Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние исследований по проблеме изменения увлажнения, материалы и методика исследования .
1.1. Природные условия и климат территории исследования 9
1.1.1. Широколиственно-лесная и лесостепная зоны 9
1.1.2. Степная и сухостепная зоны 11
1.1.3. Полупустынная зона 12
1.2. Изменение климата и увлажнения суббореальных равнинных ландшафтов России по данным наблюдений 14
1.3. Количественные показатели увлажнения. Методы оценки испаряемости, сравнение методов, выбор наиболее надежных методов. Сравнение показателей увлажнения. Обоснование выбора периодов для исследования 23
1.4. Индикатор зеленой фитомассы - NDVI AVHRR 52
1.5. Методика построения электронных карт-схем. Оценка значимости результатов анализа данных и электронных карт-схем 53
1.6. Краткое описание МОЦАО ЕСНАМ и UKMO, РКМ ГГО. Качество воспроизведения метеорологических параметров и показателей увлажнения климатическими моделями 58
Глава 2. Изменение увлажнения суббореальных равнинных ландшафтов России в XX веке .
2.1. Особенности изменения комплекса температуры, осадков и радиационного баланса в XX в. по данным наблюдений 69
2.2. Тенденции увлажнения суббореальных равнинных ландшафтов в XX веке 86
2.2.1. Радиационный индекс сухости Будыко 88
2.2.2. Коэффициент увлажнения Торнтвейта 90
2.2.3. Гидротермический коэффициент Селянинова (ГТК) 99
2.2.4. Показатели увлажнения и NDVI 102
2.3. Экстремальное проявление увлажнения: особенности распространения, изменение частоты, продолжительности опасной атмосферной засухи различной интенсивности 108
2.4. Краткие выводы 116
Глава 3. Возможное изменение увлажнения суббореальных равнинных ландшафтов России в XXI веке.
3.1. Предстоящее изменение климата территории по данным моделирования 118
3.2. Изменение показателей увлажнения на основе данных численного эксперимента МОЦАО ЕСНАМ и UKMO, РКМ ГГО 129
3.2.1. Радиационный индекс сухости Будыко (на основе данных РКМ ГГО)
3.2.2. Коэффициент увлажнения Торнтвейта (на основе данных МОЦАО ЕСНАМ и иКМО,РКМГГО) 130
3.2.3. Гидротермический коэффициент Селянинова (на основе данных РКМ ГГО) 135
3.3. Опасные атмосферные засухи в XXI в. (на основе данных РКМ ГГО) 136
3.4. Краткие выводы 140
Заключение 142
Литература 145
- Широколиственно-лесная и лесостепная зоны
- Методика построения электронных карт-схем. Оценка значимости результатов анализа данных и электронных карт-схем
- Радиационный индекс сухости Будыко
- Изменение показателей увлажнения на основе данных численного эксперимента МОЦАО ЕСНАМ и UKMO, РКМ ГГО
Введение к работе
Проблема влияния меняющегося климата на ландшафтную оболочку Земли, в особенности определение ответной реакции зональных ландшафтов на изменения климата, входит в число актуальных проблем современности (Climate Change, 2007). Повышение научного интереса к данному вопросу вызвано продолжающимся глобальным потеплением, существенным прогрессом в моделировании регионального климата, перспективными возможностями анализа наблюдаемых со спутников изменений показателей растительного покрова.
Суббореальные равнинные ландшафты России, включающие широколиственно-лесную (только в пределах Европейской части), лесостепную, степную и полупустынную зоны, располагаются в широтных областях максимального как наблюдаемого, так и прогнозируемого потепления (Оценочный доклад, 2008; Груза, Ранькова, 2006). Палеогеографические и дендрохронологические исследования свидетельствуют о возможном зональном характере реакции растительного компонента ландшафтов на изменения климата (Величко, 1992; Величко и др., 2004; Ваганов, 1996). Также на зональную направленность реакции растительности указывают результаты моделирования. Например, по сценарию ландшафтно-зональных систем Волжского бассейна, построенного на основе численных экспериментов на модели GISS, в ближайшем будущем прогнозируется сдвиг зональных границ на север (термоаридный биоклиматический тренд) (Коломыц, 2004).
В работе предпринята попытка исследовать пространственно-временное изменение увлажнения суббореальных ландшафтов в XX-XXI вв., как одного из факторов их зональной дифференциации. Его понимание важно, чтобы предвидеть возникновение климатических предпосылок возможного смещения зон увлажнения в условиях глобального потепления. Формирование этих предпосылок остается еще мало исследованным вопросом;
Под увлажнением понимается влагообеспеченность территории. Количественным показателем увлажнения является коэффициент увлажнения, который вычисляется как
отношение годового количества осадков к годовой испаряемости. Увлажнение суббореальных ландшафтов меняется от оптимального в широколиственно-лесной зоне до недостаточного в полупустынной. Важно подчеркнуть, что в пределах лесостепи и степи располагаются основные зернопроизводящие районы. Урожайность зерновых культур в них в значительной степени определяется увлажнением.
