ИСТИНА

Целью проекта является разработка, на базе моделей гидрологического цикла речных бассейнов и моделей климата, методов анализа физических механизмов и оценки чувствительности экстремальных гидрологических явлений (наводнений и гидрологических засух) к возможным изменениям климата. Анализ чувствительности масштабов и повторяемости указанных явлений – задача, приобретающая все большую актуальность в связи с проблемами уязвимости и адаптации к климатическим изменениям природных и социально-экономических систем. Существующие оценки чувствительности, в основном эмпирические, характеризуются значительной неопределенностью, которая обусловлена пространственной и временной изменчивостью условий формирования экстремальных явлений. Новизна заявленного проекта состоит в применении методов физико-математического моделирования гидрологических процессов и климата для снижения неопределенности оценок чувствительности путем углубления представлений о критических условиях, приводящих к экстремальным гидрологическим явлениям, о климатических механизмах формирования этих условий и природе их возможных изменений. Для достижения заявленной цели проекта исследования планируется вести по четырем основным направлениям: (1) разработка физико-математических моделей, воспроизводящих параметры экстремальных гидрологических явлений (масштаб, продолжительность, повторяемость) в речных бассейнах с разными природными (климатическими и физико-географическими) условиями, в том числе, изменившимися за период наблюдений; (2) разработка методологий анализа, по результатам гидрологического моделирования и данным наблюдений, физических механизмов формирования экстремальных гидрологических явлений в разных природных условиях, включая выявление ключевых факторов (метеорологических условий, показателей состояния бассейна), влияющих на параметры экстремальных явлений, и оценку чувствительности этих факторов к изменению климатических характеристик; (3) исследование, с помощью моделей климата, с использованием данных метеорологических наблюдений и реанализа, физических механизмов формирования метеорологических условий, обусловливающих экстремальные гидрологические явления; (4) исследования, с помощью гидрологических моделей и моделей климата, возможных изменений факторов формирования экстремальных гидрологических явлений при изменении климата и оценка чувствительности параметров этих явлений к изменению климата; Работы будут выполняться на примере речных бассейнов России, в которых, согласно имеющимся наблюдениям, высока вероятность опасных гидрологических явлений, и существенно различаются физико-географические и климатические условия их формирования. Для выполнения НИР сформирован коллектив из ведущих специалистов институтов РАН, МГУ им. М.В. Ломоносова и ВНИИГМИ-МЦД, имеющих многолетний опыт исследований в тематической области проекта, результаты которых опубликованы в десятках статей в ведущих мировых научных журналах, а также молодых сотрудников и аспирантов.

The project is aimed at developing of methods to analyze the physical mechanisms of the hydrological extreme events (floods and droughts) and its sensitivity to possible climate change based on hydrological and climate models. Analysis of sensitivity of the extremes is becoming more significant, concerning the vulnerability of natural and socio-economic systems and their adaptation to climate change. The existing sensitivity assessments are mainly the empirical ones and characterized by significant uncertainty which is caused by spatial and temporal variability of the extreme events formation conditions. The advance of the proposed project consists in the use of physically based modeling of hydrological processes and climate modeling to decrease the uncertainty of sensitivity analysis by deepening understanding critical conditions that lead to extreme hydrological events, the climatic mechanisms of the formation of these events and the genesis of their possible changes. In order to achieve the declared objects, the research will be conducted in the following directions: (1) Development of physically based models allowing us to reproduce the parameters of extreme hydrological events (magnitude, duration, frequency) in river basins with different natural conditions (both climatic and physiographic), including the change of conditions occurred within the observation period, (2) Development of methods to analyze physical mechanisms of extreme hydrological events formation in various natural conditions, both using the observations and the modeled data; pointing out the crucial factors (meteorological and basin conditions) that affect the properties of the extreme events, analysis of sensitivity of these factors to climate change, (3) Research (by using both meteorological observations and reanalysis) of physical mechanisms of formation of meteorological conditions that lead to extreme hydrological events; (4) Research (by using both hydrological and climate models) of possible changes in the factors of the hydrological extremes formation due to climate change and assessment of sensitivity the extremes to climate change. The case study will be carried out within the river basins in Russia that are likely to be at risk of hydrological hazards, to have long-term observations and different physiographical and climatic conditions for the formation of such events. The research will be conducted by a group of leading researchers from the institutes of Russian Academy of Sciences, Moscow State University and RIHMI-World Data Center, as well as young scientists and post-graduate students. The members of the group have a profound experience in the field of the project, the results of which are published in many of the high-IF scientific journals.

