Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические основы геоэкологической оценки климатической комфортности региона интенсивного техногенного освоения 12
1.1. Современные научные представления о влиянии климата и факторов погоды на организм человека 12
1.2. Региональные аспекты геоэкологических исследований в области биометеорологии 26
Выводы 32
Глава 2. Методические подходы, материал и методы исследования 34
2.1. Общая схема и организация исследований 34
2.2. Методы оценки факторов самоочищения атмосферы и климатической комфортности региона 36
2.3. Методы вероятностно-статистического анализа 46
2.3.1. Проверка на «нормальность распределения» 46
2.3.2. Корреляционный анализ и метод взвешенных баллов 56
2.3.3. Анализ циклических колебаний во временном ходе метеорологических параметров с помощью автокорреляционного и спектрального анализа 57
2.3.4. Вероятностный прогноз биоклиматической комфортности с использованием цепей Маркова (на примере города Воронежа) 60
2.4. Методы оценки влияния климатических и биоклиматических факторов на заболеваемость населения 63
2.5. Графическое представление результатов с помощью геоинформационных технологий 65
Выводы 67
Глава 3. Геоэкологический анализ климатических ресурсов, факторов техногенного загрязнения и самоочищения атмосферы ЦЧР 69
3.1. Общая эколого-географическая характеристика региона 69
3.2. Общая характеристика климата 78
3.3. Факторы техногенного загрязнения атмосферы 90
3.4. Пространственный анализ параметров самоочищения атмосферы 95
Выводы 103
Глава 4. Оценка биоклиматической комфортности территории ЦЧР 105
4.1. Оценка биоклиматических условий Центрально-Черноземного региона 105
4.1.1. Биоклиматическая комфортность зимнего периода 105
4.1.2. Биоклиматическая комфортность летнего периода 123
4.2. Типизация территории ЦЧР по степени биоклиматической комфортности 133
4.3. Анализ устойчивости комфортности в летний период (на примере параметра ЕТ) 139
4.4. Прогнозирование биоклиматической комфортности 155
4.4.1. Использование циклических процессов в прогнозе биоклиматической комфортности 155
4.4.2. Использование цепей Маркова для вероятностного прогноза биоклиматической комфортности на примере Воронежа 161
Выводы 168
Глава 5. Анализ зависимости состояния здоровья населения от критериев биоклиматической комфортности (на примере Воронежской области) 172
5.1. Медико-географическая оценка факторов техногенного загрязнения и потенциала рассеивающей способности атмосферы 172
5.1.1. Оценка факторов аэротехногенного загрязнения Воронежской области 172
5.1.2. Медико-географическая оценка потенциала рассеивающей способности атмосферы (на примере Воронежской области) 177
5.2. Оценка статистических связей в системе «атмосфера-здоровье населения» 184
5.3. Медико-географическое районирование территории по риску климатообусловленных заболеваний населения 197
Выводы 201
Заключение 203
Список литературы 206
Приложения 227
- Региональные аспекты геоэкологических исследований в области биометеорологии
- Общая эколого-географическая характеристика региона
- Анализ устойчивости комфортности в летний период (на примере параметра ЕТ)
- Медико-географическое районирование территории по риску климатообусловленных заболеваний населения
Введение к работе
Актуальность темы определяется возрастанием внимания научной общественности и практических специалистов к изучению проблемы влияния климатических факторов на здоровье человека и экологическую обстановку в целом. Региональная оценка биоклиматических ресурсов крупных регионов с учетом факторов аэротехногенного загрязнения является важным условием обеспечения комфортной среды проживания и повышения экологической безопасности населения. Значимость данной проблемы связана с тем, что детальная оценка климатического ресурса территории Центрально-Черноземного региона (ЦЧР) в медико-географическом аспекте ранее не проводилась.
Теоретические основы исследования. Теоретический и методический базис работы составляют фундаментальные труды в области геоэкологии, медицинской географии и биоклиматологии С.С. Андреева (2005), Д. Ассмана (1966), В.Г. Бокши (1980), Е.Г. Головиной (1993), И.И. Григорьева (1992), А.А. Исаева (2001), А.В. Кислова (2008), С.А. Куролапа (1999), Ю.П. Переведенцева (2008), Б.А. Ревича (2011), В.И. Русанова (1989), М.Г. Суховой (2004), М.А. Трубиной (2010) и др.
Объект исследования – критерии биоклиматической комфортности и состояние здоровья населения Центрального Черноземья. В качестве базового региона для региональных геоэкологических и медико-географических исследований выбрана Воронежская область – крупнейшая по площади область ЦЧР с населением более 2 млн. человек.
Предмет исследования – оценка биоклиматической комфортности территории, выявление эколого-климатических факторов риска для здоровья населения и климатообоусловленных заболеваний.
Цели и задачи исследования. Целью данной работы является комплексная оценка территории Центрального Черноземья по уровням биоклиматической комфортности и выявление климатообусловленных заболеваний населения.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.
-
Формирование базы данных по метеорологическим параметрам территории ЦЧР и состоянию здоровья населения за многолетний период в течение 20 лет (1998-2017). Проверка сформированных баз данных на «нормальность распределения» для вероятностно-статистического анализа и геоинформационного картографирования.