Актуальность исследования.
Сильная межгодовая изменчивость увлажнения суббореальных ландшафтов России, маскирующая вековую тенденцию, затрудняет разработку мер по адаптации сельского хозяйства к меняющемуся климату. Кроме того, сценарии ожидаемых гидроклиматических условий территории, основанные на результатах численных экспериментов на глобальных и региональных моделях климата, показывают разнонаправленные тенденции увлажнения в XXI в. (Кислов и др., 2008; Коломыц, 2004, 2006; Сиротенко и др., 2006; Шумова, 2005, 2007). Так, согласно этим сценариям, потепление может развиваться как по аридному, так и по гумидному типу.
Работа направлена на снижение неопределенности в установлении тенденции увлажнения суббореальных ландшафтов России в вековом масштабе по данным метеорологических наблюдений и результатов численных экспериментов на глобальных и региональных моделях климата. С одной стороны, причиной неопределенности может быть использование разных методов получения испаряемости при расчете коэффициента увлажнения. Как известно, испаряемость вычисляется как функция: радиационного баланса (1); радиационного баланса, температуры и влажности воздуха, скорости ветра, параметров растительности (2); температуры и относительной влажности воздуха (3); температуры (4) и т.д. В данном случае отдано предпочтение простым методам расчета испаряемости, в которых испаряемость является функцией температуры. Более сложные методы расчета испаряемости (Будыко, 1956, 1971; Penman, 1948) из-за ограниченности исходных данных используются в качестве эталонных оценок при сравнении разных методов.
С другой стороны, неопределенность сохраняется при определении достоверности реакции границ зон увлажнения на изменения климата из-за непродолжительного периода исследования (65 лет). В работе понятие достоверности (недостоверности) при его применении к оценке изменения положения границ зон увлажнения дополнительно трактуется как наличие/отсутствие климатических предпосылок смещения границ. Если на протяжении всего рассмотренного периода в пределах зоны увлажнения наблюдались изменения увлажнения одного знака (статистически значимые хотя бы в один из периодов исследования), а границы зоны увлажнения вышли за рамки коридора стандартного отклонения (хотя бы в один из периодов исследования), то считается, что наблюдалась достоверная реакция границ, и имеются предпосылки для смещения границ зоны увлажнения.
Основное содержание работы включает анализ оценок пространственно-временной структуры изменения увлажнения (линейные тренды, абсолютная и относительная изменчивость), поведение границ зон увлажнения суббореальных ландшафтов России и изучение динамики отрицательных экстремумов атмосферного увлажнения по данным наблюдений и модельным данным.
Таким образом, цель данного исследования состоит в изучении реакции границ зон увлажнения суббореальных ландшафтов России на изменение климата в XX и XXI веках по данным наблюдений и моделирования. Так как эти границы имеют сильную межгодовую изменчивость, то они определяются за многолетний период. По реакции зон увлажнения на ожидаемые изменения регионального климата можно предвидеть направление возможного смещения их границ, а также косвенно судить о формировании климатических предпосылок и направлении сдвига ландшафтных зон в будущем.
Осуществление цели определяется решением следующих задач. По данным
наблюдений и результатов численных экспериментов на климатических моделях:
обосновать методику дифференциации увлажнения данной территории;
определить пространственно-временные статистические характеристики показателей увлажнения и оценить достоверность колебаний границ зон увлажнения;
установить особенности проявления реакции границ зон увлажнения суббореальных
ландшафтов в связи с наблюдаемыми изменениями климата;
выявить тенденции изменения увлажнения зональных ландшафтов по различным сценариям ожидаемого антропогенного потепления в первую половину XXI в.
Научная новизна исследования состоит:
в создании уникальной базы данных показателей увлажнения, отражающих зональную дифференциацию территории;
в пространственно-временных особенностях реакции увлажнения на изменения климата;
в районировании территории по однородным колебаниям увлажнения в XX в.;
в реконструкции периодов сухих лет в прошлом на основе спутникового вегетационного индекса.
Предметом защиты является климатологическое обобщение влияния глобального потепления на увлажнение суббореальных зональных ландшафтов. Основные положения, выносимые на защиту:
территориальные особенности временного изменения увлажнения суббореальных ландшафтов России в XX в.;
реакция границ зон увлажнения территории на изменения климата в XX в.;
изменение увлажнения территории к середине XXI в., включая изменение показателей опасной атмосферной засухи по различным сценарным прогнозам.
Территория исследования ограничивается с севера 55 с.ш., с юга - государственной границей страны, с запада - 30 в.д., с востока - 90 в.д. и представлена суббореальными зональными ландшафтами по классификации ландшафтов А.Г.Исаченко (Ландшафтная карта СССР, 1988).
