Hydrological changes across Russia resulted from climate variability - PowerPoint PPT Presentation

Hydrological changes across Russia resulted from climate variability and human impacts ¡ Alexander ¡Shiklomanov* ¡ ¡and ¡Alexander ¡Prussevitch ¡ ¡ ¡Water ¡Systems ¡Analysis ¡Group, ¡University ¡of ¡New ¡Hampshire ¡ * ¡ArcAc ¡and ¡AntarcAc ¡Research ¡InsAtute, ¡St. ¡Petersburg, ¡Russia ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ MAIRS/NEESPI/SIRS ¡APN ¡Workshop , ¡06/28/2012 ¡-­‑ ¡07/002/2012, ¡ Irkutsk, ¡Russia ¡ ¡ ¡

Road ¡Map: ¡ ¡ ¡ § ¡ Observed ¡Hydrological ¡Changes ¡in ¡Russia; ¡ ¡ ¡ § ¡Human ¡Impact ¡on ¡Hydrology, ¡Example ¡of ¡Yenisey ¡River; ¡ § ¡Future ¡Changes ¡in ¡Regional ¡Hydrology; ¡ § ¡Rapid ¡Integrated ¡Mapping ¡and ¡Analysis ¡System ¡(RIMS). ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

River ¡discharge ¡to ¡the ¡ArcHc ¡Ocean ¡is ¡increasing ¡ Total ¡annual ¡discharge ¡to ¡the ¡ArcHc ¡Ocean ¡from ¡the ¡six ¡largest ¡rivers ¡in ¡the ¡Eurasian ¡pan-­‑ArcHc ¡ for ¡the ¡observaHonal ¡period ¡1936–2009 ¡ (from ¡Shiklomanov ¡and ¡Lammers, ¡ArcHc ¡Report ¡Card ¡2011 ) ¡ (red ¡line) ¡and ¡from ¡the ¡four ¡largest ¡North ¡American ¡ArcHc ¡rivers ¡over ¡1970–2010 ¡(blue ¡line). ¡The ¡ least ¡squares ¡linear ¡trend ¡are ¡shown ¡as ¡dashed ¡lines. ¡Red ¡diamond ¡shows ¡provisional ¡esHmate ¡ of ¡Eurasian ¡discharge ¡for ¡2010 ¡ ¡

4000 1 0 Annual precipitation (km 3 y -1 ) Annual air temperature ( 0 C) -1 3500 -2 -3 -4 3000 -5 -6 2500 -7 2300 16 1936 1946 1956 Annual Precipitation 1966 1976 1986 1996 2006 ContribuHon ¡of ¡individual ¡river ¡basin ¡to ¡ Year 2200 Annual air Temperature Minimum Arctic Ocean sea ice extent (10 6 km 2 ) the ¡LTM ¡discharge ¡trend ¡and ¡to ¡the ¡2007 ¡ Rivers: Ob', Yenisey, Lena, Severnaya Dvina, Pechora, Kolyma 14 Annual Discharge 2100 Annual river discharge (km 3 y -1 ) record ¡high ¡discharge ¡(figure ¡above). ¡ ¡ ¡ Sea Ice Extent 2000 ¡ 12 1900 Annual ¡Hme ¡series ¡of ¡spaHally ¡aggregated ¡ 1800 10 river ¡discharge, ¡grid ¡cell ¡precipitaHon, ¡and ¡ 1700 aggregated ¡ArcHc ¡Ocean ¡sea ¡ice ¡coverage ¡ 8 1600 (September). ¡ ¡River ¡discharge ¡and ¡ precipitaHon ¡data ¡from ¡ 1500 6 hXp://RIMS.unh.edu), ¡sea ¡ice ¡cover ¡from ¡ 1400 NSIDC ¡(figure ¡to ¡the ¡le\). ¡ ¡ 1300 4 1936 1946 1956 1966 1976 1986 1996 2006 Year ¡ Rivers: Ob', Yenisey, Lena, Severnaya Dvina, Pechora, Kolyma (Updated ¡from ¡Shiklomanov ¡& ¡Lammers, ¡2009 ¡ERL ¡) ¡ ¡