-
Исследование пространственного распределения факторов техногенного загрязнения и самоочищения атмосферы, типизация территории ЦЧР по метеорологическому параметру самоочищения атмосферы (МПА).
-
Анализ пространственного распределения эколого-климатических показателей и типизация территории ЦЧР по факторам биоклиматической комфортности.
-
Исследование факторов устойчивости и разработка методики долгосрочного вероятностного прогнозирования различных классов биоклимати-
ческой комфортности на территории региона с помощью автокорреляционного, спектрального анализа и цепей Маркова.
-
Оценка статистических связей между эколого-климатическими критериями, факторами самоочищения атмосферы, биоклиматической комфортности и показателями состояния здоровья населения с выявлением климатообу-словленных заболеваний населения (на примере Воронежской области).
-
Типизация территории Воронежской области по предпосылкам возникновения метеозависимых болезней и геоинформационное моделирование риска климатообусловленных заболеваний населения как важный аспект региональной политики здоровьесбережения.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Тема диссертационной работы соответствует паспорту специальности 25.00.36 -«Геоэкология» по пунктам:
п 1.10. «Разработка научных основ рационального использования и охраны водных, воздушных, земельных, рекреационных, минеральных и энергетических ресурсов Земли, санация и рекультивация земель, ресурсосбережение»;
п 1.14. «Моделирование геоэкологических процессов»;
п 1.17. «Геоэкологическая оценка территорий. Современные методы геоэкологического картирования, информационные системы в геоэкологии. Разработка научных основ государственной экологической экспертизы и контроля».
Защищаемые положения
-
Разработанный методический подход к пространственно-временной оценке и прогнозированию биоклиматической комфортности территории Центрально-Черноземного региона основан на сопряженном анализе статистических связей в системе «атмосфера-здоровье населения», выявлении климатообусловленных заболеваний населения, геоинформационном картографировании и моделировании региональных биоклиматических ситуаций.
-
Важным условием формирования региональной геоэкологической ситуации является естественная способность атмосферы к самоочищению (МПА), которая на значительной части территории ЦЧР недостаточно высока (МПА = 1,2 - 2,5). Зона благоприятных условий самоочищения атмосферы (МПА 1) имеет мелкоочаговый характер в виде локальных меридиональных зон преимущественно на территории Белгородской и Липецкой областей, а низкая способность к самоочищению атмосферы (МПА 3) наблюдается преимущественно в центральном секторе Курской области вдоль долины реки Сейм и в юго-восточном секторе Воронежской области.
-
Типизация территории Центрального Черноземья по критериям биоклиматической комфортности позволяет дифференцировать территорию по степени близости к оптимальным условиям биоклиматической комфортности на три зоны: высокий уровень комфортности (более 60%) с наиболее благоприятным термическим режимом, комфортной влажностью и слабым ветром в южном секторе региона (около 15 % территории); средний уровень (от
50% до 60%) в центральном секторе (около 65 % территории); низкий уровень комфортности (менее 50%), характеризующийся более сильными ветрами и низкими температурами с повышенной «жесткостью погоды» в северном секторе региона (около 20% территории).
4. На примере Воронежской области установлена связь некоторых классов заболеваний населения с эколого-климатическими факторами, а к приоритетным климатообусловленным заболеваниям относятся болезни крови, инфекции, заболевания мочеполовой системы и врожденные аномалии развития, характеризующие нарушения адаптационно-приспособительных механизмов формирования общественного здоровья в зонах пониженной климатической комфортности. Более высоким «ответным откликом» на воздействие эко-лого-климатических факторов обладает детское население. Северо-западный сектор области характеризуется наименее комфортными биоклиматическими условиями с повышенной заболеваемостью населения.
Научная новизна. Комплексно изучены закономерности пространственно-временной динамики биоклиматических индексов и параметров самоочищения атмосферы на территории Центрального Черноземья, выделены зоны с экстремальными условиями, где возможно ухудшение климатических условий, влияющих на человека. Разработан методический подход к вероятностному прогнозу биоклиматической комфортности крупного агропромышленного региона. Созданы оригинальные картографические и геоинформационные продукты: карта биоклиматической комфортности с указанием зон высокой и низкой комфортности проживания, карта самоочищения атмосферы; геоинформационная система для анализа климатического ресурса и состояния здоровья населения ЦЧР. Проведена типизация территории ЦЧР по факторам биоклиматической комфортности и типизация территории Воронежской области по риску проявления климатообусловленных заболеваний населения.
Практическая значимость работы определяется возможностью применения методических разработок и результатов природоохранными ведомствами, проектными организациями и гидрометеослужбой ЦентральноЧерноземного региона для разработки практических рекомендаций по осуществлению региональной эколого-экономической политики для снижения неблагоприятных экологических последствий чрезвычайных ситуаций, обусловленных климатическими рисками, и наиболее эффективного использования климатического ресурса региона в целях обеспечения экологической безопасности, развития рекреации и туризма. Результаты исследований внедрены в практическую работу Воронежского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, Центра гигиены и эпидемиологии в Воронежской области, а также в учебный процесс подготовки бакалавров по направлению 05.03.06 – «Экология и природопользование» по дисциплинам «Геоэкология», «Экология человека», «Экологическая климатология» факультета географии, геоэкологии и туризма Воронежского госуниверситета.
