- № 2(6) 2024
«Метеорологія. Гідрологія. Моніторинг довкілля»
“Зміни водних ресурсів транскордонного басейну річки Західний Буг, виявлені на підставі супутникових спостережень GRACE i водно-балансових розрахунків
Центральна i Південна Європа потерпають від посухи у зв’язку зі зростанням температури повітря та випаровування нa тлі відносно сталої кількості опадів. Згідно з супутниковими даними GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) в басейні Західного Бугу втрати водних ресурсів за період 2012–2023 рр. оцінюються на рівні 8,8±5,2 мм/рік. Серед методів наших досліджень був аналіз просторово-часових закономірностей змін сумарних запасів вологи водозбору ±∆W (в ґрунтах, поверхневих водних об’єктах, підземних водах), які оцінювались на підставі водно-балансових розрахунків i супутникових спостережень GRACE. Опрацьовано модель інтеграції даних опадів (P), випаровування з поверхні водозбору (ET) i поверхневoго стоку (Q) з даними ∆W-GRACE. В моделі прийнято, що величина ∆W розраховується з пропорції між додатною (P) i від’ємною частинами водного балансу (ET i Q) i є компенсаційною складовою, яку часто називають нев’язкою водного балансу. Отримані моделі регресії застосовано для корегування даних ∆W-GRACE, які характеризуються низькою просторовою і роздільною здатністю. Кореляційний аналіз між ∆W-GRACE та інтегрованим ∆W зі складовими водного балансу дозволив ідентифікувати неточності вимірювань GRACE i заповнити прогалини в рядах спостережень. Опрацьована модель значно покращила відповідність між даними ∆W-GRACE i ∆W-водного балансу (похибка RMSE зменшилася з 34,7 до 14,9 мм/місяць). Встановлено, що мінливість ∆W детермінована опадами, особливо у верхній частині басейну р. Західний Буг. Найбільш важливими є результати, отримані для років з гіршою якістю або відсутністю спостережень GRACE (2017, 2018 рр.). З водно-балансових розрахунків спадкова тенденція водних ресурсів виглядає дещо слабшою, ніж зі спостережень GRACE. Причина цього може полягати у неврахуванні у водно-балансових розрахунках підземного стоку. Представлений метод становить альтернативу для екстраполяції ∆W поза періодом спостережень GRACE. Результати досліджень придатні для збільшення роздільної здатності GRACE, виконання просторової і часової інтерполяції.
“Щодо неузгодженості даних різних джерел інформації про викиди та приземний вміст забруднюючих речовин в атмосферному повітрі над територією України
Розроблення плану заходів і стратегій щодо зменшення забруднення атмосферного повітря передбачають використання даних викидів та концентрацій за тривалий період часу. На таких масштабах зростає роль похибок, що може призвести до створення неефективних заходів. У статті представлено дослідження узгодженості даних різних джерел між собою, зокрема офіційних інвентаризацій викидів, модельних даних викидів сервісу Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS), даних концентрацій забруднюючих речовин виміря- них на стаціонарних постах спостережень гідрометеорологічних організацій, та даних приземного вмісту із реаналізу CAMS для монооксиду вуглецю (СО), діоксиду азоту (NO2) та діоксиду сірки (SO2). Дослідження розкрили значну неузгодженість між різними базами даних, що часто відображають зовсім різну міжрічну мінливість і тенденції у змінах показників. У той час як викиди переважно зменшуються, концентрації у більшості міст продовжують зростати за даними спостережень та часто значущо не змінюються за даними реаналізу. При цьому узгодження між даними викидів за різними джерелами складає лише 12 випадків із набору місто — домішка. Узгодження між даними концентрацій забруднюючих речовин виявлено лише у 3 містах для СО та 4 для SO2. Різниця між обсягами викидів, навіть за високих кореляцій, може складати один порядок для деяких міст. У статті представлено перелік міст для кожної із досліджуваних забруднюючих речовин, де спостерігається узгодження різних даних і таких даних, що можуть бути як взаємодоповнюючими, так і взаємозамінними.