Eurasian ¡Pan-­‑ArcAc ¡Drainage ¡Basin ¡ Eurasian ¡pan-­‑ArcHc ¡occupies ¡ about ¡75% ¡of ¡Russia ¡as ¡well ¡as ¡ parts ¡of ¡Kazakhstan, ¡China ¡and ¡ Mongolia ¡ ¡ Annual ¡discharge ¡variabiliHes ¡for ¡largest ¡Russian ¡rivers ¡flowing ¡to ¡the ¡ArcHc ¡ Ocean ¡over ¡1936-­‑2008. ¡Dash ¡lines ¡show ¡linear ¡trend ¡lines ¡over ¡1936-­‑2008 ¡(blue) ¡ and ¡over ¡1980-­‑2008 ¡(red). ¡(html://R-­‑ArcHcNet.sr.unh.edu) ¡

1980-­‑2007 ¡ 2007 ¡ Maps ¡of ¡long ¡term ¡trend ¡ Slope over Slope over Deviation of Deviation of PrecipitaHon ¡(P) ¡ PrecipitaHon ¡(P) ¡ 1980-07 (mm) 1980-07 (mm) 2007 from LTM 2007 from LTM and ¡2007 ¡anomalies ¡in ¡ < -10 < -10 <-100 <-100 -10 - -5 -10 - -5 -100- -50 -100- -50 -5 - -3 -5 - -3 precipitaHon, ¡river ¡runoff, ¡ ¡ -50 - -25 -50 - -25 -3 - -1 -3 - -1 -25 - 10 -25 - 10 -1 - -0.5 -1 - -0.5 -10 - 0 -10 - 0 precipitaHon/runoff ¡(P/R) ¡ -0.5 - 0 -0.5 - 0 0 - 10 0 - 10 0 - 0.5 0 - 0.5 0.5 - 1 0.5 - 1 10 - 25 10 - 25 raHo ¡and ¡air ¡temperature. ¡ ¡ 1 - 3 1 - 3 25 - 50 25 - 50 3 - 5 3 - 5 50 - 100 50 - 100 5 - 10 5 - 10 >100 >100 River ¡runoff ¡and ¡P/R ¡raHo ¡ > 10 > 10 calculated ¡over ¡15 ¡inter-­‑ Deviation of Deviation of Slope over Slope over 2007 from LTM 2007 from LTM Runoff ¡(R) ¡ 1980-07 (mm) 1980-07 (mm) Runoff ¡(R) ¡ <-100 <-100 < -10 < -10 staHon ¡regions ¡as ¡shown ¡ -100- -50 -100- -50 -10 - -5 -10 - -5 -5 - -3 -5 - -3 -50 - -25 -50 - -25 by ¡black ¡circles. ¡ ¡ -3 - -1 -3 - -1 -25 - 10 -25 - 10 -1 - -0.5 -1 - -0.5 -10 - 0 -10 - 0 -0.5 - 0 -0.5 - 0 0 - 10 0 - 10 ¡ 0 - 0.5 0 - 0.5 10 - 25 10 - 25 0.5 - 1 0.5 - 1 25 - 50 25 - 50 1 - 3 1 - 3 ¡ 50 - 100 50 - 100 3 - 5 3 - 5 >100 >100 5 - 10 5 - 10 § Similar ¡paXerns ¡between ¡ > 10 > 10 long-­‑term ¡changes ¡and ¡the ¡ RaHo ¡(P/R) ¡ RaHo ¡(P/R) ¡ 2007 ¡anomalies ¡ Runoff Runoff percentage (%) percentage (%) § 2007 ¡is ¡a ¡higher ¡ <10 <10 10 – 20 10 – 20 20 – 30 20 – 30 magnitude ¡expression ¡of ¡ 30 – 40 30 – 40 40 – 50 40 – 50 50 – 60 50 – 60 the ¡ongoing ¡paXern ¡of ¡ 60 – 70 60 – 70 >70 >70 change ¡over ¡the ¡last ¡28 ¡ Air ¡Temperature ¡ Air ¡Temperature ¡ years. ¡ ¡ Slope over Slope over 1980-07 o C/year) 1980-07 o C/year) < -0.01 < -0.01 Deviation of 2007 Deviation of 2007 -0.01 - -0.005 -0.01 - -0.005 from LTM ( o C) from LTM ( o C) -0.005 – 0 -0.005 – 0 < 0 < 0 0 – 0.005 0 – 0.005 0 – 0.25 0 – 0.25 0.005 – 0.1 0.005 – 0.1 0.01 – 0.02 0.01 – 0.02 0.25 – 0.5 0.25 – 0.5 0.02 – 0.03 0.02 – 0.03 0.5 – 0.75 0.5 – 0.75 0.03 – 0.04 0.03 – 0.04 0.75 – 1 0.75 – 1 0.04 – 0.05 0.04 – 0.05 1 – 2 1 – 2 from ¡Shiklomanov ¡& ¡Lammers, ¡ ¡ 0.05 – 0.075 0.05 – 0.075 > 2 > 2 0.075 – 0.1 0.075 – 0.1 2009 ¡ERL ¡ ¡ > 0.1 > 0.1