Данные инструментальных наблюдений охватывают временной интервал с 1936 г. по 2000 г., данные численных экспериментов на моделях общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО) ЕСНАМ и UKMO - тридцатилетия 1961-1990 гг. и 2010-2039 гг., региональной климатической модели (РКМ) ГГО -декады 1991-2000 гг., 2041-2050 гг.
Материалы и методы исследования.
Материалы включают архивы данных метеорологических наблюдений за температурой воздуха и осадками в период 1936-2000 гг.: ряды ежедневных данных климатического архива Международного Центра данных Росгидромета в Обнинске (Архив данных) и ряды срочных данных (Archive). Были использованы результаты численного эксперимента на РКМ ГГО (временные ряды среднесуточной температуры воздуха, суточных сумм осадков, среднемесячных значений радиационного баланса) за 1991-2000, 2041-2050 гг. (Школьник, 2000), а также архивы данных среднемесячных значений температур воздуха и месячных сумм осадков МОЦАО ЕСНАМ (Архив центра) и UKMO (Архив центра) за периоды 1961-1990 и 2010-2039 гг. В работе анализируются ряды среднемесячных значений радиационного баланса по актинометрическим справочникам за 1961-1986 гг. (Актинометрический ежемесячник) и данные наблюдений среднемесячного радиационного баланса подстилающей поверхности (Архив данных) за период 1996-2000 гг. Использовались данные NDVI с месячным шагом и разрешением 1x1 градус за период 1984-1991rr.(DAAC).
Метод исследования - сравнительно-картографический с применением ГИС-технологий.
Прикладной характер работы нацелен на создание информационной базы по оценке реакции динамичных компонентов ландшафтов на изменения климата и увлажнения территории. Важным прикладным аспектом исследования является оценка тенденции опасных (катастрофических) засух и возможного опустынивания южных районов России. Результаты исследования могут быть использованы в практической деятельности
Министерства природных ресурсов, Министерства сельского хозяйства, Министерства чрезвычайных ситуаций РФ.
Личный вклад автора. Авторской является методика оценки изменения увлажнения. В ходе исследования автором создано оригинальное программное обеспечение, применение которого позволило провести детальный анализ.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований по теме диссертации представлялись в виде тезисов научных докладов, в частности на конференциях: Международная конференция по проблемам гидрометеорологической безопасности (Москва, 2006), Пятая Юбилейная Открытая Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2007), VII научно-практическая конференция «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций» (Красная поляна, 2007), Drylands ecosystem meeting (China, 2007).
По теме диссертационной работы опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи в рекомендованных ВАК журналах и 4 тезисов докладов.
Автор выражает благодарность за консультации и ценные замечания сотрудникам лаборатории климатологии Института географии РАН, в особенности научному руководителю работы д.г.н., проф. Золотокрылину А.Н.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы: 156 страниц, 80 иллюстраций, 12 таблиц. Список литературы содержит 130 наименований.
Широколиственно-лесная и лесостепная зоны
В широколиственно-лесную и лесостепную ландшафтную зону попадают запад, центр и восток Русской равнины. Для западных и центральных областей характерны умеренно холодная зима и умеренно теплое лето. Количество осадков в среднем не превышает возможного испарения, но и не является недостаточным. Увлажнение широколиственно-лесной зоны меняется от влажной на западе до слабозасушливой на востоке. Во все сезоны года преобладают западные ветры, несущие воздух атлантического происхождения, в связи с чем зимой западные районы теплее восточных, летом наоборот. Однако под влиянием совершающейся трансформации атлантического воздуха и частых вхождений континентальных воздушных масс в направлении градиента температуры имеется и меридиональная слагающая: зимой температура убывает на северо-восток, летом — на северо-запад.
Климат восточных областей Русской равнины отличается от западных и центральных значительно большей континентальностью. Зима в Поволжье значительно холоднее, чем в западных областях. Средние температуры января в этом регионе опускаются ниже -10С. Общее понижение температуры зимних месяцев на восток связано с ослаблением Рис. 1.1. Территория исследования. Северная граница суббореальных равнинных ландшафтов России (сплошная красная линия). Изолинии северной границы зоны увлажнения на основе коэффициента увлажнения Торнтвейта: 0.5 - семиаридной; 0.65 -сухой субгумидной; 0.8 - субгумидной; 1.0 - влажной субгумидной. атлантических вхождений и усилением роли континентального воздуха. Более низкий, чем на западе, уровень температуры способствует устойчивости снежного покрова. Лето в регионе теплое, иногда жаркое. Средняя температура июля 20-22С. В годы, когда юг и юго-восток Русской равнины охватываются сильными засухами, засухи могут распространиться и на территорию Среднего Поволжья, Татарстана и Башкирии. Однако сильные засухи наблюдаются здесь значительно реже, чем на Нижней Волге, они ослабевают на восток с приближением к Уралу.
