Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Целью первого года работы по проекту являлась разработка физико-статистической модели зависимости максимальных уровней воды за счет снеготаяния от ежегодной суммы твердых осадков в бассейне Верхней Оби. Основной источник питания р. Оби в период половодья – талые воды, поэтому главным параметром, определяющим объем и максимальные уровни половодья, являются осадки холодного периода. Оценка атмосферных осадков в горном бассейне, слабо обеспеченном гидрометеорологическими наблюдениями, является сложной научной задачей. Для расчета осадков холодного периода использована модель В.П. Галахова [Галахов, 2003], основанная на их связи с орографической добавкой к скорости вертикальных движений (изменении скорости вертикальных движений воздушных масс за счет орографии). Сформирована база данных и рассчитаны суммы осадков холодного периода (XI-III) по 19 пунктам наблюдений в бассейне Верхней Оби. Проанализированы зависимости суммы осадков на метеостанциях от орографической добавки к скорости вертикальных движений за период с 1967 по 2022 гг. Построены карты распределения осадков и рассчитаны суммы зимних осадков для горной части бассейна. Для определения максимальных уровней воды от снеготаяния и исключения дождевых паводков построены и проанализированы комплексные графики гидрометеорологических элементов, включающие среднесуточные уровни воды (по данным г/п г. Барнаул), а также среднесуточные температуры воздуха и суммы осадков (по данным ГМС Онгудай) за период с 1967 по 2022 г. Важнейшим этапом в разработке гидрологических прогнозов с помощью традиционных физико-статистических методов является предварительный статистический анализ гидрометеорологических рядов на однородность и наличие трендов. Глобальное потепление привело к существенным изменениям годового и сезонного стока рек, как следствие - нарушению стационарности гидрологических рядов. Изменился характер влияния климатических факторов на сток, что необходимо учитывать при подборе предикторов. В связи с этим был выполнен комплексный статистический анализ гидрологических характеристик по г/п Барнаул. Для оценки однородности рядов использовались: Standard normal homogeneity test, Buishand’s test, Pettitt’s test, которые позволили определить год нарушения однородности ряда, а также традиционные параметрические тесты Стьюдента и Фишера. Установлено, что в связи с потеплением климата наблюдается значимое увеличение базисного и снижение талого стока. Определен год нарушения однородности рядов (1982-83 гг.), что дает основание для разделения ряда на два условно однородных периода. Расходы зимней межени с 1983 г. выросли на 24% (по сравнению с предыдущим периодом). Увеличился сток в первую волну половодья в апреле (за счет сдвига снеготаяния на более ранние даты), снизился - во вторую волну, в мае-июле. Ряд максимальных уровней воды характеризуется отрицательным трендом и неоднороден по t-критерию. Для разработки прогнозной модели проанализирована связь максимальных уровней воды от снеготаяния и суммы зимних осадков, рассчитанных с помощью орографической добавки к скорости вертикальных движений. За период с 1967 по 1983 гг. связь характеризуется R2=0,78. Критерий Нэша-Сатклиффа NSE составил 0,65, что характеризует модель как «удовлетворительную», S/σ - 0,46, что характеризует модель как «хорошую». При переносе зависимости на современный период связь зимних осадков и максимальных уровней ослабевает (R2=0,71). S/σ = 0,5 (на независимом материале - 0,58), характеризует качество модели как «удовлетворительное». NSE=0,71, что также характеризует модель как «удовлетворительную». Установлено, что в результате климатических изменений, связанных с ростом температуры и специфическими условиями формирования снежного покрова, в отдельные годы наблюдается снижение уровней воды за счет слабого промерзания почвогрунтов и потерь талого стока на впитывание. Разработана поправка для расчета уровней в годы со слабым промерзанием почвогрунтов, в зависимости от количества зимних осадков (R2=0,84). С помощью разработанной модели выполнен среднесрочный прогноз максимального уровня половодья в 2024 году (573+/- 40 см над нулем водомерного поста). Расчет выполнен без поправки на слабое промерзание почвогрунтов, т.к. зимой 2023-24 гг. снежный покров сформировался после выпадения жидких осадков и установления морозов ниже -20С. Прогноз оправдался (максимальный уровень 30 мая 2024 г. – 573 см). Таким образом, по итогам 2024 г. разработана физико-статистическая модель зависимости максимальных уровней воды за счет снеготаяния от ежегодной суммы твердых осадков в бассейне Верхней Оби; модель не учитывает влияние жидких осадков на спаде половодья, что позволяет использовать ее для среднесрочных прогнозов при условии, что метеорологические условия периода половодья будут близки к среднемноголетним.