Материалы и методы. Методология исследований базируется на современных подходах к оценке рисков воздействия климата на здоровье человека в
сфере геоэкологии, медицинской географии, биометеорологии, реализуемых с применением методов вероятностно-статистического анализа и геоинформационного картографирования. Использованы сравнительно-географический, ма-тематико-статистический, картографический, геоинформационный методы исследований. Для обработки массивов исходных данных использованы лицензионные программные средства: Microsoft Office 2010, STATISTICA 10.0, геоинформационные программные продукты MapInfo 9.5 и ArcGis 10.5.
Достоверность результатов работы обеспечена широким применением данных официальной государственной статистики за многолетний период, использованием классических методов вероятностно-статистического анализа, современных методов геоинформационного моделирования и картографирования, реализованных лицензионными программными средствами. Исходная база данных представлена официальной статистикой за 20-летний период (1998-2017): а) по климатическим характеристикам - гидрометеорологическая информация Мирового центра данных (), фондовые данные Воронежского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды; б) по состоянию здоровья населения - фондовые данные Центра гигиены и эпидемиологии в Воронежской области. Репрезентативность выводов определяется согласованностью с результатами, полученными предшествующими исследователями в различных регионах.
Апробация результатов. Основные результаты исследования доложены и одобрены на третьей Международной научно-практической конференции «Экологическая геология: теория, практика и региональные проблемы» (Воронеж, 2013); Всероссийской научно-практической конференции «Орфановские чтения – 2013» (Нижний Новгород, 2013); Международной научно-практической конференции «Комплексные проблемы техносферной безопасности» (Воронеж, 2014, 2015, 2016); VII Всероссийской научно-практической конференции «Геоинформационное картографирование в регионах России» (Воронеж, 2016); Всероссийской научно-практической конференции «Экологическая безопасность и охрана окружающей среды в регионах России: теория и практика» (Волгоград, 2016); Международной научно-практической конференции «Теория и практика гармонизации взаимодействия природных, социальных и производственных систем региона» (Саранск, 2017); III Международной конференции «Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: экологические вызовы XXI века» (Казань, 2017); Международной научно-практической конференции «Современная экология: образование, наука, практика» (Воронеж, 2017).
Личный вклад. Автором самостоятельно проведен детальный анализ источников литературы по теме диссертации. Постановка задач, целей, выбор объектов и методов исследования осуществлены совместно с научным руководителем. Весь комплекс исследований по анализу и обработке данных, а также математическому моделированию и прогнозу биоклиматической комфортности, геоинформационному картографированию, анализу и обобщению полу-
ченных результатов, формулировка основных защищаемых положений и выводов исследования проведены лично автором.
Публикации результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 22 научных работ, в том числе 4 работы – в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка, включающего 194 источника, в том числе 26 источников иностранной литературы. Материал изложен на 241 страницах машинописного текста, содержит 64 рисунка, 39 таблиц и 5 приложений.
Благодарности. Автор выражает благодарность за помощь при подготовке работы д.г.н., профессору С.А. Куролапу, д.б.н., профессору О.В. Клепикову и к.г.н., доценту Л.М. Акимову.
Региональные аспекты геоэкологических исследований в области биометеорологии
Существующие биоклиматические индексы широко используются для оценки комфортности территорий различного масштаба. Так, И.В. Архипова в работе [23] провела комплексную биоклиматическую оценку Алтайского края. Для нормированной оценки комфортности территории была разработана 5-балльная шкала, учитывающая вклад каждого отдельного фактора в итоговую оценку. Для анализа степени дискомфорта в зимний период использовался индекс жесткости погоды по Бодману. В свою очередь, для анализа благоприятности климата в теплый период оценивалась повторяемость значений эквивалентно-эффективной температуры, рассчитанной по формуле предложенной А. Миссенардом, учитывающей влияние температуры и влажности воздуха, а также скорости ветра, в пределах комфортных 1520 С. На основе средневзвешенного бала степени комфортности климата было определено, что наиболее благоприятными в Алтайском крае являются лесостепные низкогорные районы (Кср 4,6). Был проведен анализ корреляционных зависимостей состояния общественного здоровья от отдельных метеорологических факторов. Наиболее значимая связь установлена между показателем суровости погоды Бодмана и болезнями органов кровообращения (r=0,57), заболевания мочевыделительной системы (r=0,58), а также нервно-психическими заболеваниями (r=0,57).
М.Г. Сухова и В.В. Севастьянов провели детальную оценку биоклиматических условий горных ландшафтов Алтае-Саянской горной страны. Установлена разнообразность в биоклимате ландшафтов, обусловленная глубоким влиянием рельефа и общециркуляционных условий на формирование мезокли-матов. Биоклиматические условия горно-лесных ландшафтов изменяются с высотой от прекомфортных до остро дискомфортных. Комфортные условия для жизнедеятельности человека наблюдаются на 5% территории горной страны [146].