Характерной чертой слабозасушливой лесостепной ландшафтной зоны Западной Сибири является большая однородность климата с запада на восток. В отличие от Европейской части, усиление континептальности климата происходит не столько с запада на восток, сколько с севера на юг. Средняя температура января составляет -18С. Лето достаточно теплое и влажное: средняя температура июля - 17С. Осадков в июле выпадает 70-80 мм, в августе лишь немногим меньше (Алисов, 1956).
Климат засушливых степной и сухостепной зон Европейской части России характеризуется повышенной континенталыюстью климата. Особенно это выражено для Среднего Поволжья. Здесь велика роль, как радиационного фактора, так и континентальных воздушных течений. Часто в регион попадает воздух азиатского происхождения, который зимой снижает температуру, а летом - влажность воздуха. Континентальность климата Поволжья зимой проявляется в пониженной температуре воздуха. Средняя температура января -12С на севере и -8С на юге. В типично жаркое и сухое лето средняя температура июля составляет 21-23С на севере и 24-25С на юге. Осадков летом выпадает больше, чем в другие сезоны, но затрата тепла на их испарение не покрывает величины радиационного баланса. Недостаток осадков в течение всего года связан с ослаблением циклонической деятельности. Ослабление циклонической деятельности и обильная инсоляция являются причиной частых засух на юго-востоке Русской равнины. Интенсивность трансформации воздушных масс возрастает в регионе с запада на восток.
На юге Западной Сибири переход от лесостепи к степи отмечается постепенным уменьшением годового количества осадков и ростом величины радиационного баланса. Климат степей Западной Сибири отличается большей континентальностью по сравнению с полосой степи на Русской равнине. Высокая степень контипентальности климата проявляется в увеличении годовой амплитуды температуры воздуха и большей засушливостью по сравнению с Европейской частью. Зимой средние температуры января составляют -15С. Летом в степной полосе Западной Сибири развивается интенсивная трансформация воздушных масс. Увлажнение воздуха сокращается при быстром росте температуры к югу. Ослабление циклонической деятельности в результате трансформации приводит к возникновению засух (Алисов, 1956).
Климат полупустынных и пустынных ландшафтов определяется континентальным положением Прикаспийской низменности, в пределах которой они находятся. Прикаспийская низменность - это глубокая тектоническая впадина, поверхность которой пересекают маловодные, пересыхающие летом реки (Доскач, 1979). Поэтому наблюдается чередование плоских водоразделов с широкими долинами рек и понижениями. Кое-где в рельефе хорошо выражены соляные купола. Для территории характерна значительная роль неровностей поверхности разного масштаба в перераспределении атмосферной влаги. Неровности обуславливают дробную и контрастную структуру ландшафтов, растительность которых контролируется в основном факторами водно-солевого режима (Копыл и др, 1984; Николаев и др., 1997). Циклическое изменение водно-солевого режима в сторону то засоления, то рассоления определяет динамику почвенно-растителыюго покрова.
Климат зоны умеренно-континентальный. В Прикаспийской полупустыне климат сухой с теплым летом и умеренно мягкой зимой. Область находится под преимущественным влиянием ветров с западной составляющей. Характерной чертой увлажнения области является небольшое количество осадков и специфическое распределение их в годовом ходе. Годовые осадки уменьшаются на территории в юго-восточном направлении. В теплый период года выпадает больше осадков, чем в холодный. Отмечается весенний или летний максимум осадков. Смещение наибольших месячных сумм осадков на летние месяцы сохраняется в северной половине территории, причем в большинстве случаев максимум приходится на июль. Засушливые годы обычно отличаются сдвигом максимума на более поздние сроки — на июль и август. Помимо того, что эти осадки выпадают несколько позже, чем нужно для растений, они чаще всего носят характер ливней и поэтому используются не полностью. Влажные годы характеризуются заметным нарастанием осадков от зимы к весне и к первым летним месяцам, а также большим количеством осадков в апреле, мае и июне (Титкова, 2003а).
Важную роль в увлажнении почвы играет снежный покров, продолжительность залегания которого колеблется от 50 до 90 дней. Высота снежного покрова небольшая -около 15-20 см. Из-за частых оттепелей высота резко уменьшается. Запас воды в снежном покрове к началу снеготаяния возрастает в северном направлении от 40 до 60 мм.
Влияние Атлантики на термический режим данной территории сильнее зимой, чем летом. Это следует из заметного отклонения изотерм от широты зимой и их приближения к широте летом. Климат Прикаспийской полупустыни континентальный. Средняя температура января опускается до -10С - -15С, а мощность снежного покрова не превышает 20-30 см. Осадков выпадает около 200 мм (Титкова, 2006).