По итогам выполнения проекта будут получены следующие основные результаты (поэтапно): 1 этап: Анализ экстремальных гидрологических явлений за период наблюдений (на примере речных бассейнов России с разными природными условиями формирования речного стока). Создание баз данных гидрометеорологических наблюдений, реанализа и численных экспериментов с моделями климата для исследуемых регионов. Разработка физико-математических моделей формирования экстремальных гидрологических явлений в рассматриваемых речных бассейнах. Планируется получение следующих основных результатов: • Оценка параметров экстремальных гидрологических явлений по данным о расходах воды за период инструментальных наблюдений в исследуемых бассейнах. • Диагноз изменений многолетних (климатических) значений параметров экстремальных гидрологических явлений. • Оценки чувствительности параметров экстремальных гидрологических явлений к изменению температуры воздуха и осадков в исследуемых бассейнах • Базы данных гидрометеорологических наблюдений, реанализа и численных экспериментов с моделями климата. • Физико-математические модели формирования экстремальных гидрологических явлений в рассматриваемых речных бассейнах. • Оценки робастности гидрологических моделей по отношению к изменениям климатических характеристик 2 этап: Анализ физических механизмов формирования экстремальных гидрологических явлений и изменчивости экстремальных метеорологических явлений в разных природных условиях. Планируется получение следующих основных результатов: • Методы исследования условий формирования экстремальных гидрологических явлений различного генезиса: характера экстремальных метеорологических воздействий на водосбор при формировании указанных явлений, а также показателей предшествующего этим явлениям состояния речного водосбора; • Оценки относительного вклада изменчивости метеорологических воздействий и показателей предшествующего состояния водосбора в изменчивость параметров экстремальных гидрологических явлений, • Результаты анализа условий формирования критического состояния водосбора, предшествующих экстремальным гидрологическим явлениям, включая метеорологические условия за предшествующий период и характеристики речного бассейна; • Оценки вклада внутренней стохастической изменчивости атмосферы и граничных условий на поверхности океана - температуры и концентрации морских льдов - на формирование региональных аномалий осадков и испарения; • Оценки влияния естественных мод изменчивости океанической циркуляции на характеристики гидрологического цикла в исследуемых речных бассейнах по модельным экспериментам; • Оценки долговременной изменчивости характеристик осадков (суммы и количество влажных дней за разные периоды, характеристики экстремальности осадков) и снежного покрова (запаса воды в снеге, продолжительностей периодов со снежным покровом и т.п.) по данным метеорологических наблюдений; • Оценки эффективности воспроизведения режима экстремальных осадков с помощью современных модельных и спутниковых данных и алгоритмы коррекции этих данных путем их совместного анализа с данными станционных наблюдений. 3 этап: Анализ чувствительности параметров экстремальных гидрологических явлений к возможным изменениям метеорологических условий их формирования, оценка возможных будущих изменений этих условий и их влияния на параметры указанных явлений (их масштаб, продолжительность, повторяемость) Планируется получение следующих основных результатов: • Оценки, на основе гидрологических моделей, чувствительности параметров экстремальных гидрологических явлений к климатическим изменениям условий их формирования (экстремальных метеорологических воздействий на речной водосбор и метеорологических условий формирования критического состояния водосбора, предшествующего этим воздействиям). • Оценки, на основе климатических моделей, возможных изменений условий формирования экстремальных гидрологических явлений при изменении климата; • Оценки влияния изменений условий формирования экстремальных гидрологических явлений на параметры этих явлений.

