Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Климат горных районов 12
1.1 Влияние орографии на основные элементы климата 12
1.2 Опыт стационарных исследований климата горных районов Восточной Сибири 19
Глава 2. Физико-географическая характеристика котловин Юго-Западного Прибайкалья . 25
2.1 Рельеф и растительность 25
2.2 Почвенный покров и поверхностные воды . 30
2.3 Климат 34
2.4 Географическая изученность территории . 38
Глава 3. Материалы и методы исследования 42
3.1 Материалы исследования температурного режима котловин юго-западного Прибайкалья . 42
3.2 Методы исследования температурного режима Тункинской и Мондинской котловин . 57
Глава 4. Особенности температурного режима котловин Юго-Западного Прибайкалья 63
4.1. Многолетние изменения температуры воздуха . 63
4.1.1 Изменение характеристик температуры воздуха за базовый период наблюдений 63
4.1.2 Тенденции изменения температуры воздуха на фоне современных климатических изменений . 66
4.2 Микроклиматические особенности температуры воздуха в горно-котловинных ландшафтах . 75
4.2.1 Основные характеристики температурного режима Тункинской и Мондинской котловин 75
4.2.2 Особенности холодного и теплого периодов в условиях горно-котловинного рельефа 80
4.2.3 Инверсии температуры воздуха на склонах Тункинской и Мондинской котловин 90
Глава 5. Пространственное распределение приземной температуры воздуха в Тункинской котловине 98
5.1 Ландшафтно-интерпритационное картографирование приземной температуры воздуха 98
5.2 Геоинформационный анализ поля температуры воздуха 109
Выводы . 115
Список используемой литературы . 118
Приложения
Приложение 1 140
Приложение 2 . 160
Приложение 3 . 161
Приложение 4 . 171
Приложение 5 . 172
Приложение 6 . 173
Приложение 7 . 175
Приложение 8 . 176
Приложение 9 . 177
Приложение 10 178
- Опыт стационарных исследований климата горных районов Восточной Сибири
- Климат
- Тенденции изменения температуры воздуха на фоне современных климатических изменений
- Ландшафтно-интерпритационное картографирование приземной температуры воздуха
Введение к работе
Актуальность исследования. Горные районы занимают более 50% территории Российской Федерации и обладают многообразием природных ресурсов. На территории межгорных впадин сконцентрированы объекты рекреационной инфраструктуры, жилищно-коммунального и лесного хозяйств. Для рационального и экономически эффективного использования ресурсов горных территорий, а также стратегического планирования устойчивого развития регионов, включающих горные области, требуется подробный учет и изучение природных ресурсов, в том числе климатических.
Изучению климата в горно-котловинных ландшафтах до сих пор не уделялось достаточного внимания. Особенность исследования климатических характеристик в орографически сложных районах заключается в необходимости учета большого количества факторов, оказывающих влияние на формирование климата межгорных котловин. Существующая плотность сети метеорологических станций не позволяет получить достоверную информацию об особенностях формирования температурного режима в условиях сложного рельефа. В результате, в настоящий момент существует недостаток актуальной фактической информации о климате и климатических изменениях в горных районах. Поэтому сбор и анализ репрезентативных данных о температуре воздуха горно-котловинных ландшафтов и анализ ее пространственно-временной изменчивости с учетом глобальных и региональных климатических изменений является актуальной задачей современной науки. Особенный интерес это представляет сейчас, в период современных климатических изменений.