“Кліматичні характеристики термічних періодів в Україні до кінця ХХІ ст. частина ІІ: вегетаційний період
У статті представлено результати дослідження термічних періодів в Україні, а саме його друга частина, яка стосується тривалості та дат початку і закінчення вегетаційного періоду, що визначається за стійким переходом середньої за добу температури повітря через 5°С. Кліматичні характеристики вегетаційного періоду визначають початок і закінчення сільськогосподарських робіт, а також низки інших заходів, які проводяться, наприклад, у лісовому та інших господарствах. Методи визначення кліматичних характеристик у даному дослідженні були аналогічними тим, що використовувалися у першій частині, де проаналізовані зміни у теплий період (Краковська та ін., 2023, http://doi.org/10.15407/Meteorology2023.04.035). Значення кліматичних характеристик вегетаційного періоду для кліматологічної норми 1961-1990 і базового періоду 1991-2010 розраховувалися за даними європейської бази даних E-OBS, а проєкції змін відносно базового і значення у майбутні три періоди (2021-2040, 2041-2060 і 2081-2100) – за добовими даними 34 регіональних кліматичних моделей (РКМ) міжнародної ініціативи для Європи Euro CORDEX за сценаріями RCP 4.5 і RCP 8.5. Для розрахунків використовували функцію eca_gsl пакетного програмного продукту CDO (Climate Data Operator) для визначення дат стійкого переходу температури через 5°С. Для корекції різниць масок у E-OBS і ансамблю РКМ через різницю кількості точок сітки переважно прибережної лінії використано засоби геоінформаційної системи QGIS 3.28, за допомогою якої також відбувалося картографування для візуалізації та аналізу результатів із подальшим представленням у вигляді карт в електронному атласі за допомогою JavaScript-бібліотеки Leaflet. Встановлено, що тривалість вегетаційного періоду зростатиме на всій території країни до кінця століття. Ці зміни очікуються більш однорідними, ніж зміни тривалості теплого періоду. Тривалість вегетаційного сезону, яка на початку ХХІ століття була характерна лише для південного узбережжя Чорного моря та Кримського півострова, у кінці століття за реалізації сценарію високих концентрацій RCP 8.5 може бути характерною і на крайньому північному сході країни та в Українських Карпатах. Очевидно, що це значно змінить і потребуватиме швидкої адаптації екосистем і зміни практик ведення лісівництва та агропромисловості. Представлені результати можуть бути використані в розробці секторальних, національної, обласних і муніципальних стратегій з адаптації до зміни клімату.
“Автоматизація процесу довгострокового прогнозування строків руйнування льодоставу та очищення від льоду на Дніпровських водосховищах
Стаття присвячена створенню автоматизованої системи «Ice-Spring» для довгострокового прогнозування дат руйнування льодоставу і очищення від льоду на водосховищах Дніпровського каскаду шляхом написання комп’ютерної програми для її подальшого використання в оперативній роботі Українського гідрометеорологічного центру ДСНС України (УкрГМЦ). Для автоматизації процесу прогнозування створено програмне забезпечення системи «Ice-Spring», яке написане на мовах програмування С# та С++ у середовищі Visual Studio 2022 Community Edition у вигляді Windows форм та консольних додатків. Система «Ice-Spring» дозволяє кожного року виконувати довгострокове прогнозування дат руйнування льодоставу (20 лютого) та очищення від льоду (5 березня) на 36 гідрологічних постах водосховищ Дніпровського каскаду. Прогнозування здійснюється за 12 прогнозними залежностями на основі регресійних зв’язків між датами на постах-індикаторах та телеконнекційними показниками. При цьому, використовуються середні місячні значення 11 телеконнекційних показників, які впливають на процеси руйнування льодоставу і очищення від льоду на водосховищах Дніпровського каскаду і, які визначаються Національною службою погоди Національного управління океанічних і атмосферних досліджень США. Прогнозування на інших постах виконується за 60 регресійними залежностями між датами на цих постах і датами на постах-індикаторах. Створене програмне забезпечення автоматизованої системи довгострокового прогнозування «Ice-Spring» пройшло успішне тестування і показало свою працездатність за незалежними даними 2021 року. При цьому, виконана перевірка ефективності прогнозування надала прийнятні результати, оскільки з 12 прогнозів тільки 2 прогнози не справдились. Система «Ice-Spring» передана в УкрГМЦ для випробування і оперативного використання.
