Слайд 1

Программа «Оценка ресурсов и прогноз использования природных вод Казахстана в условиях антропогенно и климатически

обусловленных изменений»

Блок 1 «Дать оценку и разработать прогноз ресурсов, режима и качества природных вод в условиях изменения климата и хозяйственной деятельности»

Задание 1.1 «Оценить современные пространственно-временные тенденции изменения гидрометеорологического режима республики»

Научный руководитель д.г.н. Сальников В.Г.

Алматы 2012

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАНКазахский Национальный Университет им. аль-Фараби

Слайд 2

Целевое назначение:Целевое назначение: является оценка возможных изменений основных

метеорологических величин (среднемесячная температура воздуха,

месячные суммы осадков, среднемесячные характеристики влажности

воздуха, испарения), сценариев их изменений и их роли в формировании

водных ресурсов и водопотребления на ближайшую перспективу

(20 лет).

Концепция задания: Концепция задания: Современные пространственно-временные

тенденции изменения температуры воздуха, осадков и испарения

определяются не только антропогенной, но и естественной

составляющей.

Основные концепции современных климатических изменений

Слайд 3

Версия первая: климат на Земле меняется под воздействем антропогенной деятельности.

Версия вторая: глобальное потепление связано с естественными факторами.

Версия третья: при глобальном потеплении имеет место совместное влияние естественных и антропогенных факторов.

Создание информационной базы данных

температура воздуха, осадки,парциальное давление водяного пара,относительная влажность

суммарная радиация, радиационный баланс

запасы влаги в метровом слое почвы

формы атмосферной циркуляции

Особенности и тенденции изменения в системе ОЦА.

Тенденции изменения климатических индексов.

Пространственно-временное распределение температуры воздуха, осадков и испарения для различных форм атмос-ферной циркуляции.

Современные методы моделирования регионального климата на перспективу до 30-50 лет.

Сценарные оценки

изменения климата для

водохозяйствен-ных

бассейнов Казахстана на перспективу.

по климатическим моделям

по атмосферным циркуляцион-ным эпохам

по внутривековым (30–45 лет) и вековым (70–90 лет) циклам климата, а также циклам с продолжительностью в 7–11 лет

Слайд 5

Ранжированный ряд аномалий среднегодовых температур приземного воздуха для Казахстана

1969

1954

1950

1960 19

7219

8419

4919

7619

4519

5219

59 1943

1964

1993

1956 19

4219

7419

9619

4619

5719

5819

6819

5119

47 1985

1970 19

8719

66 1953

1994

1967

1941

1986

1980 19

7919

5519

44 1992

1948

1977

1978

1973

1998

1961

1940

1971 19

8819

6519

8219

75 2003

1962 19

8919

8119

6319

91 2000

1990 19

99 2006

1997

2001

1995

2008

2005 20

0719

8320

0220

04

-3.00

-2.00

-1.00

0.00

1.00

2.00

1969

ºС

Распределение годового количества осадков по территории Казахстана

Распределение среднегодовых значений

относительной влажности воздуха (%) по территории Казахстана (1971-2000 гг.)

Слайд 7

Line Plot (Нур-Сарыс бассейн_ан 12v*62c)

Y = Lowess

1947 1952 1957 1962 1967 1972 1977 1982 1987 1992 1997 2002 2007-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

I

Line Plot (Нур-Сарыс бассейн_ан 12v*62c)

Y = Lowess

1947 1952 1957 1962 1967 1972 1977 1982 1987 1992 1997 2002 2007-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

II

Line Plot (Нур-Сарыс бассейн_ан 12v*62c)

1947 1952 1957 1962 1967 1972 1977 1982 1987 1992 1997 2002 2007-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

XII

Line Plot (Нур-Сарыс бассейн_ан 12v*62c)

Y = Lowess

1947 1952 1957 1962 1967 1972 1977 1982 1987 1992 1997 2002 2007-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

III

Line Plot (Нур-Сарыс бассейн_ан 12v*62c)

