Исследование и моделирование возможных сценариев формирования экстремальных палеогидрологических явлений в бассейне Каспия в позднеледниковье

Аннотация к заявке:

Современные палеогеографические данные дают основания утверждать, что в позднеледниковье[1], как и в течение всей валдайской ледниковой эпохи, амплитуда колебаний уровня Каспия составляла не менее 30-40 м, что в разы превышает колебания уровня моря в голоцене. При этом физические механизмы (климатические или иные), которые могли стать причиной такой экстраординарной вариабельности уровня моря, до сего времени не установлены.

Проект направлен на исследование гидрологических, климатических, геоморфологических, гляциологических факторов экстремальных палеогидрологических явлений на водосборе Каспийского моря в эпоху позднеледниковья и разработку методов моделирования возможных сценариев их формирования. Объектом исследования станут физические механизмы трансгрессивных стадий колебаний уровня Каспия в рассматриваемую эпоху с максимальными уровнями порядка 0¸+20 м. абс., т.е. более чем на 30 метров выше современного уровня

Новизна заявленного проекта состоит в применении методов физико-математического моделирования гидрологических процессов и палеоклимата в сочетании с современными результатами палеоклиматических и палеогеографических исследований, для анализа экстраординарных палеогидрологических явлений и реконструкции физически осуществимых сценариев формирования трансгрессивных стадий колебаний уровня Каспия.

Ключевым «выходом» заявляемого проекта должны стать результаты тестирования (на основе расчетов по разработанным моделям) и выводы о физической обоснованности следующих пяти гипотез о возможных механизмах формирования подтвержденных палеогеографическими данными экстраординарных подъемов уровня Каспия в позднеледниковье: (1) Экстремальный рост притока воды с водосборной территории вследствие возможных палеоклиматических изменений (например, роста осадков и снижения испарения); (2) Экстремальный рост притока воды с водосборной территории вследствие распространения многолетнемерзлых пород и снижения фильтрационных свойств почвогрунтов; (3) Экстремальный рост притока воды с водосборной территории за счет талых вод валдайского оледенения; (4) Экстремальный рост притока воды вследствие перестройки речных долин и увеличения площади палеоводосборов; (5) Экстремально высокий подъем уровня Каспийского моря вследствие наличия потенциальной положительной обратной связи в механизме собственных колебаний уровня моря при стационарных внешних воздействиях.

Для достижения заявленной цели проекта исследования планируется вести по 3-м основным направлениям: гидрологическому, палеоклиматическому и палеогеографическому

По каждому из направлений в ходе выполнения проекта планируется получить следующие результаты:

Гидрологический блок работ

1. Физико-математическая гидрологическая модель формирования речного стока на водосборе Каспийского моря, верифицированная по данным инструментальных наблюдений.

2.  Модель колебаний уровня Каспийского моря, воспроизводящая изменения  уровня за период инструментальных наблюдений.

3. Оценки чувствительности характеристик водного режима речных бассейнов водосбора Каспийского моря и колебаний уровня моря к изменению климатических параметров и свойств подстилающей поверхности (рельефа, почв, растительного покрова, наличия многолетнемерзлых пород, морфометрии водосборной площади и речной сети).

4. Результаты численных экспериментов гидрологической модели с выходными данными моделей климата, воспроизводящими климатические условия позднеледниковья, моделирование максимального (на масштабах долгопериодных климатических колебаний) притока воды с водосбора Каспийского моря, возможного в условиях палеоклимата:

а) при критическом сочетании факторов стокообразования, включая влияние многолетней мерзлоты на фильтрационные свойства водосбора;

б) с учетом дополнительного стокообразования, возможного за счет притока талых ледниковых вод;

в) при палеогеографически обоснованных сценариях возможных изменений морфометрии палеоводосбора и речной сети.

5. Оценки максимального подъема уровня Каспийского моря в условиях экстремального  притока воды с его водосбора в условиях палеоклимата при различных сценариях условий подстилающей поверхности, подтвержденных палеогеографическими данными. Сопоставление рассчитанных оценок возможного максимального подъема уровня Каспийского моря в условиях климата позднеледниковья с палеогеографическими данными о масштабах хвалынских трансгрессий этой эпохи.