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Выполнен сбор и анализ данных, характеризующих факторы формирования максимальных уровней половодья на р. Оби у г. Барнаула: атмосферные осадки зимнего и весенне-летнего периодов, показатели водопоглощающей емкости бассейна (промерзание, увлажнение почв). Использованы данные наблюдений на метеостанциях Верхней Оби и реанализ ERA-5. Проанализирована связь с максимальными уровнями в условно однородные периоды (1966-1982 и 1983-2020 гг.). Выбраны предикторы для разработки прогноза максимальных уровней. Промерзание почв на конец зимы оценивалось по глубине нулевой изотермы (рассчитана на основе данных о температуре почвы по вытяжным термометрам) и глубине промерзания по мерзлотомеру на репрезентативных метеостанциях. Выявлено статистически значимое снижение глубины промерзания с «точкой перелома» в 1982 году. В период 1966–1982 гг. зафиксирована значимая корреляция максимальных уровней с глубиной промерзания (R = 0,50) и со средней температурой зимы (R = −0,85), однако в 1983–2020 гг. эти зависимости не прослеживаются, что указывает на изменение механизмов формирования талого стока. В качестве интегрального показателя увлажнения водосбора использованы расходы и уровни предшествующего осенне-зимнего периода, при этом наиболее показательны минимальные уровни воды в феврале–марте. Корреляция с максимальными уровнями половодья возросла с R = 0,36 (1966–1982 гг.) до R = 0,53 (1983–2020 гг.), что подтверждает усиление роли осенне-зимнего увлажнения в последние десятилетия. Анализ атмосферных осадков периода половодья показал слабую связь с максимальными уровнями по данным реанализа ERA-5 (R = 0,13), тогда как наибольшая корреляция выявлена с суммой осадков за апрель–май по метеостанции Яйлю: R = 0,78 (1966–1982 гг.) и R = 0,25 (1983–2020 гг.). Осадки зимнего периода рассчитаны на предыдущем этапе с использованием региональной распределенной модели В.П. Галахова [2003], основанной на связи снегозапасов с орографической добавкой к скорости вертикальных движений воздушных масс. Сопоставление данных реанализа ERA-5 и региональной модели показало преимущество последней для оценки зимних осадков в условиях сложной орографии: связь с максимальными уровнями в период 1983-2020 характеризуется коэффициентом корреляции R = 0,61 против R = 0,48 у ERA-5. 2. Выявлено влияние климатических изменений на процессы формирования талого стока и максимальные уровни половодья. В результате потепления климата снизилась роль факторов, определяющих приходную (снегозапасы, жидкие осадки) часть водного баланса. Несмотря на снижение тесноты связи, зимние осадки остаются главным фактором, определяющим максимальные уровни половодья. Подтверждена выдвинутая ранее гипотеза о растущей роли водопоглощающей емкости бассейна. Начиная с 1983 г. в отдельные годы из-за слабого промерзания почвогрунтов в предгорной и равнинной частях водосбора уровни воды не достигают критических отметок даже в многоснежные годы. С другой стороны, при низкой водопоглощающей способности бассейна и значительных снегозапасах формируется высокое половодье. Установлено, что коэффициенты талого стока резко возрастают при глубине промерзания почв более 60 см, однако однозначной связи с максимальными уровнями не выявлено. Таким образом, глубина промерзания не может служить предиктором, но должна учитываться как лимитирующий фактор (наличие/отсутствие). Условия слабого промерзания нетипичны для бассейна Верхней Оби, но при сохранении тенденции роста осенне-зимних температур частота таких случаев будет увеличиваться. 3. На основе выполненного анализа разработана физико-статистическая модель множественной линейной регрессии для прогноза максимальных уровней половодья. Первый сценарий предполагает значительную (более 60 см) глубину промерзания на равнинной и предгорной частях бассейна. Предикторами для прогноза максимальных уровней являются (по мере ослабления связи): сумма осадков зимнего периода (R=0,88); минимальный уровень воды в зимнюю межень (R=0,59); сумма осадков за апрель и май (R=0,55). Для второго сценария (слабое промерзание почвогрунтов) 90% изменчивости максимальных уровней объясняется зимними осадками. Уравнение для 1 сценария по критерию S/σ относится к категории «хорошее» (0,47), по критерию Нэша-Сатклиффа – «удовлетворительное» (0,77). Уравнение 2 сценария относится к категории «хорошее» по обоим критериям (0,31 и 0,9 соответственно). Апробация методики. В 2025 году выполнен прогноз максимального уровня – 561 ± 40 см. Прогноз оправдался: фактический максимальный уровень, наблюдавшийся 27 мая, составил 553 см, ошибка 8 см. Актуальные данные об основных факторах формирования экстремальных уровней воды р. Оби на участке г. Барнаула обобщены в монографии: https://iwep.ru/files/Монографии/Монография%20наводнения.pdf