Биоклиматические характеристики Приволжского федерального округа с целью определения степени комфортности проживания описаны М.В. Исаевой и Ю.П. Переведенцевым. Закономерности территориального распределения биоклиматических показателей, рассчитанных за период с 1966 по 2004 годы, характеризуются относительно большой неоднородностью и временной вариативностью в различные периоды года. В теплый период года с мая по сентябрь на территории Приволжского федерального округа отмечаются комфортные значения эффективной температуры (ЭТ). В холодный период основная часть анализируемой территории оценивается по шкале индекса суровости Бодмана, как «умеренно суровая» [89].
Ю.П. Переведенцев с соавторами провели анализ климатической комфортности республики Татарстан. Определены ежедневные климатические нормы эффективной температуры и распределение числа дней с комфортной погодой для всех станций республики Татарстан. Оценка холодного периода проводилась по методу Бодмана. Полученные значения индекса Бодмана по среднемесячным данным станций с 1966 по 2004 годы характеризуют холодный период республики Татарстан как «умеренно-суровый». Рассчитанные коэффициенты наклона линейного тренда и коэффициента детерминации показали стабильные биоклиматические условия в летний период и повсеместное смягчение зимы [120].
Н.Ю. Пичугина и Л.В. Воронина на примере Новосибирской области провели комплексную биоклиматическую оценку региона. Для определения степени дискомфорта в зимний период использовался ветро-холодовой индекс Сайпла. Оценка летнего периода проводилась по значениям нормальной эквивалентно-эффективной температуры (НЭЭТ) по И.В. Бутьевой, а также на основе данных ЭТ, рассчитанных по формуле А. Миссенарда. Анализ полученных результатов показал, что в Новосибирской области лето попадает в границы «комфортных температур», в то время как зима характеризуется как «очень холодная» и «невыносимо холодная» [122].
М.В. Клюевой и А.Г. Мурзиным в рамках оценки вклада климатических условий в рекреационный потенциал Ленинградской области был проведен анализ общей климатической комфортности с разделением территории на пять округов по туристическим направлениям. Для каждого округа было рассчитано 11 основных биоклиматических показателей и затем нормированы по 5-бальной шкале значимости. Наиболее значимыми показателями (К=5) считались, например, продолжительность числа дней с комфортной температурой ЕТ и значения индекса Бодмана для января. Минимальную значимость имели значения средней температуры января и июля (К=2). В результате установлено, что из-за более мягкого температурного режима и количества дней с высотой снежного покрова более 20 см Северный округ является наиболее комфортным в зимний период. Наиболее дискомфортными районами в теплый период являются Пригородный и Восточный округа, что объясняется высокой влажностью и сильным ветром, а также продолжительностью высоких температур [92].
Е.Ю. Кулагина и А.Н. Краснощеков проведи оценку биоклиматической комфортности Центрального федерального округа с использованием современных ГИС-технологий. В качестве критерия использовался интегральный показатель, объединяющий такие показатели как индекс патогенности погоды (I), эффективная и эквивалентно-эффективная температура (ЕТ и ЭЭТ), количественный критерий климатического комфорта (Н), а также биологически активная температура (БАТ). Для нормирования индексов авторами была разработана пятибалльная шкала уровней комфортности от «некомфортная» до «высокая». С помощью ГИС-технологий (программного комплекса ArcGIS 9.3) были построены GRID-слои по каждому из показателей и произведен расчет общей биоклиматической комфортности путем определения среднего значения из всех балльных значений слоя. В результате биоклиматическая комфортность Центрального федерального округа по предложенной шкале находится в пределах от 1,5 («некомфортные») до 2,5 («низкая комфортность») баллов, что свидетельствует о низкой комфортности территории в целом [100, 101].
Оценка региональной эколого-климатической ситуации в Центральном Черноземья ранее осуществлена по некоторым показателям на примере Белгородской и Воронежской областей. Так, М.Г. Лебедевой, О.В. Крымской с соавт. [99, 103] установлено достоверное потепление климата в регионе, связанное с переходом к зональным формам атмосферной циркуляции на фоне южной циркуляционной эпохи на рубеже XX – XXI веков. При сохранении аналогичных тенденций ожидается активизация циркуляционных механизмов, определяющих нестабильность многих гидротермических характеристик. Кроме того в местах высокой концентрации населения и промышленной инфраструктуры (район освоения КМА) наблюдается снижение потенциала самоочищения атмосферы, что требует мер контроля над экологической ситуацией в ряде промыш-ленно-развитых районов ЦЧР.
Детальный анализ суровости климатических условий Белгородской области в зимний период проведен Л.М. Акимов. В качестве основных критериев были выбраны индекс суровости Бодмана (S) и индекс ветрохолодового стресса Сайпла (W). По значениям индекса Бодмана (S) было установлено, что продолжительность холодного периода составляет 6 месяцев (с октября по март). При этом в зимний период (декабрь-февраль) на территории Белгородской области наблюдается «умеренно суровая» зима. Анализ повторяемости классов индекса Бодмана показал, что с вероятностью 0,3-1% наблюдаются «жестко суровые» и «крайне суровые» зимы. Оценка суровости по индексу Сайпла (W) показала, что наиболее комфортные условия в зимний период наблюдаются в центральной части Белгородской области [5].