Задача 1 («Разработка физико-математических моделей, воспроизводящих параметры экстремальных гидрологических явлений в речных бассейнах с разными природными (климатическими и физико-географическими) условиями, в том числе, изменившимися за период наблюдений») - основные результаты 1.1 На базе информационно-моделирующего комплекса ECOMAG (ИМК ECOMAG), созданного исполнителем проекта Ю.Г. Мотовиловым (ИВП РАН), впервые разработаны физико-математическая модель формирования стока с распределенными параметрами для всего бассейна р. Амур, включая его китайскую часть (результат 2016 года), бассейна р. Маккензи (результат 2015 года). Показаны возможности разработанных моделей для расчета параметров экстремальных гидрологических явлений. Проведены численные эксперименты по оценке чувствительности гидрологических систем указанных бассейнов к изменениям климата (см. ниже) 1.2 На базе модели взаимодействия подстилающей поверхности суши с атмосферой SWAP, разработанной исполнителями проекта Е.М. Гусевым и О.Н. Насоновой (ИВП РАН), создана модель гидрологического цикла Обь-Иртышского бассейна (результат 2016 года), бассейна Индигирки (результат 2015 года) Показаны возможности разработанной модели для расчета параметров экстремальных гидрологических явлений. Проведены численные эксперименты по оценке чувствительности гидрологической системы указанных бассейнов к изменениям климата (см. ниже) 1.3 Разработаны физико-математические модели формирования экстремальных гидрологических явлений на базе моделей ECOMAG и SWAP для р. Северная Двина (результат 2014 года) Показаны возможности разработанной модели для расчета параметров экстремальных гидрологических явлений. Проведены численные эксперименты по оценке чувствительности гидрологической системы бассейна к изменениям климата (см. ниже) 1.4 Разработана методика оценки робастности гидрологических моделей по отношению к изменениям климатических характеристик и ее применение на примере моделирования формирования стока р. Северной Двины (результат 2014 года) Построены критерии и оценивание робастности моделей по отношению к изменениям климатических характеристик, как необходимого условия их применения за пределами тех условий, в которых осуществлялась настройка (калибровка и проверка) модели. Оценка робастности производилась на основе анализа устойчивости показателей эффективности модели по отношению к изменениям условий формирования стока в результате возможных изменений климата. 1.6 Создана база данных гидрометеорологических наблюдений и численных экспериментов с моделями климата для исследуемых регионов (результат 2014 года). Задача 2 («Разработка методологий анализа, по результатам гидрологического моделирования и данным наблюдений, физических механизмов формирования экстремальных гидрологических явлений в разных природных условиях, включая выявление ключевых факторов, влияющих на вышеперечисленные параметры экстремальных явлений, и оценку чувствительности этих факторов к изменению климатических характеристик»): основные результаты 2.1 Оценки параметров экстремальных гидрологических явлений по данным о расходах воды за период инструментальных наблюдений в бассейнах 19-ти рек ЕТР (результат 2014 года). 2.2 Диагноз многолетних изменений параметров экстремальных гидрометеорологических явлений, включая многолетние изменения характеристик осадков на территории России, многолетние изменения характеристик снежного покрова в бассейнах рек Северная Двина, Лена, Волга, Кама, Дон, Кубань и Амур (результат 2014 года) 2.3 Оценка природной чувствительности фактических характеристик максимального и минимального стока к изменению температуры воздуха методами непараметрической статистики (по данным наблюдений на реках Арктического бассейна) (результат 2014 года) 2.5 Оценки чувствительности характеристик ледового режима рек Арктического бассейна к изменению климатической нормы температуры воздуха на основе связи этих характеристик с метеорологических условиями холодного период, зависящих от нормы температуры воздуха. 2.6 Метод оценки максимально возможного паводкового стока для небольших (с временем добегания порядка 1 суток) водосборов Европейской России и Приморья с использованием статистической методики ВМО оценки предельно возможных дождевых осадков (результат 2015 года) 2.6 С помощью двумерной гидродинамической модели STREAM-2D исследовано влияние ледовых заторов на формирование аномальных половодий на реке Северная Двина в районе г. Великий Устюг. Задача 3 («Исследование, с помощью моделей климата, с использованием данных метеорологических наблюдений и реанализа, физических механизмов формирования метеорологических условий, обусловливающих экстремальные гидрологические явления») – основные результаты 3.1. Оценки вклада внутренней стохастической изменчивости атмосферы в неопределенность расчетных аномалий компонентов гидрологического цикла (результат 2015 года) С помощью модели общей циркуляции атмосферы ECHAM5 проведены ансамблевые эксперименты, позволяющие описать внутреннюю стохастическую изменчивость атмосферы, и с помощью физико-математических моделей гидрологического цикла ECOMAG и SWAP, оценено влияние изменчивости атмосферы на неопределенность расчетных характеристик гидрологического цикла (на примере рек Лена и Северная Двина). 