Y = Lowess

1947 1952 1957 1962 1967 1972 1977 1982 1987 1992 1997 2002 2007-6

-4

-2

0

2

4

6

IV

Line Plot (Нур-Сарыс бассейн_ан 12v*62c)

Y = Lowess

1947 1952 1957 1962 1967 1972 1977 1982 1987 1992 1997 2002 2007-6

-4

-2

0

2

4

6

V

Временной ход среднемесячной температуры воздуха для Нура-Сарысуйского бассейна (зима, весна)

Карта-схема годового хода осадков для всех водохозяйственных бассейнов

В дальнейшем проводился анализ пространственно-временных особенностей температуры воздуха, осадков и относительной влажности по 8 водохозяйственным бассейнам рек в различные сезоны года. В частности оценены:

• многолетний режим сезонных и годовых значений изучаемых метеорологических величин за период 1971‑2000 гг.;

• многолетние тенденции сезонных и годовых значений изучаемых метеорологических величин за период 1936‑2007 гг.;

• пространственные особенности их распределения.В качестве примера приведены результаты изучения основных закономерностей метеорологических величин в Нура-Сарысуйском бассейне.

Временной ход, 5-летние скользящие средние и линейный тренд аномалий средней годовой температуры приземного воздуха (ºС), осредненной по территории Нура-Сарысуйского водохозяйственного бассейна

Временной ход аномалий годовых сумм осадков по Нура-Сарысуйскому воднохозяйственному бассейну за 1971–2000 гг.

y = -0,6374x + 9,8799

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

1971 1976 1981 1986 1991 1996

годы

Ос

ад

ки

, м

м

Межгодовой ход аномалии относительной влажности воздуха (%) относительно базового периода 1971-2000 в целом для Нура-Сарысуйского бассейнагод

y = -0.0165x + 0.1453R2 = 0.0083

-6.0

-4.0

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

1971 1976 1981 1986 1991 1996 2001 2006

%

Проанализированы климатические особенности факторов, определяющих процесс испарения. Прежде всего, выявлены основные закономерности внутригодового стока рек и распределение продуктивных влагозапасов в метровом слое почвы.

Важной особенностью климатической системы является многообразие климатических условий. Картина региональных изменений температуры воздуха и атмосферных осадков в последние десятилетия гораздо более сложная и многообразная.

Учитывая тот факт, что формирование режима погоды и как следствие климатических особенностей той или иной территории происходит в значительной степени под воздействием особенностей ОЦА, на наш взгляд, крайне необходимо изучать климатические особенности смены режимов ОЦА или смену эпох ОЦА и на этой основе также попытаться понять, в каком направлении будет развиваться климатическая система.

Региональные модели отличаются от глобальных в 5–10 раз более высоким разрешением, что позволяет более достоверно воспроизводить пространственно-временные вариации региональной температуры и осадков, а также экстремальные климатические явления.

Современные РКМ имеют горизонтальное разрешение порядка 10 км и размеры модельных областей вплоть до субконтинентальных.

Эти модели повышают качество расчетов климата вследствие более реалистичного представления неоднородностей подстилающей поверхности.

Оптимальный путь для решения поставленной задачи (прогноз изменения климата для территории Казахстана

на ближайшую перспективу)

использование МОЦАО

(выбрано 16 моделей)

2011-2030 гг.

шаг сетки 2,5ºх2,5º

Ансамблевыйподход

Модель PRECIS

сценарии: В1, А1В, А2

PRECIS (Providing Regional Climate for Impacts Studies) – система моделирования регионального климата для оценки воздействия. Разработана в Центре Гадлея Метеобюро Соединенного Королевства Великобритании при финансовой поддержке Министерства охраны окружающей среды Великобритании (DEFRA), Министерство Международного развития (DFID), Программы развития ООН (UNDP).

Над северными районами Казахстана МОЦАО занижают среднюю годовую температуру на 1 °С (на 2 °С в районе казахстанского Алтая). Наиболее заметной систематической погрешностью является занижение температуры в холодный период.