6. Анализ смоделированных критических сценариев, которые могли вызвать подъем уровня моря до отметок, подтвержденных данными палеогеографических реконструкций. Формулировка подтвержденных расчетами гипотез, объясняющих генезис экстраординарно высоких объемов речного стока и высокого стояния Каспийского моря в позднеледниковье.

Палеоклиматический блок работ

1. Архив данных, содержащий временные ряды осадков, температуры и влажности воздуха, рассчитанные с помощью глобальных моделей климата – участников экспериментов  PMIP3 и PMIP4.

2. Результаты анализа палеклиматических данных, их возможности к воспроизведению ведущих мод внутренней изменчивости климата (АМО, ТДО, САК, ЭНЮК) и структуры крупномасштабной циркуляции атмосферы как факторов, влияющих на температурно-влажностный режим на водосборе Каспийского моря.

3. Рассчитанные поля палеоклиматических переменных для водосборной территории Каспия в период позднеледниковья. Методы усвоения палеоклиматической информации гидрологической моделью формирования речного стока на водосборе.

4. Оценки значимости связей между ведущими модами внутренней изменчивости климата и колебаниями уровня Каспийского моря по данным моделей проектов PMIP3 и PMIP4 и оценки относительной роли этих факторов в формировании изменения уровня моря в период позднеледниковья.

Палеогеографический блок работ

1.  Результаты тестирования существующих в литературе гипотез о значительных изменениях водосборной площади Волги в позднеледниковье за счет переливов ледниково-подпрудных вод из бассейнов Вычегды и Днепра и перестройки речной системы верхней Волги вследствие ледникового подпруживания.

2. Результаты палеогидрологического изучения бассейнов Волги и Камы по данным экспедиционных работ по ключевым участкам водосборов. Карты палеорусел. Оценки морфометрических параметров и возраста речных палеорусел времени позднеледниковья на реках бассейна Волги.

3. Количественная оценка стока по параметрам позднеледниковых палеорусел на основании гидролого-морфологических зависимостей и по палеофлористическим данным, выполненная для нескольких временных срезов. 

Коллектив исполнителей проекта объединяет специалистов в области моделирования процессов гидрологического цикла суши и колебаний уровней воды во внутренних водоемах (Институт водных проблем РАН), исследований и моделирования климата, анализа экстраординарных палеоклиматических явлений (кафедра Метеорологии и климатологии МГУ им. М.В. Ломоносова, Институт физики атмосферы РАН им. А.М. Обухова), палеогеографических исследований, реконструкции геоморфологических процессов при формировании экстраординарных палеогидрологических явлений (специалисты кафедры Геоморфологии и палеогеографии МГУ им. М.В. Ломоносова). Ведущие исполнители проекта имеют десятки цитируемых публикаций в высокорейтинговых отечественных и зарубежных журналах. Половину творческого коллектива составляют молодые сотрудники и аспиранты.

Аннотация к отчету по результатам реализации проекта в 2019 году:

Выполненные работы и основные результаты, полученные в 2019 году

1. Палеогеографический блок работ

Палеогидрологическое изучение бассейнов Оки и верхней Волги (выше впадения Оки). Составление карты палеорусел. Определение морфометрических параметров палеорусел. Выбор ключевых участков и проведение бурения с отбором образцов на датирование. Бурение на междуречье Угры и Днепра для определения возможности межбассейнового перелива подпрудных вод. Бурение в ложбине Тезы для диагностики возможных переливов из Волги в Клязьму.

Основные результаты

1.1 Перелив вод из соседних бассейнов как фактор водного баланса верхней Волги и Оки можно исключить. На основании натурного изучения междуречной седловины между Волгой и Тезой (выше долины прорыва у Плеса) показано отсутствие там морфологических следов концентрированного мощного стока. Отсутствие на этих высотах (30 м над Волгой) более поздних отложений водного генезиса указывает на невозможность существования в МИС двух  подпрудных озер, способных перелиться через Галичско-Чухломскую гряду, т.е. прорыв Волги у Плеса произошел значительно ранее. Таким образом, гипотеза о значительных изменениях площади водосбора верхней Волги и Оки в эпоху последнего оледенения и переливах ледниково-подпрудных вод из соседних бассейнов не подтвердилась

1.2 Выполнена количественная оценка величины поступления в верхнюю Волгу талых ледниковых вод. Получено, что в период дегляциации (19-16,5 тыс.л.н.) общее поступление талых вод в верхнюю Волгу могло составлять,  по разным моделям ледника, 55 – 70 км³ в год. Однако в реальности общий сток Волги увеличивался значительно меньше, поскольку рост поступления талых вод в значительной степени компенсировался  падением стока за счет снижения атмосферного питания.