Исследованию климата горно-котловинных ландшафтов Восточной Сибири и прилегающих территорий посвящено значительное количество работ [Александрова, 1962; Буфал, 1966; Картушин, 1969; Южная тайга…, 1975; Караушева, 1977; Климатические параметры…, 1977; Природные режимы…, 1976; Климатические ресурсы Байкала…, 1976; Геосистемы предгорий…, 1979; Буфал, 1983; Гавлина, 1954; Башалхано-ва, 1989; Белоусов, 2000; Береснева, 2006; Севастьянов, 2009]. В подавляющем большинстве исследований приведено описание климата на основе данных метеорологических станций, которые расположены, как правило, на днище котловин. В ряде работ представлены результаты экспедиционных наблюдений, ограниченных полевым сезоном. В результате, факторы, оказывающие влияние на формирование особого микроклимата горных районов и межгорных котловин, изучены недостаточно. Для более полного понимания принципов формирования климата горно-котловинных территорий требуются дополнительные количественные оценки метеорологических параметров, с учетом характеристик рельефа и свойств подстилающей поверхности на локальном уровне, при условии непрерывных круглогодичных наблюдений. То есть необходим мониторинг характеристик климатической системы с высоким пространственным разрешением.
В качестве модельной системы, характеризующей принципы формирования поля температуры воздуха в межгорных котловинах байкальского типа, выбраны котловины юго-западного Прибайкалья. Репрезентативность территории исследования обусловлена относительной изолированностью и четкими физико-географическими границами котловин, значительными перепадами высот между центральной частью котловин и их бортами, а также большим разнообразием ландшафтов, сконцентрированных на сравнительно небольшой территории. Таким образом, результаты, полученные в работе, могут быть корректно экстраполированы на другие орографически сложные природные объекты.
Цель работы. Выявить пространственные и временные особенности распределения температуры воздуха в горно-котловинных ландшафтах на примере Тункинской ветви котловин.
Для реализации поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1. Изучить температурный режим котловин юго-западного Прибайкалья по официальным данным Росгидромета (метеостанции Аршан, Тунка, Кырен, Монды) за ин-
струментальный период наблюдений, и сопоставить тенденции его изменений с характеристиками циркуляции атмосферы и глобальными климатическими изменениями.
-
Оценить корректность применения программируемых электронных термографов (DS1922) для проведения круглогодичных микроклиматических наблюдений температуры воздуха и разработать схему расположения модельных площадок с учетом ландшафтных характеристик территории.
-
На основе анализа рядов температуры воздуха, полученных в результате непрерывных автоматических измерений за 2009-2015 гг., оценить микроклиматические разности между характеристиками температуры воздуха в разных ландшафтах (средние, экстремальные значения, суммы температур, даты переходов через 0, ± 5, ± 10, ± 15, ± 20С), получить количественные показатели температурных инверсий, наблюдающихся на склонах котловин (продолжительность, интенсивность, высота нижней границы, мощность вертикального слоя).
-
Провести картографирование и верификацию поля температуры воздуха на основе микроклиматических наблюдений, ландшафтных карт и спутниковых данных.
Исходные материалы. Информационную основу исследования составили:
данные круглогодичных срочных измерений температуры воздуха с временным интервалом 3 часа с 58 наблюдательных площадок, расположенных в типичных ландшафтах котловин юго-западного Прибайкалья, полученных автором в ходе научно-экспедиционных работ в период с 2009 по 2015 гг.;
данные срочной, средней месячной, годовой температуры воздуха за инструментальный период наблюдений на метеорологических станциях «Росгидромета», расположенных на территории Тункинской ветви котловин (Тунка, Аршан, Кырен, Мон-ды); [Климатологический справочник СССР, 1955, 1961; Метеорологический ежемесячник, 1966 - 1989; Справочник по климату СССР, 1968, 1969, 1970, 1972; веб-ресурс , ;
аномалии средней годовой приповерхностной температуры воздуха, осреднен-ные для: Земного шара, Северного полушария и зоны умеренных широт (Climatic Research Unit University of East Anglia [);
средние месячные и годовые значения индексов и типов атмосферной циркуляции; (Climate Prediction Center of National Weather Service, USA [. ]);
индексы атмосферной циркуляции по классификациям Вангенгейма-Гирса и Дзердзиевского ;
давление в центре Сибирского антициклона [данные реанализов: CFSR, ERA-Interim, ERA-40, JRA-55, MERRA, NCEP R-2];
ландшафтные карты территории масштаба 1:1500000, 1:200000;
данные спутниковых измерений (снимки Landsat-5 и Landsat-7 за период с 2010 по 2013 гг. (US Geological Survey )
В работе используются методы:
статистического анализа климатических данных;
определения дат устойчивого перехода температуры воздуха через 0, ± 5, ± 10, ± 15, ± 20С;
полевых физико-географических описаний;
дистанционного определения температуры поверхности суши по спутниковым данным;
- геоинформационного и ландшафтно-интерпретационного картографирования.