Ансамбль моделей CMIP3 реалистично воспроизводит основные крупномасштабные характеристики осадков. На большей части территории Казахстана смоделированное количество осадков выше на 0,5 мм/сутки, но в северных и восточных районах, наоборот, ниже на 0,5 мм/сутки, местами на 1,5 мм/сутки.

Интерпретировать полученные ошибки достаточно сложно, учитывая их большую пространственную изменчивость.

Климатический архив CRU• Архив CRU TS 2.1 разработан и поддерживается в Тиндал центре университета Восточной Англии.

Данный архив создан для оценки климатических изменений и связанных с ними изменений окружающей среды

• Характеристики архива:

• содержит среднемесячные климатические характеристики за период 1901-2002 гг.

• охватывает территорию всех континентов земного шара с разрешением 0,5 градусов

• содержит климатические характеристики облачности, температуры воздуха, количества осадков, приземного давления, скорости ветра

• При построении сеточного архива CRU был использован метод пространственной интерполяции.

• Значения приведены к высотам узлов сетки, которые заданы топографической моделью земной поверхности.

• Пример структуры базы данных CRU для одной климатической характеристики:

Заголовок Tyndall Centre file created by Tim Mitchell on 03.04.2001 at 14:00 .cld = cloud cover (percentage) 0.5deg clim6190 ->lan [Long=-180.00, 180.00] [Lati= -90.00, 90.00] [Grid X,Y= 720, 360] [Boxes= 67420] [Years=1990-1990] [Multi= 0.1000] [Missing=-999]

Пример представления индивидуальной ячейки сетки для одного года

Grid-ref= 1, 148 720 750 750 700 630 600 610 610 660 670 710 720

Климатический архив CRU для территории Казахстана

Изучена и описана структура архива CRU Сформирован макет выходных данных Скачаны глобальные данные архива CRU по климатическим характеристикам: месячная сумма осадков, среднемесячная температура воздуха, среднемесячные значения парциального давления за период 1961-1990 гг.Сформированы для территории Казахстана и прилегающих районов (42° с.ш. – 56° с.ш.; 50° в.д. - 86° в.д.) данные по климатическим характеристикам:месячная сумма осадков, среднемесячная температура воздуха, среднемесячные значения парциального давления водяного пара за период 1961-1980 гг.

Массив данных для одной характеристики за один месяц одного года состоит из 2117 значений.

Структура макета выходных данных, описывающих территорию Казахстана на примере температуры воздуха

Исследование частоты экстремальных климатических явлений – одна из наиболее важных проблем в изучении изменения климата.

Для характеристики изменчивости экстремальности температурного режима использовалось число жарких дней, когда суточный максимум температуры воздуха выше 25 0С; число дней с сильным морозом, когда суточный максимум ниже 0 0С; абсолютный максимум и абсолютный минимум температуры воздуха за каждый месяц.

В качестве индексов климатических экстремумов использовалась максимальная продолжительность сухого и дождливого периода, максимальное количество суточной суммы осадков в месяце, а также количество суток в году, когда суточная сумма осадков была  10 мм.

Изменчивость экстремальности температурного режима с 1936 по 2006 гг

а) – абсолютный минимум; б) – число дней с сильным морозом

МС Алматы

а)

б)

а)

б)

МС Астана

Наблюдается положительный тренд в повышении абсолютных минимумов температуры воздуха и в уменьшении числа дней с сильным морозом.

Изменчивость экстремальности температурного режима с 1936 по 2006 гг

а) –абсолютный максимум; б) – число жарких дней

МС Алматы

а)

б)

а)

б)

МС Астана

На большей части территории период отмечается повышение числа дней с высокими температурами, за исключением Ишимского и Урало-Каспийского водохозяйственного бассейнов, где не наблюдается тенденции роста экстремальности, связанной с высокими температурами.

Максимальная продолжительность дождливого периода 1936–2006 гг

Максимальное количество суточной суммы осадков за год

МС Алматы МС Астана

МС Алматы МС Астана

Для расчета испарения с водной поверхности (Е, мм) при наличии данных метеорологических наблюдений над поверхностью водоема (fоз = 5–40 км2) рекомендуется использовать формулу:

где e0 – давление насыщенного водяного пара, вычисленное по температуре поверхности воды, гПа;

e200 – парциальное давление водяного пара над водоемом на высоте 200 см, гПа; U200 – средняя скорость ветра над водоемом на высоте 200 см, м/с; n – число суток в расчетном периоде.