“Особливості гідрохімічного режиму антропогенно змінених поверхневих водних об’єктів
У статті розглянуто особливості гідрохімічного режиму водних об’єктів, які знаходяться в межах урбанізованої території. Встановлено, що взимку і навесні мінералізація води і вміст головних йонів зазнає найбільших змін у водних об’єктах, до яких надходять зливові води з хімічними засобами проти ожеледиці. Це призводить до зростання величин мінералізації води у цілому і концентрації хлоридів, сульфатів, йонів натрію і магнію зокрема. У місцях локального забруднення водних об’єктів простежується збільшення концентрації неорганічних сполук азоту і фосфору, органічних речовин і металів. У водних об’єктах, які зазнають істотного антропогенного впливу, переважає неорганічна форма азоту і фосфору, частка якої досягає > 50 % їхнього загального вмісту. Для антропогенно змінених водних об’єктів характерне зростання концентрації розчинених органічних речовин за рахунок збільшення частки вуглеводів та інших не ідентифікованих груп органічних сполук, тоді як частка гумусових речовин зменшується. Помітне збільшення частки вуглеводів відбувається зазвичай влітку і восени за умов “цвітіння” води і відмирання фітопланктону та вищих водних рослин. Антропогенне забруднення водних об’єктів стає причиною зростання частки лабільної фракції металів, яка потенційно біодоступна та токсична для гідробіоти. Зазначена фракція перевищує 50 % їхньої концентрації у розчиненому стані. Збільшення мінералізації води, вмісту біогенних і органічних речовин та лабільної фракції металів простежується також у придонному горизонті водойм під час прямої і зворотної температурної стратифікації через їхнє надходження з донних відкладів. Цьому сприяє передусім дефіцит розчиненого кисню, зниження величин Eh-потенціалу та збільшення температури води. Вторинне забруднення води біогенними речовинами слід розглядати як важливе внутрішнє джерело посилення евтрофування водойм. В результаті водне середовище стає непридатним для життєдіяльності багатьох оксифільних гідробіонтів. В умовах потепління клімату зазначені процеси посилюватимуться. Тому важливим стає розроблення низки заходів, які б унеможливлювали або мінімізували як зовнішнє, так і внутрішнє надходження поживних речовин до поверхневих водних об’єктів.
“Прояви взаємодії річкових і морських вод у статистичній структурі солоності за даними спостережень на берегових станціях України
Проаналізовано часові ряди спостережень 1997-2010 рр. за солоністю води на морських гідрометеорологічних станціях північного узбережжя Північно-західної частини Чорного моря на ділянці від гирла Дніпровсько-Бузького лиману (Кінбурнської протоки) до Одеської затоки. Побудовано емпіричні функції розподілу ймовірності солоності для станцій Очаків, Південне та Одеса-порт для усіх місяців і року у цілому. За допомогою метода аналізу суміші виконано одновимірну кластеризацію емпіричних гістограм солоності у припущенні, що вони складаються із кількох функцій нормального розподілу, кожна з яких репрезентує окрему водну масу і характеризується своїми показниками – середньою величиною, стандартним відхиленням та часткою (пропорцією) у загальному розподілі (суміші). Для пошуку оптимальних рішень застосовано метод максимальної правдоподібності та інформаційний критерій Акаіке. Експериментальним шляхом, із урахуванням особливостей динаміки вод північної частини шельфу Північно-західної частини Чорного моря, встановлено, що гістограми солоності можуть бути апроксимовані сукупністю 2-3 гаусових функцій. Ці функції, як правило, відповідають водам річкового походження, морського походження і проміжним водам як результату взаємодії перших двох. Параметри апроксимації (середні величини, стандартне відхилення та пропорція в суміші) змінюються у просторі у залежності від відстані до джерел розпріснення або осолонення, а також у часі відповідно до сезонної мінливості процесів надходження та взаємодії водних мас на шельфі Північно-західної частини Чорного моря. Отримані кількісні показники складових, з яких складається водна суміш біля північних берегів Північно-західної частини Чорного моря, можуть використовуватися для ймовірнісного моделювання (прогнозування) солоності води у різних пунктах як для окремих місяців, так і у цілому для року, наприклад, за допомогою методу Монте-Карло.
“Методи оптимізації до створення веб-базованого атласу «Клімат і водні ресурси україни»
Метою цього дослідження є опис методів оптимізації процесу створення веб-базованого атласу «Клімат і водні ресурси України». Коротко викладено прогресивні методи створення веб-оболонки атласу, самих карт, складання проєкту атласу і його виконання. В огляді літератури викладено особливості створення фундаментальних картографічних творів, час, затрачений на це, показано важливість використання методів оптимізації виробництва картографічної продукції. Детально описано суть серійного картографування за допомогою автоматичної картографічної системи, крупно-вузлове збирання веб-оболонки атласу, пірамідальний алгоритм розроблення проєкту, скорочення кількості виробничих процесів, метод уніфікації карт, групування однакових чи подібних задач, використання «файлу скороченого технічного проєкту», автоматизацію виробничих процесів, покрокове просування з попереднім визначеним результатом. У результаті використання цих та інших методів час, витрачений на розроблення атласу, скоротився із 7 тис. робочих годин до 1,5 тис. Розробку атласу завершено у 2023 році та опубліковано за посиланням: https://maps.uhmi.org.ua. Зроблено висновок, що ці методи оптимізації складають суперкомпетентність, відповідальну за якість і продуктивність праці. Атлас містить понад 5000 карт, більшість із яких виконано за розробленою методикою. На цих картах зображено: середню, максимальну та мінімальну температуру повітря за місяць, опади, кліматичну температурну норму, прогноз зміни клімату, хвилі холоду, тепла та різкі зміни температури повітря, а також багато інших показників.