Методика построения электронных карт-схем. Оценка значимости результатов анализа данных и электронных карт-схем
В работе использовался нормированный разностный вегетационный индекс (NDVI, Normalized Difference Vegetation Index) как индикатор зеленой фитомассы. С середины 1980-х гг. состояние растительного покрова (ниже нормы или стрессовое, близкое к норме, выше нормы) на засушливых землях оценивается с помощью индекса вегетационных условий (VCI, Vegetation Condition Index) (Kogan, 1987). VCI определяется по месячным (недельным) значениям нормированного разностного вегетационного индекса NDVI. Месячный VCIj для і года вычисляется: VCIrl 00(NDVIi - NDVImin)/(NDVImax- NDVImi„), (ЗО) где NDVI; - текущее месячное значение і года, a NDVImax и NDVImjn - максимальное и минимальное значение за данный период. Максимум характеризует наивысший предел NDVI при благоприятных погодных условиях, а минимум - наименьший предел при неблагоприятных. NDVI вычисляется по данным измерений отражения земной поверхности в видимом (канал К1, 0.58-0.68 мкм) и в ближнем инфракрасном (канал К2, 0.72-1.1 мкм) диапазоне солнечного спектра с помощью радиометра AVHRR. Вычисление NDVI основано на различном отражении радиационных потоков растительным покровом в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Образование хлорофилла вызывает поглощение радиации листьями в диапазоне К1 и отражении в диапазоне К2. Комбинация диапазонов К1 и К2 используется для вычисления NDVI: NDVI = (K2-K1)/(K2 + K1) (31) NDVI предназначен для распознавания поверхностей с растительным покровом и является показателем плотности и запасов зеленой фитомассы. Многочисленные работы (Золотокрылин, 2006; НО. Kogan, 1997; Tucker et al., 1985; Tucker et al., 1986) свидетельствуют о том, что NDVI имеет высокую чувствительность к осадкам и коррелирует с запасами зеленой фитомассы.
Пространственное распределение результатов отражают электронные карты-схемы, выполненные в системе Maplnfo Professional. Карты-схемы изолиний были построены при помощи программного комплекса Surfer. Surfer позволяет строить интерполирующие сглаживающие поверхности различных типов. При выборе типа интерполяционного функционала принималось во внимание несколько обстоятельств: Ввиду неравномерности покрытия исследуемой территории метеосетью, данные не распределены по регулярной координатной сетке; Собираемые данные имеют некоторую погрешность; На краях региона (экстраполяционная часть) сглаживание должно быть равномерной функцией, то есть не должно получаться волновых эффектов, какие бывают при использовании степенных сглаживающих функций малого порядка (2, 3 порядков). Surfer предлагает на выбор множество типов сглаживающих функционалов. Рассмотрим наиболее часто используемые. Обратная степенная функция (Inverse Distance to a Power). Имеет тенденцию к построению концентрических контуров вокруг точек данных, и не позволяет проводить экстраполяцию. Неудобна при использовании данных с существенно отличающимися расстояниями между точками.
Минимальное искривление (Minimum Curvature). К сожалению, этот функционал, несмотря на гладкость порождаемой поверхности, создает непредвиденные артефакты в областях, где отсутствуют наблюдения. Блиэюайишй сосед (Nearest Neighbor) и Естественный сосед (Natural Neighbor). Могут быть использованы для построения высококачественных изолиний в областях с хорошим покрытием метеостанциями, предпочтительно на регулярной сетке. Полиномиальная регрессия (Plynomial Regression). Позволяет строить экстраполяции и создает гладкие поверхности, но теряет данные экстремумов, так как сглаживание оказывается слишком сильным. Триангуляция и линейная интерполяция (Triangulation with Linear Interpolation). He подходит для экстраполяции и дает ломаные вместо гладких изолиний. Бегущее среднее (Moving Average). Подходит только для очень больших массивов данных наблюдений. Кригинг (Kriging). Метод удовлетворяет всем сформулированным ранее условиям, и достаточно хорошо показал себя на всех сравнительных тестах, выполненных в рамках подготовки этой работы. В результате анализа рассмотренных методов и проведенных сравнительных тестов был выбран метод кригинга как наиболее подходящий в данной ситуации метод интерполяции.
Карты изолиний, построенные в комплексе Surfer, затем переносились в систему Maplnfo Professional, на подстилающую векторную карту. Цветные градиентные карты были построены в Maplnfo, но они использовались в основном для промежуточного чернового анализа. Для получения векторной ландшафтной карты в системе Maplnfo, был осуществлен экспорт и географическая привязка растрового варианта ландшафтной карты СССР. На основе этой карты был создан электронный слой ландшафтных зон.
При построении карт-схем изолиний использовались метеостанции России и сопредельных государств, расположенные в области несколько большей, чем территория исследования. Это было сделано, чтобы избежать негативных эффектов экстраполяции при отсутствии данных и минимизировать возможные ошибки на краях выбранной области.
