ИСТИНА

Современная и прогнозная оценка влияния Москвы на режим выпадения дождевых осадков и последующее изменение гидрологических и эрозионных процессов, а также качества воды, направленная на обоснование стратегий управления городскими территориями

At the beginning of the 21st century, for the first time in the history of our planet, the population of cities exceeded the rest of the population. Increasing urbanization and the size of agglomerations have determined the formation of a special micro- and mesoclimate in them, arising due to the impact of three-dimensional urban environment on the atmosphere. One of the manifestations of these processes is the change in precipitation patterns towards an increase in the intensity of short showers, accompanied by the transformation of runoff and surface water quality due to the developed storm water drainage and reduction of permeable surfaces, and contributing to the growth of surface water pollution. The largest urban agglomeration of Russia is chosen as a model territory for studying the impact of intense rainfall on floods. The possibility and relevance of the study is precisely due to the availability of a large set of hydrometeorological data and the need to adapt urban infrastructure to climate change. The aim of the project is to provide an up-to-date and predictive assessment of the impact of Moscow on rainfall patterns and subsequent changes in hydrological and erosion processes, as well as water quality, aimed at substantiating urban management strategies. Despite a number of scientific studies carried out in the field of hydroecology and hydrogeochemistry of small rivers in Moscow, the proposed project, for the first time in Russia, is aimed at studying hydrological and hydrochemical processes and phenomena within the catchment areas of urban rivers in connection with the characteristics of the urban climate and the characteristics of urbanization. Synthesis of methods of numerical and statistical modeling of atmospheric and hydrological processes, modeling of erosion processes and landscape-geomorphological studies determines the achievability of the set goal. Data from mesoscale atmospheric models, a set of modern statistical correction methods applicable to atmospheric reanalysis data for the current climate and for model estimates of future climate, models of pollutant runoff and flushing within individual watersheds and for the metropolitan area as a whole, based on formal approaches and machine learning methods, will be used. Model development will be based on the use of computational resources and the widest possible array of meteorological and hydrological data, as well as in-house technical developments of water monitoring. It is supposed to reconstruct their long-term changes by dating floodplain sediments, which are a natural archive storing information about different stages of pollution during floods and floods, and to forecast for the XXI century to use probabilistic estimates for different scenarios of climatic changes and development of the urban environment of the city depending on the set and effectiveness of environmental protection measures. The achievability of the project goals is determined by a unique combination of research teams. The team at Lomonosov Moscow State University brings together experts in urban meteorology, hydrology and geochemistry from the Departments of Terrestrial Hydrology, Landscape Geochemistry and Soil Geography, Meteorology and Climatology and the Laboratory of Soil Erosion and Channel Processes of the Faculty of Geography and the Research Computing Center, as well as the Institute of Water Problems of the Russian Academy of Sciences. The project will result in the development of a set of models and a fundamental assessment of the response of water, erosion and channel regimes and geochemical fluxes to changing climatic conditions and landscape transformation of Moscow catchments from the middle of the 20th century to the end of the 21st century.

В рамках Проекта планируется получить оценки трансформации водного режима, перемещения наносов в результате склоновой, овражной и русловой эрозии и геохимических потоков микроэлементов и биогенных вещества в условиях формирования интенсивных осадков в московской агломерации, получить ретроспективные и прогнозные оценки изменения их характеристик в течение XX века, начале и к концу XXI века на фоне различных сценариев глобального потепления климата и урбанизации. С использованием современных методов численного и статистического моделирования атмосферных и гидрологических процессов будет выполнена оценка изменения характеристик интенсивных осадков и связанных с ними паводков в Москве за счет совместного влияния климатических изменений и урбанизации (увеличения размера города и изменения характеристик застройки). Для оценки таких эффектов будут задействованы современные методы статистической коррекции, применимые к данным атмосферного реанализа для современного климата и для результатов модельных расчётов климата будущего, набор методов динамического и статистического гидрологического моделирования, а также результаты ландшафтно-геоморфологических исследований долинных комплексов рек городских агломераций. Важную роль в получении необходимых массивов данных для определения реакции гидрологических процессов на изменения климата будет играть развитие сети автономных наблюдений за уровнями (и водностью) рек и мутностью воды на малых модельных водосборах города на основе собственных разрабатываемых датчиков регистрации, совмещенных с регулярными отборами проб взвешенных и растворенных форм транспорта микроэлементов и биогенных веществ. Оценка влияния прогнозируемых климатических изменений и урбанизации на малые водосборы Москвы будет выполнена на основе моделей управления паводочным стоком, верифицированных с использованием полученных экспериментальных данных, данных дистанционного зондирования, результатов статистического анализа крупномасштабных предикторов формирования интенсивных осадков и их ожидаемых изменений в будущем. Будут даны прогнозные оценки трансформации условий формирования и перемещения геохимического стока с водосборных территорий в условиях дальнейшего преобразования ландшафтной структуры (в т.ч. при расширении площадной высокоэтажной застройки на приречных территориях). Полученные ретроспективные и прогнозные оценки выпадения ливневых осадков будут сопоставлены с результатами гидрологического моделирования поверхностного стока на территориях исследуемых городов и результатами радиоцезиевого и геохимического датирования пойменных и озерных отложений для восстановления климатических и ландшафтно-хозяйственных факторов трансформации загрязнений. В частности, будут реконструированы уровни загрязнения речных отложений за временные интервалы, соответствующие различным этапам развития городской агломерации, и выявлены тренды изменения уровня загрязнения речных систем. Полученные данные будут сопоставлены с динамикой изменения землепользования и гидрометеорологическими данными за указанный выше временной интервал.

Авторы проекта являются членами сообщества по развитию модели COSMO-CLM (CLM-Community, https://clmcom.scrollhelp.site/clm-community/) и участвуют в развитии блока городской параметризации TERRA-URB (Wouters et al., 2017; Garbero et al., 2021; Ривин и др, 2019; 2020). Авторы имеют обширный опыт использования модели COSMO-CLM для различных регионов России, в том числе и для задач исследования влияния городской среды на метеорологические и климатические поля на микро- и мезомасштабе (Varentsov et al., 2017; 2018; 2019; 2020). Также авторы имеют опыт создания климатических модельных архивов высокого разрешения на базе COSMO-CLM (Kislov et al., 2018). Так, был создан модельный архив с шагом сетки 1 км для московского региона за 10 летних периодов (май - август, 2007-2016) в двух вариантах: с использованием параметризации TERRA_URB и без (Varentsov et al., 2018). На основе этого архива удалось впервые получить ряд детальных оценок влияния городской среды на распределение метеорологических полей (температура, ветер, облачность, осадки). В частности, было показано (Platonov et al., 2024), что учёт городской подстилающей поверхности проявляется в статистически значимом увеличении повторяемости интенсивных осадков летнего периода, сильных скоростей ветра, вертикальной скорости в слое 1 – 5 км и её изменчивости в г. Москве и с его подветренной стороны. Результаты на базе этого архива могут быть использованы в данном проекте для статистических исследований влияния городских условий и различных метеорологических факторов на формирование летних экстремальных осадков в г. Москва. Члены коллектива имеют опыт экспериментов с моделью COSMO-CLM для случаев экстремальных осадков в Москве (на примере осадков в мае-июне 2020 г. и июне-июле 2021 г.), выполненных по схеме “вложенных сеток” (Чалов и др., 2023; Chalov et al., 2022) с использованием данных глобального реанализа ERA5 с горизонтальным шагом сетки 0,25º (~30 км) (Hersbach et al., 2020) в качестве форсинга.