Система мониторинга и тренды снежности гор Центральной Азии

Аридный климат равнин Центральной Азии создает проблемы с водообеспеченностью территорий. Наибольшие трудности испытывают водозатратные отрасли народного хозяйства, такие как поливное земледелие, которое является основой для производства продуктов питания во многих странах региона. В Центральной Азии мало крупных рек и все они являются трансграничными. Основной объём речного стока собирается в хребтах Алтая, Джунгарского Алатау и Тянь-Шаня. Затем водные потоки транзитом проходят через сухие, предгорные наклонные равнины к своим конечным водным объектам, Карскому морю, озеру Балхаш или Аральскому морю. К крупным рекам Казахстана можно отнести реки Ертис (10 км3) и Иле (12 км3), которые приходят из КНР, и р. Сырдарья (30 км3), приходящая из Узбекистана.
Все реки Центральной Азии формируют основной объём своего стока в высокогорной зоне, причём как правило доминирует снежно-ледовое питание рек. Эти условия делают весьма востребованной задачу мониторинга снежного покрова в высокогорной зоне. Понимание направленности тенденций запасов снега в высокогорных зонах формирования речного стока необходимо для долгосрочного планирования развития народного хозяйства. Решение этой задачи требуют детальной исходной информации, однако существуют трудности. Во-первых, в труднодоступных горных массивах очень мало метеостанций. Во-вторых, регистрация объемов твердых осадков, особенно в условиях сильного ветра технически затруднена. В связи с этим, возникает дилемма, что брать за информационную основу. Наземные данные с редкой сети метеостанций, не имеющих адекватной аппаратуры для точной регистрации количества твердых осадков или результаты модельных расчетов, которые как правило основываются на ассимиляции данных ВМО, спутников и глобальных прогнозных погодных моделях. Краткосрочный прогноз погоды в настоящее время считается наиболее точной и высоко детальной (на регулярной сетке) информацией о состоянии территорий. В наших работах мы использовали продукты свободного доступа из портала USGS Famine Early Warning Systems Network (FEWS NET - Central Asia). Там представлено несколько продуктов, описывающих снежный покров, такие как:( “Snow Depth”, “Snow Depth Anomaly”, “Snow Water Equivalent Anomaly”, с суточным обновлением с пространственным разрешением 1 км. Доступен архив данных с 2000 года, что позволяет оценивать многолетние тенденции.
Ранее было выявлено, что, например, уровень снежности хребта Ат-Баши во Внутреннем Тянь-Шане в период 1982-2022 можно условно разбить на три эпохи: сухую, 1982-1999 гг., со среднегодовой высотой снега 0,099±0,051 м; влажную, 2000-2012 года, 0,192±0,074 м; и умеренно влажную 2013-2022 года, 0,133±0,058 м. По спутниковым снимкам в период между 2002-2013 гг. регистрировался рост горного оледенения хребта Ат-Баши. Таким образом, современный тренд изменений увлажнения хребта Ат-Баши, для периода 1982-2022 гг. направлен на некоторый рост снежности территорий и площади, рядом расположенного, относительно крупного высокогорного озера Чатыр-Куль.
Морфологический анализ пространственного распределения положительных аномалий запасов воды в снежном покрове основных горных систем Евразии в целом в период 2001-2019 показал, что средняя площадь положительной аномалии уменьшилась за 19 лет в 10 раз, примерно с 10000 до 1000 км2. Крупные по площади аномалии, типичные в первые года 20-го века, уступили место группам, относительно мелких, обособленных зон, характерным, особенно после 2015 года. Достоверность экспоненциальной аппроксимации временного ряда (2001-2019 гг.) в этом случае составила 0,84. Однако, столь значительные изменения в пространственной организации SWEA снежного покрытия горных территорий Евразии не отразились в их средних значениях. Стабильность среднего уровня увлажнения территории на большом масштабе, тем не менее, сопровождалась возможностью значимых и достоверных изменений в локальных зонах. Например, область положительных аномалий SWEA (+100 мм) для 2019 года в период 2001-2019 характеризуется достоверным ростом увлажнения со скоростью 182 мм/10 лет (коэффициент корреляции Пирсена 0,63). Таким образом, изменения в пространственной организации снежного покрова горных территорий Евразии, регистрируемые в последние 20 лет, могут сопровождаться локальным перераспределением снега, с изменением многолетних норм увлажнённости холодного периода одних локальных территорий за счет конкуренции с другими.