Детальный анализ агроклиматических ресурсов Воронежской области проведен в работе [9]. Проведено агроклиматическое районирование Воронежской области, с разграничением по сумме активных температур в вегетационный период (меньше и больше 2800С соответственно). Составлен прогноз на 2030 г. указывающий на увеличение меридиональной направленности в распределении метеорологических параметров.
В.Я. Хрипякова провела районирование территории Воронежской области по факторам самоочищения атмосферы на основе среднегодовых значений числа дней с грозой, суммы положительных температур и количества ясных дней в период с 1981 по 1991 гг. Отмечается, что наибольшая интенсивность очищения атмосферы наблюдается на всей протяженности долины р. Дон, включая крупные притоки левобережья Битюга и Толучеевки [159].
Общая эколого-географическая характеристика региона
В состав Центрального Чернозёмного региона входит 5 областей: Белгородская, Воронежская, Курская, Липецкая и Тамбовская области.
Центральный Чернозёмный регион занимает площадь между 4934` и 5349` северной широты, 3405` и 4315` восточной долготы. Общая площадь территории Центрально-Чернозёмного региона составляет 167 856 км и включает отдельно по областям: Белгородская – 27134 км; Воронежская – 52216 км; Курская – 29997 км; Липецкая - 24047 км; и Тамбовская – 34462 км, что составляет около 1% всей территории России [65]. Граничит Центрально Чернозёмный регион: на севере - с Брянской, Орловской, Тульской и Рязанской областями, на востоке - с Пензенской, Саратовской и Волгоградской областями, на юге - с Украиной (Луганская область) и Ростовской областью и с Украиной (Харьковская и Сумская области) на западе и юго-западе. Центральная часть региона расположена на Окско-Донской низменности, а западная - на Среднерусской возвышенности. Наблюдается постепенный переход с севера на юг от лесостепной зоны к степной. Численность населения: 7 207 714 человек (2017), что составляет около 5,3 % от всего населения России. Плотность населения составляет 43 человека на км2, при этом 68% проживает в городах. Основываясь на данных федеральной службы государственной статистики по Воронежской, Белгородской, Липецкой, Курской и Тамбовской областей построена сводная таблица численности населения, ранжированная по возрастным группам на 2017 г.
Больше половины населения Центрально-Черноземного региона является трудоспособным (56%), что является средним по стране показателем (57%). При этом число лиц старше трудоспособного возраста на 3% превышает средний по стране уровень и составляет 28%. Такое географическое расположение Центрально-Черноземного региона способствует формированию умеренного континентального климата, с выраженными сезонами года, обусловленного сложным взаимодействием основных климатообразующих факторов: солнечной радиацией, подстилающей поверхностью и связанной с ними циркуляцией атмосферы. Широта места, облачность и характер подстилающей земной поверхности определяют величину солнечной радиации. Приток солнечной радиации в различные сезоны года зависит, в основном, от количества облачности. Пространственное распределение вероятности пасмурных дней в течение года на территории Центрально-Черноземного региона представлено на рисунке 3.2.
Из рисунка 3.2 видно, что над территорией Центрально-Черноземного региона вероятность пасмурных дней находится в пределах 55 - 75%. Распределение облачности имеет очаговый характер, тем не менее, прослеживается квазиширотное распределение полей облачности с максимумом на северо-западе региона (75% - Курск, 75% - Липецк), подверженном влиянию циклонов с Атлантики, и уменьшением числа пасмурных дней на юго-востоке (63% - Павловск, 60% - Богучар). Наибольшее количество пасмурных дней наблюдается в узкой полосе, пролегающей через всю рассматриваемую территорию с юго-запада на северо-восток по линии: Богородицк (74%) Старый Оскол (73%) Конь Колодезь (71%) Липецк (75%). Среднее число пасмурных дней на территории Центрального Черноземья составляет 180 – 225 дней. Средняя продолжительность солнечного сияния в год на севере составляет - 1750 ч., а на юге – 3000 ч. Суммарная солнечная радиация для территории Центрального Черноземья в среднем за год составляет 99 ккал/см2 (Воронеж), в северо-восточной части – 90-91 ккал/см2. В зимний период величина суммарной солнечной радиации составляет 8 ккал/см2, весной - 33 ккал/см2, летом - 43 ккал/см2 и осенью - 15 ккал/см2.
Лучистая энергия используется земной поверхностью не полностью, часть ее отражается и излучается в атмосферу. Естественные поверхности территории обладают различной отражательной способностью. Темные поверхности (черноземы) имеют низкое значение альбедо (около 10%), светлые поверхности песков пойм, пляжей, террас - большое альбедо (35-40%), альбедо крон лиственного леса летом равно 14-17%, хвойного - 12-15%.