Все математические методы проведенного исследования использовали максимальную точность исходных данных, загрубления сетки нигде не призволилось. Среднее расстояние между выбранными метеостанциями составляет 200-300 км, поэтому в данном случае густота метеосети и выявленные корреляционные связи (от 0.55 до 0.8) между временными рядами суточных сумм температур и осадков позволяют говорить о достаточности количества метеостанций для производимого исследования. Длина исследуемого в работе временного ряда с 1936-2000 гг. достаточна для проведения точных оценкок колебаний метеорологических элементов (Исаев, 1988).
Достоверность статистических характеристик (Бочаров, 1971; Голиков и др., 1986; Елисеева и др., 1995; Шторм, 1970), вычисленных по данным метеосети и сети актинометрических станций выше на Русской равнине, чем в Западной Сибири с более разреженной наблюдательной сетью. Также сходимость повышается с удлинением периода сравнения.
Статистические оценки результатов работы получены с помощью пакетов SPSS и Statistica. Статистически значимый результат для указанных периодов определялся с помощью критерия Стьюдента (с уровнем значимости 0.95) для временных рядов разной длины. При оценке значимости коэффициентов тренда временных рядов показателей увлажнения использовался критерий Фишера с уровнем значимости 0.95 и числом степеней свободы, равным 63 (Митропольский, 1971).
Радиационный индекс сухости Будыко
Надежное определение тенденций увлажнения может быть сделано на основе исследования динамики радиационного индекса сухости М.И. Будыко (РИС), в котором радиационный баланс вычислен по данным наблюдений. Однако ограниченность данных не позволила провести анализ за весь период 1936-2000 гг.
Годовые значения радиационного баланса были осреднены по 21-й актинометрической станции за период 1961-1986 гг. и по 10-ти актинометрическим станциям за период 1996-2000 гг., находящимся в пределах территории исследования. Построенное в пределах территории исследования по данным измерений радиационного баланса и сумм осадков пространственное распределение годового радиационного индекса сухости М.И. Будыко согласуется с приведенным в работе (Шмакин, 2006) распределением индекса сухости.
Как следует из рисунков 2.16 а) и б), на юге Европейской России, в Оренбургской области, в центре Западно-Сибирского сектора в последнюю декаду XX в. по сравнению с периодом 1961-1986 гг. отмечалось уменьшение значений радиационного индекса сухости -стало влажнее. В северной части Восточно-Европейского сектора незначительное увеличение индекса указывает на слабое иссушение в период 1991-2000 гг.
В целом, полученные результаты по изменению радиационного индекса сухости в указанные периоды, в общем, надежно определяют территорию и знак тенденции увлажнения. Но они нуждаются в детализации с помощью других показателей увлажнения. Проведение более детального анализа динамики радиационного индекса сухости Будыко в работе ограничено ввиду малого количества актинометрических станций, общего для обоих периодов.
Выявленные общие тенденции годового увлажнения на протяжении всего периода 1936-2000 гг. дополнены сравнением коэффициента увлажнения Торнтвейта (КУТ) в периоды 1936-1960 гг., 1961-1990 гг. и 1991-2000 гг.
Анализ динамики КУТ свидетельствует, что увеличение годового увлажнения в период 1961-1990 гг. по сравнению с 1936-1960 гг. доминирует практически на всей рассматриваемой территории. На рисунке 2.17 а) можно увидеть, что интенсивность абсолютных изменений растет в направлении от сухостепной и полупустынной зоны к широколиственно-лесной зоне Восточно-Европейской равнины. Наибольшее изменение значения КУТ (0.11-0.3) приходится на широколиственно-лесную, лесостепную, северную часть степной зоны. Повышение КУТ юга Восточно-Европейской и Западно-Сибирской равнины было слабее (изменение значения КУТ - 0.01-0.11). Максимальное повышение увлажнения в Западно-Сибирском секторе зафиксировано на юге Омской области (изменение КУТ - 0.11). Повышение увлажнения большей части территории было больше разности среднего КУТ между соседними зонами. Статистически значимый рост КУТ отмечался в основном в северной части суббореальных ландшафтов. На севере Алтайского края, на территории Краснодарского края, республики Адыгея и Дагестана отмечались небольшие очаги, где зафиксировано иссушение. Повышение увлажнения в период 1961-1991 гг. связано с увеличившимися годовыми суммами осадков (в среднем 10-18%) (см. табл.2.2 раздела 2.1), испаряемость же возросла только на 1-2%. Полученные результаты согласуются с выводами о росте положительных аномалий осадков в отдельных регионах Русской равнины при усилении меридионального обмена (Попова, 2003).