Для расчетов, обработки информации и картографирования использованы пакеты
программ Microsoft Excel, Stat Soft Statistica, Golden Software Surfer, Exelis VIS ENVI и ESRI ArcGIS.
Научная новизна. Полученные результаты существенно дополнили сведения о закономерностях формирования микроклиматических условий в горно-котловинных ландшафтах Сибири.
Впервые для котловин юго-западного Прибайкалья выявлены особенности многолетних изменений температуры воздуха в условиях современных климатических изменений.
Впервые для котловин юго-западного Прибайкалья получены характеристики температурного режима холодного и теплого периодов в различных ландшафтных условиях и рассчитаны параметры температурных инверсий на склонах котловин.
Для исследуемой территории впервые получены уникальные результаты сравнения космических снимков Landsat в инфракрасном диапазоне и натурных измерений, которые позволят оценить микроклиматическую изменчивость температурного поля в орографически сложных природных объектах.
Практическая значимость.
Исследования выполнены в рамках работы по проекту НИР ФГБУН Института географии СО РАН № 0347-2014-0003 и РФФИ № 12-05-31135.
Полученный фактический материал составит основу для выявления региональных особенностей климатических изменений, послужит исходным материалом для многофакторного анализа, прогнозирования и реконструкции состояния наземных экосистем и климата Сибири под воздействием природных и антропогенных факторов. Результаты исследований могут служить основой для параметризации в численных моделях глобального и регионального климата.
Космические снимки Landsat в инфракрасном диапазоне, с учетом полученных поправок, могут быть использованы для детального исследования пространственной дифференциации температурного поля различных типов ландшафтов и элементов горно-котловинного рельефа.
Статистически обоснована корректность использования автоматических термографов (DS1922) для микроклиматических исследований, что существенно дополняет современные возможности мониторинга климатических параметров.
Результаты работы могут быть использованы при планировании социально-экономического развития территории, организации рекреационной инфраструктуры, оценке экономической эффективности растениеводства, жилищно-коммунального и лесного хозяйства.
Результаты исследования представляют интерес для экологов, ботаников, почвоведов, географов и специалистов смежных областей научных знаний.
В результате проделанной работы сформулированы положения, составляющие предмет защиты:
-
Основной вклад в повышение средних годовых значений температуры воздуха в котловинах юго-западного Прибайкалья за период с 1976 по 2012 гг. вносят зимние месяцы. Влияние глобальной циркуляции, как климатообразующего фактора, проявляется в связях температуры воздуха c индексами SCAND и повторяемостью западного типа циркуляции в зимние месяцы.
-
В котловинах юго-западного Прибайкалья с разным коэффициентом котловин-ности формируются статистически значимые различия в величинах микроклиматических разностей и параметрах температурных инверсий, которые необходимо учитывать при экстраполяции результатов на другие котловины Байкальского типа.
-
Разработанный алгоритм получения поправок к информации спутников позволят картографировать температурные поля над орографически сложными природными объектами в конкретный момент времени с точностью до 1-3С, которая чувствительна к сезонной изменчивости температуры. Ландшафтно-интерпретационное картографирование позволяет визуализировать поле средней месячной температуры воздуха с точностью до 0,5С в течении года.
Степень достоверности результатов подтверждается достаточным количеством репрезентативных площадок исследования, апробированностью используемого оборудования, согласованностью полученных результатов с литературными данными по теме диссертации, применением традиционных статистических методов анализа полученных данных и современных геоинформационных технологий.