Более ясную картину теплообеспеченности дает радиационный баланс. В Черноземье в среднем за год он положительный и составляет 37 - 40 ккал/см2. Четко выражен сезонный характер распределения радиационного баланса, а именно, в период с ноября по февраль, радиационный баланс - отрицательный, а с марта по октябрь - положительный. В холодный период потери тепла земной поверхностью превышают его приход. Это обусловливается незначительной высотой солнца над горизонтом (22 декабря: 130 – на севере, 170 – на юге) и небольшой продолжительностью дня (22 декабря- 7ч. 39 мин.). Число пасмурных дней по общей облачности в ЦЧР в декабре составляет около 20 дней (в ноябре и январе по 17-18 дней), что является причиной преобладания рассеянной солнечной радиации над прямой. Смена отрицательного радиационного баланса на положительный баланс происходит в марте. Наибольшей величины радиационный баланс достигает в июне (22 июня высота Солнца над территорией равна 60 – на севере, 64 - на юге, продолжительность дня - 17 час. 9 мин. Количество пасмурных дней по общей облачности составляет до 6-7 в месяц. Прямая солнечная радиация преобладает над рассеянной радиацией из-за колебаний альбедо подстилающей поверхности (альбедо летом колеблется от 10 до 25%).
Существенное влияние на формирование климатических условий района оказывает атмосферная циркуляция. От нее зависит баланс тепла и влаги, изменения во времени начала и конца сезонов года, состав типов погод и т.п.
На формирование климата территории ЦЧР оказывают огромное влияние воздушные потоки с Атлантического океана, Европейско-азиатского континента и Арктики. На территории Центрального Черноземного региона господствуют умеренные континентальные и морские воздушные массы. На территории ЦЧР происходит существенная трансформация поступающих с океанов воздушных масс. При движении в глубину континента они теряют влагу и приобретают признаки, свойственные умеренной континентальной воздушной массе. Наибольшую повторяемость имеют ветры западного направления, несущие прохладный влажный воздух с Атлантического океана.
На климат Центрального Черноземного региона летом большое влияние оказывает отрог Азорского максимума, а в зимнее время года - Сибирский максимум. Полоса высокого атмосферного давления отчетливо прослеживается на юге Восточно-Европейской равнины, где ось ее идет примерно по линии: Уральск - Саратов - Харьков - Кишинев. Этот гребень атмосферного давления назван А.И. Воейковым «большой осью Европейско-Азиатского материка» (ось Воейкова). По территории ЦЧР этот гребень проходит по пунктам Валуйки -Лиски – Таловая - Борисоглебск. Ось Воейкова на территории Центрального Черноземного региона является важным климатообразующим фактором, т.к. служит важнейшим на Восточно-Европейской равнине разделом воздушных потоков. Зимой, к северо-западу от нее дуют влажные и относительно теплые западные и юго-западные ветры с Атлантики, а к юго-востоку преобладают сухие и холодные, северовосточные и восточные ветры с Казахстана. Несмотря на отсутствие летом Сибирского максимума, ось Воейкова в менее активном состоянии продолжает сохраняться. В это время года она поддерживается отрогом Азорского максимума. Поэтому летом на территории Центрального Черноземного региона, на северо-западе от оси Воейкова преобладают прохладные, влажные ветры, а в юго-восточной части – жаркие и засушливые ветры [163].
Геологическое строение территории Центрального Черноземного региона весьма разнообразно. Современные поверхностные образования представлены различными горными породами отличающиеся происхождением, возрастом, минералогическим, петрографическим, механическим и химическим составом. К ним относятся безвалунные (покровные) и валунные суглинки, флювиогля-циальные отложения, аллювиальные, элювиально-делювиальные, пролювиаль-ные отложения, глины, суглинки, супеси и пески палеогена и неогена, меловые отложения - мел, мергель, пески, юрские глины и пески, отложения каменноугольного периода - известняки, сланцы, глины, девонские отложения - известняки, мергели, глины, пески, песчаники; докембрийские граниты.
Все перечисленные горные породы, вышедшие на поверхность земли, становятся материнскими, или почвообразующими породами, являются основой для современного почвообразования. Роль этих пород очень велика, т. к. между материнскими породами и почвами существует тесная генетическая связь в механическом, минералогическом, химическом составе и в физических свойствах [2, 111].
Особенности факторов почвообразования в Центрально-Черноземном регионе обусловлены, прежде всего, его географическим положением, климатом, растительностью, характером рельефа и материнских пород.
Анализ устойчивости комфортности в летний период (на примере параметра ЕТ)
Климатическая комфортность территории является важным фактором, влияющим на здоровье населения. Особенно важен этот аспект в последние годы для теплого периода, учитывая аномально жаркое лето 2010 г., а также систематические повторяющиеся и усиливающиеся в последнее десятилетие периоды летнего зноя в Европе.
Детальный анализ условий формирования климатической комфортности проведен в летний период на примере г. Воронежа. Для получения достоверных результатов использованы ежедневные метеорологические данные Воронежского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды - филиала Федерального государственного бюджетного учреждения «ЦентральноЧерноземное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» за период наблюдений с 1918 по 2017 гг.
Учитывая тот факт, что основными критериями параметра ЕТ являются ветровые, влажностные и термические показатели атмосферы в исследуемом регионе, на первоначальном этапе проведен анализ распределения среднемесячных значений параметра ЕТ, позволяющий сгладить высокочастотные флуктуации и выявить наиболее общие закономерности. Временной ход среднемесячных параметров ЕТ в июне месяце представлен на рисунке 4.16.
