В рамках проекта РНФ № 14-17-00740 выполнены комплексные исследования по диагнозу состояния гидрологического режима и водных экосистем крупнейших (великих) озера России (Каспия, Ладожского, Онежского и Байкал (по этому озеру исследованы закономерности изменений уровня воды Изучены связи изменений климата и элементов гидрологического режима, даны сверхдолгосрочные (годы-десятки лет) прогностические оценки изменений водного баланса, уровня и экосистем этих озер.
Для совершенствование диагноза водного баланса и уровня Каспия, Ладожского и Онежского озер была поставлена и решена задача получения более корректных, чем ранее, оценок потоков тепла и влаги из Атлантики, а также, предложен новый подход при задании сценариев изменений климата на водосборах исследуемых водоемов до конца ХХI века - комбинированный сценарий прогноза климатических изменений на основе композиции антропогенного и естественно-циклических изменений климата (Панин, Дианский, 2014; Выручалкина и др. 2016).
Разработана вихреразрешающая модель трехмерной циркуляции Каспийского моря, предназначенная для исследования изменчивости его уровня и термохалинных полей: от синоптической до климатической (Ибраев и др.). Численно воспроизведена эволюция уровня и термохалинных свойств вод Каспийского моря в 1958-2001 гг. Получены данные о многолетней изменчивости температуры, солености и плотности вод моря во всем диапазоне глубин. Исследована чувствительность водного баланса Каспийского моря к вариациям факторов внешнего воздействия, а также влияние на него некоторых внутренних процессов. Для этого отдельно воспроизведен быстрый рост уровня (15.5 см/год), наблюдавшийся в период 1978-1995 гг. Для оценки роли антропогенной нагрузки проведен эксперимент с заданием естественного расхода рек, то есть без учета изъятий вод на хозяйственные нужды (для рассматриваемого периода они оцениваются на уровне 12%): тренд роста уровня усилился на 9.5 см/год. Исследовано влияние режимного климатического сдвига 1976-1978 гг. на термохалинную структуру вод Каспия. Сдвига. Показано, что обмен водами между тремя каспийскими бассейнами за счет регулярных интрузий определяет режим солености верхнего слоя, в результате чего модулируется интенсивность конвекции в глубоководных бассейнах Каспия.
Выполнены численные эксперименты на разработанной в рамках проекта 3-D модели экосистемы Ладожского озера, которая позволяет воспроизводить особенности концентраций и биомасс компонентов экосистемы в виде биогеохимического круговорота вещества, осуществляемого процессами транспорта и трансформации. В этой модели учитывается динамика биогенов в донных отложениях, служащих «памятью» эволюции озерной экосистемы и важнейшим звеном, замыкающим биогеохимический круговорот путем реминерализации биогенов. Выполнены прогностические оценки изменения экосистемы: С 2020 г. и до конца рассматриваемого периода (2040 г.), будет, наблюдаться увеличение первичной продукции. Численные эксперименты показали, что увеличение первичной продукции является следствием усиления рециклинга круговорота фосфора, как реакция системы на повышение температуры воды в фотическом слое в вегетационный период при потеплении климата. Сделан вывод о том, что при дальнейшем потеплении возрастает роль климата в изменениях экосистемы по сравнению с тем, что было в представлено работах (Астраханцев и др., 2003; Меншуткин и др., 2013; Руховец и др., 2011).
В 2018 завершено создание комплексной 3-D модели химико–биологических и гидрофизических процессов для Ладожского и Онежского озер, для описания процессов эвтрофирования Ладожского и Онежского озер (образование первичной продукции, тепло - и массообмен с донными отложениями и др.) с использованием модели, ранее разработанной в ИВМ для Каспия (Ибраев, 2008). Проведены численные эксперименты для оценки реакции экосистем Ладожского и Онежского озер на возможные климатические изменения (потепление 2-5°С). Показано, что реакция экосистем Ладожского и Онежского на возможное изменение климата существенно различаются. В Онежском озере во все сезоны абсолютные значения первичной продукции (ПП) ниже по сравнению с Ладожским озером. Обусловлено это тем, что во–первых, температура воды в Онежском озере в периоды открытой воды ниже, чем в Ладожском, что снижает интенсивность продукционных процессов, а во–вторых, тем, что фитопланктон Онежского озера из–за особенностей формирования цветности воды находится в состоянии «радиационного голодания». Таким образом, солнечная радиация выступает в роли лимитирующего фактора.