3.2 Результаты экспериментов на основе моделей общей циркуляции атмосферы для анализа влияния внешних по отношению к атмосфере факторов на формирование экстремальных осадков (результат 2015 года) На основе анализа результатов численных экспериментов с региональной моделью атмосферы высокого пространственного разрешения WRF по моделированию экстремальных осадков в районе в г. Крымск 6-7 июля 2012 г. было показано, что важную роль в формировании экстремальных значений осадков сыграло повышение температуры поверхности Черного моря (ТПЧМ) за последние 30 лет. В условиях более холодного моря, соответствующих периоду 1980-х и 1990-х гг. циклон, прошедший над Крымском 6-7 июля, согласно модельным расчетам, сопровождался бы в 3-4 раза меньшими осадками 3.3 На основе численных экспериментов с совместной моделью климата проведены исследования по оценке влияния Атлантической мультидекадной осцилляции (АМО) на вариации речного стока на территории ЕТР (результат 2015 года) 3.4 Оценки возможных изменений условий формирования экстремальных гидрологических явлений при современных изменениях климата по сеточным данным о речном стоке (E-RUN) и осадках (E-OBS) на территории Европы и Европейской России (результат 2016 года) 3.5. На основе данных реанализа ERA-Interim дано описание тенденций изменения характеристик осадков Черноморского побережья Кавказа в период 1982-2014 гг. и проанализированы физические механизмы этих изменений (результат 2016 года). Задача 4: («Исследования, с помощью гидрологических моделей и моделей климата, возможных изменений факторов формирования экстремальных гидрологических явлений при изменении климата и оценка чувствительности параметров этих явлений к изменению климата») – основные результаты 4.1 Разработан метод локальной оценки чувствительности характеристик максимального стока к климатическим изменениям условий их формирования на основе численных экспериментов с физико-математическими гидрологическими моделями, построенными на базе модели ECOMAG для бассейнов рек Амур, Лена, Макензи (результат 2016 года), Северная Двина (результат 2015 года) и Индигирка (на базе модели SWAP; результат 2015 года) На основе предложенного метода оценена чувствительность показателей максимального стока указанных рек (объемов стока с расходами воды выше заданных) при заданных изменениях климатической нормы осадков и температуры воздуха. 4.2. Предложен метод глобальной оценки чувствительности стока весеннего половодья к изменению условий на водосборе, сформировавшихся к началу снеготаяния (запасов воды в снежном покрове, глубины промерзания и влажности почвы) по результатам численных экспериментов с динамико-стохастической моделью формирования речного стока (результат 2016 года). Использован алгоритм глобального анализа чувствительности по критерию независимости Гильберта-Шмидта. С использованием разработанной ранее модели формирования половодья на р. Сейм показано, что масштаб наиболее высоких половодий оказался гораздо более чувствителен к запасу воды в снежном покрове, чем к промерзанию и увлажнению почвы, в то время как для ординарных половодий эти различия не столь существенны. Дан анализ полученных результатов. 4.3 Оценки влияния климатических изменений условий формирования экстремальных гидрологических явлений на параметры этих явлений (результат 2016 года). Разработаны методы оценки возможных изменений максимального стока крупных рек на основе численных экспериментов с гидрологической и глобальными климатическими моделями. Для рек Амур, Лена и Макензи использовались физико-математические модели гидрологического цикла, построенные на базе модели ECOMAG, для Обь-Иртышского бассейна –на базе модели SWAP. В качестве граничных условий для моделей использовались данные расчетов по ансамблю глобальных моделей климата проекта CMIP5 при различных сценариях радиационных воздействий. Полученные результаты опубликованы со ссылкой на грант в 24 статьях в рецензируемых журналах, входящих в российскую реферативную базу РИНЦ, из них 19 статей опубликованы в изданиях из списка Web of Science. Оба показателя значительно выше запланированных в заявке результатов (соответственно 13 и 12 статей). Число цитирований публикаций членов научной группы в научных журналах, индексируемых в международной базе данных Web of Science в отчетном году – 10 (план – 0). В выполнении проекта на разных этапах принимало участие от 16 до 19 человек. Больше половины из них – исследователи в возрасте до 39 лет, от 3 до 5 кандидатов наук до 35 лет, от 3 до 5 аспирантов и студентов. Двое участников проекта из ИВП РАН (Калугин А.С., Морейдо В.М.) защитили кандидатские диссертации в период выполнения проекта.