4. Глубина максимальная (Яшах, м);
5. Показатель открытости {Е = S/H) - отношение площади зеркала к средней глубине. Этот показатель позволяет судить о степени перемешивания водных масс и возможности возникновения стратификации.
6. Коэффициент «емкости» или «формы» (Р = Н /Нтах) определяет отношение средней глубины к максимальной и дает возможность соотнести форму котловины озера с одной из четырех геометрических форм - конуса, параболоида, полуэллипсоида и цилиндра. Для цилиндра это соотношение равно 1, для параболоида - 0,68, для конуса - 0,33.
В. Хомскис (1989) на основании исследований малых озер Литвы отмечал, что коэффициенты вертикального турбулентного перемешивания зависят от формы строения их котловин. По виду батиметрической кривой он рассматривал озера,
16
как простые геометрические тела: цилиндр, конус, эллипсоид, параболоид, учитывая это при определении вертикальных коэффициентов турбулентности. Причем стабильность системы водных слоев в форме цилиндра является наибольшей, в форме параболоида - меньшей, в форме конуса - самой малой.
С. Д. Муравейский (1960) подчеркивал, что озеро - результат сочетания и взаимодействия климата, строения котловины и стока. Положение озера в гидрографической системе стока характеризуют показатели удельного водосбора и условного водообмена. Показатель удельного водосбора - это отношение площади водосбора к площади зеркала озера. Показатель условного водообмена представляет собой отношение объема среднегодового притока с водосборной площади в озеро к объему самого озера (Григорьев, 1959). Он характеризует степень влияния приточных вод на режим озера. Чем больше этот коэффициент, тем интенсивнее происходит водообмен в водоеме, и наоборот.
Морфометрические характеристики водоемов, являясь фактором азональным, затушевывают влияние географической широты на величину радиационного и теплового балансов. Соотношение между радиационным балансом В озер, расположенных в диапазоне широт 55-69° с. ш., и величинами суммарной радиации Q, широты <р, альбедо А, площади S и глубины водоема Н получены в работе Г. М. Багровой (1983):
В = (1,488-0,0095^-0,0096A) Q- (0,294-0,0035??) ?~004;
------0 08
Д = (1,488-0,0095р-0,0096Л)б-(0,300-0,0035)// •
Г. М. Багрова отмечает, что определяющую роль в формировании радиационного баланса водоемов играет географическая широта. При изменении северной широты от 40 до 69° месячный радиационный баланс понижается на 7-8
17 ккал-см"". Радиационный баланс возрастает в зависимости от роста глубины
водоема до 10-20 м на 0,5-1 ккал-см*2. Дальнейшее возрастание глубины водоема слабо влияет па радиационный баланс. Площадь водоема в меньшей степени влияет на изменение радиационного баланса, особенно в северных районах. /А Таким образом, степень прогревания озер, интенсивность вертикального
т
перемешивания в значительной степени определяется их морфометрическими показателями (в первую очередь площадью и глубиной водоема). Чем больше глубина водоема, тем большее количество тепла требуется на его нагревание весной и тем больше тепла он отдает осенью. Суммарный поток тепла через поверхность озер разной глубины за май-октябрь многолетнего периода имеет
1|'ф1 нелинейную связь со средней глубиной водоемов. Поток тепла интенсивно увеличивается у озер со средними глубинами до 30 м (основное приходящее тепло аккумулируется в водоеме), для более глубоких водоемов увеличение его замедляется. Значительно меньшее влияние, чем Н водоема, оказывает на составляющие теплового баланса размер водоема (Изотова, 1982).
Шк В. Л. Хуббатуллин (Хуббатуллин, 1989) анализировал материалы
термического режима 51 озера, из которых 38 расположены на Северо-Западе России, 7 - в Белоруссия, 3-в Латвии, 2 - в Литве и 1 - в Эстонии. Автор пришел к выводу, что температура поверхности воды определяется в основном климатическими факторами, а температура всей водной массы этих озер почти в равной степени зависит от климатических факторов и факторов, характеризующих форму и строение озерной котловины.
Зависимость термического режима озер от их геометрических размеров была отмечена еще в пионерских работах в области лимнологии. А. Гейстбек (Geistbeck,