Реализована методика расчета водного баланса озера с помощью имеющихся современных данных атмосферных реанализов NCEP/NCAR с пространственным разрешением по долготе и широте 2.5°х2.5° за период 1948-2016 гг. на основе расчетов транспорта влаги в атмосфере над регионом водосбора озера. Показано, что природа колебаний уровня озер Ладожского и Байкал обусловлена сменой тенденций транспорта влаги из Северной Атлантики и Арктики, а также в случае Байкала влиянием Сибирского антициклона. В баланс влаги над их водосборами зональный перенос влаги можно отнести к глобальному (главному) фактору изменчивости, а меридиональный к региональному. По результатам полученных прогностических расчетов транспорта влаги в атмосфере и его приповерхностного баланса проведена оценка возможных тенденций изменений уровня воды озер Ладожского и Байкал вплоть до 2085 г. Показано, что в бассейне Ладожского озера в слое 850-1000 сохранятся естественные 30-летние циклы без общей тенденции к понижению или росту, и учитывая согласованность в изменениях вертикального потока влаги и уровня озера можно ожидать аналогичных тенденций в колебаниях последнего.
Выполнена опытная эксплуатация системы и верификация результатов расчетов в прогностическом режиме для модели WRF по данным измерений за 2018 год и для модели INMOM по данным измерений (скорость ветра, его зональная и меридиональная компоненты, температура воздуха и давление на уровне моря) за 2017 год. Результаты верификации в режиме опытной эксплуатации показали, что с использованием система могут быть осуществлены прогнозы метеорологических и гидрологических характеристик. Проведены расчеты по воспроизведению гидрологических характеристик при отсутствии влияния Кара-Богаз-Гол на гидрологический режим Каспийского моря. Результаты расчетов показали, что открытие пролива Кара-Богаз-Гол не приводит к значимым изменениям в термохалинной структуре вод Каспийского моря.
С использованием обновленной 3-D вихреразрешающей модели гидро- и термодинамики Каспийского моря проведена новая реконструкция многолетней изменчивости термохалинных свойств его вод. Собран и проанализирован большой объем диагностической информации о структуре вод Каспия, его водном балансе, циркуляционных факторах. На основе полученных данных исследовано влияние режимного климатического сдвига 1976-1978 гг. на термохалинную структуру вод Каспийского моря. Для оценки роли антропогенной нагрузки проведен эксперимент с заданием естественного расхода рек, то есть без учета изъятий вод на хозяйственные нужды.
Реализована динамико-стохастическая (ДС) модель многолетнего уровенного режима Байкала с многокомпонентным входным процессом, которая основывается на представлении о колебаниях уровня как выходном процессе гидрологической системы, на вход которой поступают основные компоненты водного баланса озера. Разработан метод численного (имитационного) моделирования векторного случайного процесса с взаимно коррелированными компонентами в виде процессов авторегрессии произвольного порядка. Этот метод был применен при имитационном моделировании для оценки влияния возможных безвозвраитных изъятий из стока р.Селенги на колебания уровня Бакала и стока р.Ангары и для оценки влияния управления уровнем озера на основные статистические характеристики уровня Байкала и стока Ангары. Показано, что использование оценок статистических характеристик водного баланса озера по всему интервалу 1901-2014 гг. при расчетах на перспективу характеристик многолетних колебаний уровня Байкала не рекомендуется. Показано, моделирование притока воды в Байкал для 1933-2014 гг. двухкомпонентным АР(2)-процессом позволяет получить уточненные оценки дисперсии и коэффициента автокорреляции колебаний уровня Байкала. Получены оценки статистических характеристик р.Ангары для случая постоянных изъятий из речного притока в озеро при реализации гидротехнических мероприятий в бассейне р. Селенги. Показано, что уменьшение стока р.Селенги из-за этих мероприятий приведет к заметным неблагоприятным изменениям минимального стока р.Ангары – уменьшению его обеспеченности. Доказано, что управление, направленное на удержание колебаний уровня Байкала в фиксированном конечном диапазоне отметок, приводит к увеличению дисперсии (размаха) колебаний стока р.Ангары и увеличению вероятностей неблагоприятных экстремальных величин стока этой реки. Показано, что зарегулированность стока Ангары после создания Иркутского водохранилища привела к изменению гидравлической зависимости между уровнем Байкала и Ангары. Уменьшение параметра инерционности Байкала создало тенденцию к увеличению дисперсии и автокоррелированности уровня озера.
Результаты исследований использованы для подготовки документов, рекомендаций, обоснований Законодательному собранию РК для Федерального Собрания и Государственной думы РФ, а также по запросу ОНЗ РАН (для Совета Безопасности РФ) для разработки проекта Федерального закона и приоритетного проекта рационального использования ресурсов и охраны экосистем Ладожского и Онежского озер.
Авторы полагают, что полученные в проекте новые знания, результаты, данные, созданные модели термогидродинамики и экосистем для озера Каспия, Ладожского и Онежского, Байкал , позволяют решать практические задачи по рациональному использованию ресурсов, сохранению и восстановлению экосистем. Могут быть востребованы для долгосрочных (внутривековых) прогнозов, в разработке систем поддержки принятия управленческих решений.