Браславским А.П. была усовершенствована данная формула с использованием коэффициента испарения, зависящего от вынужденной и свободной конвекции (КС)

Для расчета потенциальной эвапотранспирации применяется модифицированная формула Н.Н. Иванова:

где kt – энергетический (температурный) фактор учитывающий нелинейность связи испарения с дефицитом влажности воздуха; f(V) – ветровая функция; d – дефицит влажности воздуха, гПа.

nUeeE )72,01()(14,0 2002000

nееКЕ С )( 2000

dVfk t 0

(1)

(2)

(3)

За последние годы потепление климата способствовало повышению интенсивности испарения с водной поверхности на территории Казахстана, что наглядно демонстрируют систематизированные данные по станции Жезказган, где в теплый период года испарение возросло на 30–120 %.

В горах на абсолютной высоте 2500 м в летний период режим интенсивности испарения с водной поверхности (станция Большое Алматинское Озеро) сохраняется на одном уровне (минус 50 %), т.е. ниже (пропорционально на половину величины), чем соответствующее испарение с Аральского моря.

Это позволяет сделать заключение, что данные испарительного бассейн (20 м2) станции БАО репрезентативны для климатических условий горных районов, а внутригодовое распределение интенсивности испарения с Аральского моря – репрезентативно для равнинной территории Казахстана (с величиной погрешности равной соответствующей линии 12).

Атмосферная циркуляция формирует пространственную структуру полей температуры и осадков вследствие перераспределения тепла и влаги атмосферными течениями.

Долгопериодные изменения в системе атмосфера-океан-суша вызывают изменения в структуре крупномасштабной циркуляции, которые, в свою очередь, проявляются в региональных особенностях изменения климата и естественной климатической изменчивости.

Этим определяется важность анализа атмосферной циркуляции и ее изменений для понимания региональных изменений климата.

В данной работе в качестве индексов атмосферной циркуляции использовались формы циркуляции Г.Я. Вангенгейма.

Каталоги этих форм циркуляции непрерывно ведутся в Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте многие десятилетия. Данные о формах циркуляции за каждый день имеются с 1891 г. по настоящее время.

Календарь эпох циркуляции атмосферы согласно М.Х. Байдала, А.А. Дмитриева и В.А. Белязо

Номер эпохи

Период и продолжительность

эпохи

Преобладающая форма циркуляции

Номер эпохи

Период и продолжительность

эпохи

Преобладающая форма циркуляции

1 1803-1815 гг. (13 лет)

С15 1959-1968 гг.

(10 лет) Е

2 1816-1828 гг. (13 лет)

С+W16 1969-1978 гг.

(10 лет) Е+W

3 1829-1836 гг. (8 лет)

W17 1979-1988 гг.

(10 лет) W+С

4 1837-1847 гг. (11 лет)

Е18 1989-2000 гг.

(12 лет) W

5 1848-1859 гг. (12 лет)

С19 2001-2011 гг.

(11 лет) W

6 1860-1871 гг. (12 лет)

С+ W20 2012–2021 гг.

(10 лет) Е

7 1872-1880 гг. (9 лет)

W21 2022–2031 гг.

(10 лет) С

8 1881-1892 гг. (12 лет)

Е22 2032–2042 гг.

(11 лет) Е+С

9 1893-1905 гг. (13 лет)

С23 2043–2051 гг.

(9 лет) Е+С

10 1906-1918 гг. (13 лет)

W+С24 2052–2060 гг.

(9 лет) Е+W

11 1919-1928 гг. (10 лет)

W25 2061–2071 гг.

(11 лет) W+С

12 1929-1939 гг. (11 лет)

Е26 2072–2081 гг.

(10 лет) W

13 1940-1948 гг. (9 лет)

С27 2082–2091 гг.