Анализ рисунка 4.16 позволил выявить большую изменчивость среднемесячной комфортности в июне с размахом амплитуды до 10C за короткий промежуток времени (1941г., 14,9C – 1946г., 23,2C), а также наличие небольшого положительного тренда за исследуемый период. Кривая полиномиального тренда показывает наличие колебательных циклов в ходе среднемесячных значений параметра комфортности. Наибольшие среднемесячные значения параметра ЕТ в июне наблюдались в 1924 г. - 22,6C, 1946г. - 23,2C, 1948г. – 22,4C, 2010г. - 22,4C. Минимальные среднемесячные значения параметра ЕТ в июне наблюдались в 1930 г. – 14,9C, 1941г. – 14,9C, 1976г. – 15,5C, 1978г. - 15,4C, 2003г. – 14,8C.
В июле (рисунок 4.17) фон комфортности выше в среднем на 1,5 – 2,0C. Из рисунка 4.17 видно, что максимальные значения ЕТ в июле наблюдались в 1936г. – 24,4C, 2001г. – 24,3C, а в 2010 годы значение ЕТ достигло 26,4C.
Наименьшие значения параметра ЕТ в июле не опускались ниже 16,6C в 1956 и 1976 годах. В конце 20-го и начале 21 веков, на фоне общего повышения температуры, наименьшие значения ЕТ были в пределах 18,5C – 1994 г., 18,8C – 2006г.
Наибольшие среднемесячные значения ЕТ в августе наблюдались в 1920г. – 21,9C, 1929г. – 22,7C, 1938г. – 23,0C, 1972г. – 25,0C, и в 2010г. – 25,3C. Наименьшие среднемесячные значения ЕТ наблюдались в 1926г. – 15,1C, 1950г. – 15,9C, 1980г. – 16,0C и в 2009г. – 17,3C.
Особый интерес представляет анализ средних суточных значений параметра комфортности ЕТ. На следующем этапе исследования были рассчитаны ежедневные вероятности появления различных классов комфортности для каждого календарного месяца года теплого периода. В результате были получены «календари комфортности», представленные на рисунках 4.19 – 4.21. На оси абсцисс представлены календарные дни месяца, а по оси ординат – вероятности появления различных классов ЕТ в данный день.
Если рассматривать вероятность появления различных классов по дням в июне (рисунок 4.19), то можно отметить, что вероятность появления «Прохладной» погоды в июне (диапазон ЕТ 6,0 12,0С), представленная на рисунке 4.16, наиболее велика в первые семь дней июня – приблизительно 28 34%, за тем она снижается до 14% - 12 июня. В период с 21 июня и до конца месяца вероятность появления 1 класса незначительна и не превышает 10%.
Вероятность появления «Умеренно теплой» погоды (12,1 18,0С) наиболее высока (22%) в период с 2 по 10 июня, затем с 14 по 21 (23%), а последний пик наблюдается – 22-23 июня (25%).
Диапазон температур 18,1 – 24,0С характерный для класса ЕТ «Тепло» с вероятностью 20% наблюдается с 1 по 9 июня, а также с 21 числа до 28 июня (27%).
Появление «жаркой» погоды (24,1 – 30,0С) возрастает с 12 числа (22 -23%), но является наибольшей в конце месяца (19 - 24 июня – 23%, в период 29 - 30 июня составляет около 27-29%). Вероятность появления класса комфортности выше 30,0С «Очень жарко», в начале месяца невелика и резко возрастает приблизительно с 10 до 12 числа (37%). В период с 16 по 20 июня вероятность появления «очень жаркой» погоды примерно составляет 23%, а с 21 и до конца месяца увеличивается до 28 - 31%. Таким образом, в июне наблюдается некоторая закономерность в распределении параметра комфортности ЕТ: в начале месяца (примерно до 8 числа) наиболее велика вероятность появления классов «Прохладно» и «Умеренно тепло», с 8 по 12 июня чаще встречаются классы «Тепло», а затем возрастает вероятность появления «Жаркой» и «Очень жаркой» погоды до конца месяца. При этом пик «жаркой» погоды приходится на 19 - 25 июня, а «очень жаркой» – на 11 - 15 июня и 22 - 30 июня. Однако, вероятность появления «прохладной» погоды также имеет пики в конце и середине месяца (соответственно 17 - 19 и 22 – 23 июня).
Распределение вероятности появления классов комфортности ЕТ по дням июля, представлено на рисунке 4.20.
Из анализа рисунка 4.20 видно, наибольшая вероятность появления «прохладной» погоды отмечается в первые три дня июля (25-26%) и с 7 по 9 июля (26%), а также она возрастает в последние дни (28-29 июля – 27%).
Встречаемость «умеренно теплой» погоды невелика и довольно равномерно распределена. Вероятность появления довольно высока в начале месяца (до 4 июля составляет около 23%), затем наблюдаются несколько незначительных пиков в течение месяца (22-25% - единичные случаи).