В Западно-Сибирском секторе в период 1991-2000 гг. по сравнению с 1961-1990 гг. стало более влажно, кроме небольших районов на востоке Омской и западе Новосибирской области, юге Алтайского края. Максимальное увлажение отмечено в центре лесостепной зоны Западно-Сибирской равнины. Эпицентры со значимым ростом увлажнения периода 1991-2000 гг. по сравнению с 1961-1990 гг. располагаются на черноморском побережье Краснодарского края, на юге Астраханской области и республики Калмыкия, в Омской, Курганской, Тюменской областях.
Как видно из рисунков 2.17 б) и 2.18 б), относительные изменения КУТ были очень незначительными. В период 1991-2000 гг. максимальные относительные изменения на всей территории Европейской части России наблюдались в степных и полупустынных ландшафтах на юго-востоке. В этих районах относительные изменения КУТ были положительными на протяжении всего периода 1936-2000 гг. Несмотря на небольшие (статистически незначимые с уровнем значимости 0.05) абсолютные изменения КУТ в зоне степей и полупустынь, эти изменения оказали существенное влияние на природные процессы (восстановление растительности, повышение уровня грунтовых вод и т.д.) (см. рис. 1.2).
Анализ построенных карт пространственного распределения стандартного отклонения и коэффициента вариации КУТ показал следующее. В середине рассматриваемого периода абсолютная изменчивость КУТ увеличилась на большей части территории исследования. Исключение составили степные, полупустынные и отчасти лесостепные ландшафты в восточной половине Европейской России. В конце периода по сравнению с его серединой наблюдалось уменьшение абсолютной изменчивости на северо-западе Европейской России, а также в степи и лесостепи Алтайского края. Вместе с тем, увеличение увлажнения в тот же период и уменьшение абсолютной изменчивости КУТ в степной и полупустынной зоне юго-востока Европейской России привело к увеличению его устойчивости. Проанализируем подробнее динамику КУТ Торнтвейта по ландшафтным зонам и выделим области значимых изменений. На территории Восточно-Европейского сектора в период 1961-1990 гг. по сравнению с 1936-1960 гг. во всех зонах среднее значение КУТ увеличилось (см. табл.2.4). В широколиственной и лесостепной зоне все изменения были значимыми, за исключением небольших территорий в Пензенской, Саратовской, Оренбургской, Брянской, Орловской, Курской и Белгородской областях. В степной зоне произошедшие изменения являются значимыми для Ростовской, Воронежской, Волгоградской, Саратовской, Оренбургской областей, Ставропольского края. В зоне полупустынь значимые изменения имели место в Калмыкии и на юге Волгоградской области.
В Восточно-Европейском секторе потепление в период 1991-2000 гг. по сравнению с 1961-1990 гг. проявилось в уменьшении КУТ в широколиственно-лесной и лесостепной зонах. В остальных зонах зафиксирован рост КУТ. В пределах степной зоны изменения режима влажности были противоположными по знаку: на юге и западе зафиксировано иссушение, в остальной части зоны - рост увлажнения. В этот период значимые изменения произошли в лесостепной зоне (запад Воронежской, восток Курской и Белгородской областей), в зоне северных пустынь (юг Астраханской области).
Изменение показателей увлажнения на основе данных численного эксперимента МОЦАО ЕСНАМ и UKMO, РКМ ГГО
Радиационный индекс сухости М.И. Будыко по своей сущности является величиной, обратной к коэффициенту увлажнения. Как отмечалось в разделе 1.3, в качестве эквивалента испаряемости в формуле расчета индекса Будыко выступает радиационный баланс. Важным представляется оценка радиационного индекса сухости в середине XXI века, а также сравнение его ожидаемого изменения с изменением КУТ.
Рассмотрим рисунок 3.20, где отражено пространственное распределение среднемноголетнего радиационного индекса сухости Будыко в период 2041-2050 гг. по сравнению с 1991-2000 гг. и рис. 3.21 (в) раздела 3.2.2, где отражено поведение КУТ в тот же период. Из рисунков следует, что РКМ ГГО, в целом, дает схожие оценки поведения и скорости изменения обоих показателей в 2041-2050 гг. по сравнению с 1991-2000 гг. Исключение составляют полупустынные и пустынные ландшафты на юге России, где отрицательные значения индекса сухости означают повышение увлажнения, а отрицательные значения КУТ говорят об обратном. Максимальные изменения показателей увлажнения ожидаются в Западно-Сибирском секторе. Необходимо отметить схожесть не только пространственного распределения изменения показателей увлажнения, но и их абсолютных значений.
Исключение составят степные ландшафты на западе, а также широколиственно-лесные и лесостепные ландшафты на северо-востоке сектора, где станет засушливее. На севере сектора скорость увеличения увлажнения будет расти в направлении с востока на запад, на юге сектора, наоборот, с запада на восток. Согласно сценарию РКМ ГГО, на всей территории Западно-Сибирского сектора в середине XXI века будет наблюдаться снижение увлажнения. Скорость уменьшения увлажнения будет увеличиваться с запада на восток.