Личный вклад автора. Непосредственно автором подготовлен и обработан обширный материал данных метеорологической информации по метеорологическим станциям Тунка, Аршан, Кырен, Монды с 1888 по 2015 гг. Основой исследования являются данные, собранные в ходе экспедиционно-полевых работ при участии автора в период с 2009 по 2015 гг. и обработанные автором. Анализ и интерпретация полученных и представленных результатов работы осуществлялись непосредственно автором и в соавторстве.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научной конференции с международным участием «Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: новые методы и технологии исследования» (Казань, 2009, 2013); Всероссийской конференции «Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу» (Томск, 2009, 2013); Международной конференции, посвященной 105-летию со дня рождения академика В.Б. Сочавы «Динамика геосистем и оптимизация природопользования» (Иркутск, 2010); Международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды «ENVIROMIS» (Томск, 2010, 2012, 2014, 2016); Всероссийском симпозиуме «Контроль окружающей среды и климата» (Томск, 2010, 2012); Научно-технической конференции по проблемам гидрометеорологических прогнозов, экологии, климата Сибири (к 40-летию образования СибНИИГМИ) (Новосибирск, 2011); XIV совещании географов Сибири и Дальнего Востока (Владивосток, 2011, Улан-Удэ, 2015); Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной 100-летию со дня рождения д.г.н., профессора Л.Н. Ивановского (Иркутск, 2011); 32nd International Geographical Congress (Cologne, Germany, 2012); European Geosciences Union General Assembly (Vienna, Austria, 2012); Международной научно-практической конференции «Климатология и гляциология Сибири» (Томск, 2012); The second workshop of the Earthtemp research network (Copenhagen, Denmark, 2013); Международной школе-конференции молодых ученых «Изменения климата и окружающей среды Северной Евразии: анализ, прогноз, адаптация» (Москва-Кисловодск, 2014); XVIII научной конференции молодых географов Сибири и Дальнего Востока «Развитие географических знаний: научный поиск и новые методы исследования» (Иркутск, 2014); International Geographical Union Regional Conference (Moscow, 2015); Семинаре научно-дискуссионного клуба молодых ученых ИГ СО РАН (Иркутск 2010, 2012); Научном семинаре кафедры метеорологии, климатологии и экологии атмосферы КФУ (Казань, 2016); Научной сессии ИГ СОРАН, посвященной Дню российской науки (Иркутск, 2017).
Публикации: По теме диссертации опубликовано 24 научные работы, в том числе 4 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.
Объем работы: Диссертация содержит введение, пять глав и выводы. Текст изложен на 178 страницах, включает 22 таблицы, 23 рисунка и 10 приложений. Список использованной литературы состоит из 193 источников.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю – Воропай Н.Н. за многолетнюю помощь и содействие в работе; Истоминой Е.А. за совместную работу в построении карт и оказанную поддержку на всех этапах исследования; Дюкареву Е.А. за ценные методические и научные рекомендации; сотрудникам Института географии им. В.Б. Сочавы – Чепиноге В.В., Черкашиной А.А., Макарову С.А., коллективу лаборатории гидрологии и климатологии за предметную помощь, научные советы и поддержку в процессе выполнения работы.
Опыт стационарных исследований климата горных районов Восточной Сибири
Во второй половине XX века, в период активного экономического развития происходило массовое внедрение результатов научно-технического прогресса во все отрасли жизнедеятельности. Подобное развитие требовало всестороннего изучения условий окружающей среды и имеющихся ресурсов. Особенно это коснулось Восточной Сибири, на территории которой находятся минеральные и биологические резервы всесоюзного значения [Бояркин, 1984]. Для осуществления задач поставленных правительством перед учеными, на территории Восточной Сибири создавались академические институты: Институт Земной коры (1949 г.), Институт леса им. В.Н. Сукачева (1944 г.), Лимнологический институт (1961 г.), Институт Географии им. В.Б. Сочавы (1957 г.). В это же время активно организовывались стационарные наблюдения.
Перед учеными стояла задача комплексного изучения территории Восточной Сибири, для решения которой необходим наиболее полный учет географических особенностей исследуемых районов, в том числе климатических.