Появление «теплой» погоды (18,0 – 24,0С) довольно значительно в первые десять дней месяца (20 - 24%). Второй пик увеличения повторяемости появления 3 класса наблюдается в конце второй - начале третьей декады месяца с 17 по 22 июля с вероятностью до 23 - 26%, но малой продолжительностью. И, наконец, третий пик появления 3 класса с вероятностью от 16% до 23% наблюдается в конце месяца, приблизительно с 27 числа.
Вероятность появления «жаркой» погоды возрастает с 13% в начале месяца до 27 - 30% в период с 11 по 16 июля. Второй пик наблюдается с 22 по 27 июля – с вероятностью около 24%.
В начале месяца, до 4 июля вероятность экстремально-жаркой погоды («Очень жарко») незначительна и составляет 13 - 16% и только с 5 по 7 июля наблюдается скачок до 20 - 26%, который резко уменьшается до 15% (8 июля).
Медико-географическое районирование территории по риску климатообусловленных заболеваний населения
На основе проведенной оценки зависимостей критериев состояния общественного здоровья от эколого-климатических условий, определен комплекс приоритетных признаков, формирующих биоклиматическую комфортность территории. Учитывали величину корреляционных связей, устойчивость тенденции по различным возрастным категориям и классам болезней, а также логическое правдоподобие («объяснимость») выявленных связей и статистических тенденций. С применением статистического метода взвешенных баллов проведена типизация территории Воронежской области по риску проявления климатообусловленных заболеваний населения.
Результаты статистических расчетов приведены в таблице 5.5, а картографическая визуализация - на рисунке 5.11, иллюстрирующем пространственное размещение зон риска для здоровья населения.
В качестве основных (ведущих) критериев состояния здоровья выбраны показатели заболеваемости: по взрослым - болезни крови и инфекции, по детям - болезни крови и репродуктивная патологии - врожденные аномалии, имеющие наибольший «отклик» на параметры погоды и биоклиматические факторы.
В качестве обобщающего показателя состояния здоровья, реагирующего на климатические факторы рассчитана суммарная заболеваемость (сумма болезней - Х1) - число случаев всех вышеназванных 4-х классов болезней по взрослым и детям.
В качестве наиболее информативных биоклиматических факторов, воздействующих на данные системы организма, выбраны: комплексный темпера-турно-влажностно-ветровой показатель ЕТ (А. Мессенарда) за летний период (Х2), индекс Арнольди (Х3), показатель Тома (Х4), индекс патогенности в зимний период (Х5), а также параметры погодные факторы: относительная влажность воздуха зимой (Х6); температура воздуха за летний период (Х7) и средняя скорость ветра за теплый период (Х8).
Далее применен алгоритм метода взвешенных баллов: расчет коэффициентов линейной корреляции между Х1 (ведущим признаком) и остальными признаками в отдельности (Х2, Х3, Х4, Х5, Х6, Х7, Х8); расчет статистических весов, путем деления полученных коэффициентов корреляций на максимальный расчетный коэффициент (в нашем случае - r=-0,39); ранжирование всех переменных (1 - минимальное число, 33 - максимальное число); расчет интегрального индекса биоклиматической комфортности (Y) и типизация районов на градации комфортности по 5 уровням риска климатообусловленных заболеваний населения.
Установлены градации (риска заболеваемости в баллах): 1) низкий (6,6 – 13,8); 2) пониженный (1,0 – 6,5); 3) средний (-3,3 - -0,9); 4) повышенный (-6,9 - -3,4); 5) высокий (-9,6 - -7,0) /рисунок 5.8/.
Как видно из рисунка 5.11, западный, в особенности - северо-западный сектор области характеризуется наименее комфортными биоклиматическими условиями (Воронеж, Семилукский, Хохольский, Новоусманский) и часть центрального сектора (Аннинский, Таловский, Новохоперский, и Бутурлиновский районы) с более высокими показателями заболеваемости населения, в то время как большинство районов восточного, центрального и южного секторов области (Бобровский, Борисоглебский, Верхнемамонский, Верхнехавский, Калачеев-ский, Кантемировский, Павловский, Поворинский, Терновский, Эртильский районы) характеризуются достаточно комфортными условиями с пониженной заболеваемостью населения.
В целом данные вполне согласуются с ранее проведенными исследования по комфортности окружающей среды в работах С.А. Куролапа [102], В.И. Федотова [158] с соавт., подтверждая пространственную неоднородность размещения зон различной биоклиматической комфортности среды, которая имеет устойчивый характер во временном аспекте и показывает обусловленность ряда заболеваний, преимущественно формирующих адаптационную стойкость организма (системы организма: кроветворение, репродуктивная, мочеполовая, дыхательная, иммунная, проявляющаяся через инфекционную патологию), эколо-го-климатическими факторами.
Механизм влияния климатических условий на общественное здоровье требует экспериментальных подтверждений путем социологических опросов, постановки опытов на теплокровных животных, анализе медико-географических аналогий с другими регионами, однако, выявленные закономерности могут быть востребованы региональными административными, природоохранными, гигиеническими ведомствами и специалистами сферы туризма для планирования территориального развития, организации труда, отдыха и профилактики климатообусловленных заболеваний населения с учетом факторов биоклиматической комфортности среды обитания.