Intercomparison ¡of ¡mean ¡annual ¡precipitaHon ¡for ¡2000 ¡from ¡NCEP ¡and ¡ MERRA ¡re-­‑analysis ¡with ¡UDEL ¡and ¡CRU ¡interpolated ¡observaHons. ¡ ¡ MERRA NCEP UDEL CRU ¡2.1

PRECIPITATION ¡CHANGE ¡ mm " Change"in"annual"precipita1on"from"UDEL" gridded"observa1onal"data"aggregated"for" 600" several"NEESPI"countries"in"mm/year" 500" 400" 300" 200" 100" Kazakh" Kyrgystan" Tajikistan" Turkmenistan" Узбекистан" Mongolia" DeviaHon ¡of ¡mean ¡annual ¡MERRA ¡ Russia" precipitaHon ¡over ¡1995-­‑2011 ¡from ¡ 0" 1930" 1940" 1950" 1960" 1970" 1980" 1990" 2000" 2010" LTM ¡over ¡1978-­‑2011 ¡ Year"

Anomalies ¡of ¡Winter ¡runoff ¡over ¡ ¡ Anomalies ¡of ¡Summer-­‑Fall ¡runoff ¡over ¡ ¡ 1978-­‑2005 ¡(%) ¡ 1978-­‑2005 ¡(%) ¡ Anomalies ¡of ¡Spring ¡runoff ¡over ¡ ¡ Anomalies ¡of ¡Annual ¡runoff ¡over ¡ ¡ 1978-­‑2005 ¡(%) ¡ 1978-­‑2005 ¡(%) ¡ Anomalies ¡of ¡seasonal ¡runoff ¡over ¡1978-­‑2005 ¡from ¡1940-­‑1977 ¡ ¡ Updated ¡from ¡ACIA, ¡2005 ¡

Annual mean winter river discharge (Dec. to March) Forest Steppe Medium-size drainage basins from European Russia (within NEESPI domain). Understanding of causes of such significant changes in river discharge is one of our research tasks. Forest-Steppe

Understanding ¡of ¡changes ¡in ¡winter ¡runoff ¡ ¡ r. ¡Medvenka ¡F=21.5 ¡km 2 ¡ Depth ¡of ¡frozen ¡ground ¡(sm) ¡ р . Медвенка , мс . Подмосковная ВБС 120 100 глубина промерзания , см 80 60 40 20 0 1945 1955 1965 1975 1985 1995 2005 р . Медвенка - ниже р . Закса Winter ¡Runoff ¡(l/s) ¡ 300 250 200 расход , Л / с 150 мс . Подмосковная ВБС Number ¡of ¡days ¡with ¡posiHve ¡temperature ¡in ¡Winter ¡ 30 100 количество оттепелей , сут . 50 20 0 1950 1970 1990 2010 LTM winter Contribution of different elements into the winter LTM winter 10 runoff (l/s) runoff for Medvedka watershed runoff (l/s) 1958 -1980 1981-2008 Fall soil water Winter Depth of frozen 0 content snowmelt ground 1955 1965 1975 1985 1995 2005 49,6 6 38 56 93,2 ContribuHon ¡to ¡increase ¡in ¡winter ¡river ¡discharge: ¡ ¡Depth ¡of ¡frozen ¡ground ¡– ¡56% ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Winter ¡snowmelt ¡– ¡38% ¡ Courtesy ¡to ¡Igor ¡Kaluzhny, ¡SHI, ¡Russia ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Fall ¡soil ¡water ¡content ¡– ¡ ¡6% ¡ ¡ ¡ ¡