1.3 Выполнена количественная оценка общего речного стока из бассейнов верхней Волги и Оки по морфологическим характеристикам палеорусел. Медианная оценка объема палеостока для бассейна верхней Волги оказалась равной 142 км³/год, а для бассейна Оки – 82 км³/год, что в 1,5 и 2,0 раза, соответственно, превышает современные величины. В бассейнах Оки и средней Волги [Sidorchuk et al., 2009] и в целом в центре Русской равнины [Panin, Matlakova, 2015] большие палеорусла формировались в период времени с 18 до 13 тыс.л.н. К этому периоду следует относить и полученные оценки стока.

Примеры морфологических следов повышенного речного стока: А – палеорусла-макроизлучины (нижняя Мокша), Б – унаследованные макроизлучины (средняя Упа), В – большое прямолинейное палеорусло (нижняя Клязьма).

Схема распространения морфологических следов повышенного позднеледникового стока атмосферного происхождения в бассейнах верхней Волги и Оки (слева) и оцененный по параметрам палеорусел слой стока в бассейнах с площадью более 5000 км² (справа)

1.4 Получены натурные материалы для уточнения хронологии этапа повышенного стока в позднеледниковье. В частности, получен и передан в лабораторию первый материал для датирования староречья-макроизлучины в бассейне верхней Волги. Детально изучен бурением ключевой участок на нижней Мокше. Массовое АМС датирование  позволит уточнить время начала и окончания этапа повышенного стока. Последнее особенно важно, поскольку до сих пор нет ясности, продолжался ли повышенный сток в позднем дриасе или в это время его величина  уже упала до значений, характерных для голоцена.

2. Палеоклиматический блок работ

Основные результаты

2.3 На базе экспериментов piControl и LGM оценены изменения основных гидроклиматических характеристик на водосборе Каспийского моря в эпоху последнего ледникового максимума (ПЛМ) по сравнению с «контрольным» экспериментом по данным климатических моделей. Показано, что в рассматриваемую эпоху происходило уменьшение «климатического» стока Волги (разности между осадками и испарением): 8 из 9 моделей показали снижение стока в эпоху ПЛМ. То есть  снижение количества осадков не было скомпенсировано уменьшением слоя испарения на  водосборе Волги, увеличение слоя стока наблюдается лишь в южном регионе, тогда как в среднем по водосбору  слой стока уменьшился на  40 мм (около 25%). В то же время слой испарения с поверхности Каспия также уменьшился, что вполне могло скомпенсировать дефицит увлажнения на водосборной территории. Для оценки изменения водного баланса Каспия требуется проведение дальнейших расчетов с использованием гидрологических моделей.

Распределение годовой суммы осадков (слева) и «климатического» стока (разность между осадками и испарением; справа) в эпоху последнего ледникового максимума по данным модели MPI на территории Восточно-Европейской равнины.

3. Гидрологический блок работ

Разработка и апробация физико-математической модели формирования стока р. Волги.

Основные результаты

3.1 Впервые разработана единая физико-математическая модель формирования речного стока на всем водосборе р. Волги, позволяющая с высоким пространственным (~1500 км²) и временным (1 сутки) разрешением воспроизводить водный режим незарегулированных рек волжского бассейна и бокового притока воды к отдельным участкам основного русла. Информационное обеспечение модели – данные стандартного гидрометеорологического мониторинга и общедоступные глобальные данные о характеристиках подстилающей поверхности.

3.2 Проведены численные эксперименты по тестированию модели, которые показали хорошее и удовлетворительное, по принятым критериям эффективности, качество модельных расчетов.

Среднесуточные наблюденные и смоделированные гидрографы в створах рек в бассейне Волги за период верификации модели (1986–1999 гг.)