На основании проведенного анализа можно сказать, что как радиационный индекс сухости Будыко, так и коэффициент увлажнения Торнтвейта (см. раздел 3.2.2) свидетельствуют о возможном увеличении увлажнения на большей части территории Восточно-Европейского сектора и снижении увлажнения на большей части территории Западно-Сибирского сектора в середине XXI в.
Как было установлено в разделе 1.3, рассмотренные показатели увлажнения тесно коррелируют с коэффициентом увлажнения Торнтвейта. Поэтому в работе подробно отражены результаты исследования динамики годового увлажнения в XXI в. на базе этого коэффициента. Анализ динамики КУТ, рассчитанного для РКМ ГГО, МОЦАО ЕСНАМ и UKMO, показал различные тенденции изменения увлажнения суббореальных равнинных ландшафтов России в первой половине XXI в. Современным тенденциям изменения увлажнения (Сиротенко и др., 2007), а также динамике КУТ периода инструментальных наблюдений 1936-2000 гг. более всего соответствуют сценарии, предложенные РКМ ГГО и UKMO. В этих сценариях достаточно много общего, несмотря на то, что расчет UKMO касается периода 2010-2039 гг., а РКМ ГГО - 2041-2050 гг. Как видно из таблицы 3.1, в период 2041-2050 гг., согласно результатам численного эксперимента на РКМ ГГО, для Восточно-Европейского сектора следует ожидать повышение увлажнения широколиственно-лесной, лесостепной и полупустнынной зон и понижение увлажнения степной зоны. В Западно-Сибирском секторе ожидается иссушение лесостепной зоны и увеличение увлажнения степной зоны.
Чтобы понять, следует ли ожидать ли на протяжении периода с 2041 г. по 2050 г. по сравнению с 1991-2000 гг. формирования предпосылок сдвига границ зон увлажнения засушливых и гумидных земель, проведем следующий анализ. Для каждой зоны увлажнения (см. табл. 1.1) оценим ожидаемые значения КУТ в период 2041-2050 гг. по сравнению со среднемноголетним КУТ и положением интервала стандартного отклонения границы КУТ за период 1991-2000 гг. В этом исследования участвовала модель регионального климата ГГО, так как изменение увлажнения по ее сценарию более соответствует продолжению современной тенденции увлажнения, чем по сценариям МОЦАО ЕСНАМ и UKMO.
По сравнению с 1991-2000 гг. на всей территории исследования изолинии КУТ, соответствующие ожидаемым в период 2041-2050 гг. северным границам влажных субгумидных, субгумидных и сухих субгумидных земель не выйдут за пределы коридора стандартного отклонения. Как показано на рис. 3.22 а) и б), на территории Восточно-Европейского сектора прогнозируемая граница влажных субгумидных и субгумидных земель (изолинии КУТ со значением 1 и 0.8) продвинется к югу, приблизившись к южной границе коридора. Рисунки, иллюстрирующие смещение северных границ сухих земель не приводятся, так как соответствующие изолинии КУТ располагаются к югу вне исследуемой территории. Необходимо отметить завышение КУТ моделью регионального климата ГГО, увеличивающееся с севера на юг и связанное с недостаточно корректным воспроизведением поля осадков.
На основе сравнения пространственного распределения ГТК, проиллюстрированного на рисунке 3.22, с коэффициентом увлажнения Торнтвейта, карта распределения которого представлена в разделе 3.2.2, можно сделать следующий вывод. Годовой коэффициент увлажнения и показатель увлажнения за сезон активной вегетации, рассчитанные по данным РКМ ГГО, имеют одни и те же характерные черты. Полученные результаты хорошо согласуются с результатами анализа изменения увлажнения Восточно-Европейской равнины в середине XXI в. по ансамблю климатических моделей: наиболее заметное уменьшение увлажнения ожидается в юго-западной части ВЕР (Суркова, 2008).
Ожидаемое увлажнение в вегетационный сезон периода 2041-2050 гг. по сравнению с 1991-2000 гг. имеет характерную особенность: меридионально ориентированные полосы отрицательного и положительного изменения увлажнения чередуются на всей территории исследования. В Восточно-Европейском секторе в центре располагается полоса предполагаемого уменьшения увлажнения, с северо-запада и северо-востока ее окружают области, где, согласно сценарию РКМ ГГО, ожидается увеличение увлажнения. Наибольшему увлажнению предположительно подвергнется восточная часть Восточно-Европейского сектора.
В Западно-Сибирском секторе РКМ ГГО дает снижение увлажнения на всей территории сектора, за исключением Тюменской области, где ожидается повышение увлажнения. Наибольшее понижение увлажнения предположительно произойдет в Омской области и в Алтайском крае.