(10 лет) W

14 1949-1958 гг. (10 лет)

Е+С

В результате всестороннего анализа получены выводы:Во второй половине первою десятилетия XXI века на ветви спада нечетного

11-летнего цикла солнечной активности ожидается преобладание формы W циркуляции.Во втором десятилетии можно ожидать увеличением повторяемости формы Е циркуляции в связи с развитием четного 11-летнего цикла солнечной активности.В третьем десятилетии века есть основания ожидать преобладание формы С циркуляции. Аналогичная ситуация наблюдалась в 1920 и 1967 гг. В четвертом десятилетии века на фоне максимума векового цикла (2040 г.) ожидается увеличения меридиональных форм Е+С циркуляции. В пятом десятилетии века на фоне начала спада векового цикла солнечной активности ожидается также преобладание меридиональных форм атмосферной циркуляции. Направленность этого процесса усугубляется еще и тем, что данный период совпадает с нечетным 11-летним циклом.В шестом, десятилетии века можно ожидать чередования форм циркуляции, но все же при некотором преобладании западной (W) формы.В седьмом десятилетии будет наблюдаться пониженный уровень солнечной активности в вековом цикле, уменьшение межширотного обмена (преобладание формы W циркуляции).В последние три десятилетия ожидаются есть основания ожидать преобладания формы W циркуляции.Для примера представлены особенности распределения температуры воздуха и атмосферных осадков для формы атмосферной циркуляции Е.

Аномалии температуры воздуха (°С) для формы циркуляции Еа) – зима, б) – весна, в) – лето, г) – осень

а) б)

в) г)

Аномалии месячных сумм осадков (%)для формы циркуляции Еа) – зима, б) – весна, в) – лето, г) – осень

а) б)

в) г)

Распределения вероятного изменения температуры воздуха (ºС)) относительно базового периода 1980-1999 гг., по

сценариям В1 и А2 на периоды 2006–2035 гг, 2036–2065 гг.В1 А2

2020 г.

2050 г.

45 50 55 60 65 70 75 80 85

40

45

50

55Костанай

Астана

Алматы

АральскАты рау

Усть-Каменогорск

2020_В1_Т_Год

45 50 55 60 65 70 75 80 85

40

45

50

55Костанай

Астана

Алм аты

АральскАты рау

Усть-Кам еногорск

2020_А2_Т_Год

45 50 55 60 65 70 75 80 85

40

45

50

55Костанай

Астана

Алматы

АральскАты рау

Усть-Кам еногорск

2 0 5 0 _ В 1 _ Т _ Г о д

45 50 55 60 65 70 75 80 85

40

45

50

55Костанай

Астана

Алматы

АральскАты рау

Усть-Каменогорск

2 0 5 0 _ А 2 _ Т _ Г о д

Распределения вероятного изменения количества осадков (%) относительно базового периода 1980-1999 гг., по сценариям

В1 и А2 на периоды 2006–2035 гг, 2036–2065 гг.В1 А2

2020 г.

2050 г.

45 50 55 60 65 70 75 80 85

40

45

50

55Костанай

Астана

Алматы

АральскАты рау

Усть-Каменогорск

2020_P_B1_Год

45 50 55 60 65 70 75 80 85

40

45

50

55Костанай

Астана

Алм аты

АральскАты рау

Усть-Кам еногорск

2020_А 2_Р _Год

45 50 55 60 65 70 75 80 85

40

45

50

55Костанай

Астана

Алм аты

АральскАты рау

Усть-Каменогорск

2 0 5 0 _ В 1 _ Р _ Г о д

45 50 55 60 65 70 75 80 85

40

45

50

55Костанай

Астана

Алматы

АральскАты рау

Усть-Каменогорск

2 0 5 0 _ А 2 _ Р _ Г о д

Результаты моделирования суммарного испарения с суши и испаряемости с воды по сценариям В1 и А2 на периоды 2006–

2035 гг, 2036–2065 гг.В1 А2

2020 г.

2050 г.

Слайд 34

Благодарю за внимание.