Водообеспеченность локальных горных зон, обеспечивающих водность некоторых рек тесно связана с хозяйственной деятельностью. Водохранилища, расположенные в нижней части долины перехватывает весенние паводки и обеспечивает водой ирригацию поливной пашни. Погодные условия меняются на масштабе десятилетий и возникает необходимость понимания направленности изменений и выдача рекомендаций по адаптации к текущим и будущим погодным условиям.
В настоящий момент большой интерес представляют современные тенденции изменения климата и многолетних погодных условий, влияющих на водообеспеченность территории Южного Казахстана. Аридный климат этих территории приводит к концентрации населения в небольших зонах, обеспеченных поверхностными водами. В основном это районы недалеко от русел рек и водной инфраструктуры (ирригационных каналов). Так существует значительный недостаток наземной информации о гидрологических условиях зон формирования стока реки Бугунь в районе хребта Каратау. Имеющиеся наземные данные об осадках и запасах снега в зимний период в бассейне Бугуньское (Богенское) водохранилища слишком фрагментарны и недостаточны для достоверного описания динамики их изменений за последние десятилетия.
Бугуньское (Богенское) водохранилище расположено в Туркестанской области Казахстана на высоте 260 м над уровнем моря, с юго-запада на предгорной долине невысокого хребта Каратау (2176 м), относящегося к Западному Тянь-Шаню и протянувшегося примерно на 500 км с юго-востока на северо-запад. Водохранилище было построено в 1967 году в долине реки Бугунь. Объём резервуара составляет 0,377 км³, площадь водного зеркала до 65 км², длина 13 км, ширина 6 км и средняя глубина 6 м. Река Бугунь имеет снеговое и грунтовое питание, длину 164 км и площадь бассейна свыше 4,5 тыс. км². Среднегодовой расход воды у гидропоста «Красный мост» немного превышает 4 м³/с. До строительства водохранилища река впадала в бессточное озеро Кумколь (190 м над уровнем моря). Сейчас Бугуньское водохранилище соединяется Туркестанским обводнительным каналом с бассейном реки Сыр-Дарья и используется для производства электроэнергии и ирригации.
Климат предгорных долин и хребта Каратау очень сухой и жаркий, осадки приурочены к холодному периоду. Годовое количество осадков зависит от высоты местности и находится в пределах от 200 до 600 мм. Водные ресурсы р. Бугунь, используемые для накопления воды в водохранилище, по большей части, поступают в резервуар в форме весеннего половодья. В течение зимнего периода происходит накопление снега, особенно в верхних частях бассейна, относящихся к высотной зоне 700-1200 м над уровнем моря. Поэтому, задача оценки современных трендов водообеспеченности Бугуньского водохранилища может быть сведена к задаче многолетнего мониторинга и анализа запасов снега в его бассейне.
Полученные результаты демонстрируют в базовом многолетнем (2001-2024 гг.) временном ряде наличие восходящего монотонного тренда высоты аккумулированного за сезон снежного покрова. Линейно регрессионный метод оценивает скорость прироста высоты снежного покрова в целом в 2,25 см\год, с уровнем достоверности линейной аппроксимации в R2=0,29. Компонентный анализ показал наличие выраженного восходящего линейного тренда у высоких сезонных значений накопленной высоты снега. Скорость роста составила +3,48 см \год, с уровнем достоверности линейной аппроксимации в R2=0,71. Средние значения характеризовались слабо выраженным монотонным ростом, скорость +1,5 см \год, и достаточно низким уровнем достоверности линейной аппроксимации в R2=0,27. А низкие сезонные значения накопленной высоты снега практически не имели монотонного тренда, +0,65 см\ год, уровень достоверности линейной аппроксимации, R2=0,08.
В качестве рекомендаций по адаптации к изменениям климата в бассейне Бугуньского вдхр. можно отметить востребованность увеличения ёмкости резервуара. Редкие многоснежные зимы имеют тенденцию становиться все более многоснежными. Это обстоятельство способствует росту рисков разрушения дамбы и снижению эффективности работы из-за необходимости всё чаще делать пропуски воды в весенние периоды отдельных лет.
Благодарности. Работа поддержана Министерством науки и высшего образования Республики Казахстана (Grant No. AP14871126 и BR18574144).