Климат является одним из важнейших факторов формирования природной среды. Знание его закономерностей необходимо при решении ряда конкретных задач проектирования, экономики, строительства и эксплуатации объектов. Разнообразные природные условия, сосредоточенные на территории Восточной Сибири влекут за собой множество вариаций климатических характеристик, особенно в горных территориях. Это создает проблему обобщения и интерпретации данных о климате отдельных регионов Сибири. Кроме того, сложный рельеф, многолетняя мерзлота, высокая сейсмичность района значительно усложняют индустриальное освоение территории со сложным рельефом. Поэтому горные районы осваивались выборочно. Как правило, это были экономически перспективные зоны формирования промышленных узлов.
Примером подобного освоения, горно-котловинных территорий, могут быть исследования, организованные в Минусинской и Назаровской котловинах, а также в Тувинской, Баргузинской, Верхнеангарской, Муйской, Чарской и Байкальской котловинах.
Работа по изучению климата и микроклимата горных районов, как правило, входила в состав комплексных стационарных или же экспедиционных изысканий. Примером подобных работ может быть Удоканская физико-географическая экспедиция Института географии Сибири и Дальнего Востока АН СССР в содружестве с Ленинградским государственным университетом им. А.А Жданова (кафедра метеорологии и гидрологии). Экспедиционные микроклиматические исследования проходили в период с 1963 по 1964 гг. в районе, ограничивающимся пределами Станового нагорья, основной характеристикой которого является чередование горных хребтов и довольно широких межгорных котловин. В ходе работы подробно рассматривались микроклиматические особенности и физико-географические условия Чарской котловины. Выбор был обусловлен тем, что в Чарской котловине отражаются закономерные черты разнообразных природных условий многих межгорных котловин Северного Забайкалья. Для изучения климата котловины было организовано 3 стационара, 4 полустационара, 28 площадок наблюдений, расположенных по профилю между хребтами Кодар и Удокан через Чарскую котловину. Все пункты наблюдений располагались в пределах высот от 708 до 2000 м над уровнем моря. В ходе экспедиционных работ был организован комплекс градиентных, актинометрических, и теплобалансовых наблюдений. Проводились замеры температуры и влажности воздуха, глубины сезонного протаивания и температуры почвы. В работе широко использовалась информация метеорологических станций Чара, Лурбун, Большая Лепринда, Нижний Ингамакит, Средний Калар, им. IX лет Октября, Удокан. Местоположение станций ограничивалось центральной, юго-западной частью Чарской котловины у подножья хребта Кодар, а также они находились в долине реки Калара и на хребте Удокан. Метеорологические станции, данные наблюдений которых были использованы в работе, расположены в интервале высот от 708 до 1570 м над уровнем моря. Особенностью режима температуры воздуха, характерной для местности Кодар-Чара-Удокан, является быстрое повышение средних месячных температур весной и быстрое понижение осенью.
Годовые амплитуды температуры воздуха достигают 40-52С, что свидетельствует о резкой континентальности климата. В ходе экспедиционных исследований ученые уделили значительное внимание изменению температуры воздуха с высотой. По данным наблюдений было установлено, что инверсии температуры воздуха на территории Чарской котловины наблюдаются, как правило, при средней суточной скорости ветра 2 м/с и средней суточной температуре воздуха ниже -20С. Также были определены вертикальные градиенты температуры воздуха для исследуемого района. Для пары метеостанций Чара (708 м) – Большая Лепринда (982 м) изменение средней месячной температуры воздуха равно 0,65С/100 м и -2С/100 м в июле и январе соответственно. Для пары станций Чара (708 м) – Нижний Ингамакит (1035 м) градиент равен 0,69С/100 м в июле и -2,4С/100 м в январе [Караушева, 1977]. Полученные значения градиентов являются подтверждением данных, полученных ранее и показавших, что в Восточной Сибири вертикальный градиент температуры при инверсии равен или более -3С/100 м [Вознесенский, 1913]. Такие большие градиенты в зимний период отмечаются только до высоты 1000 м. При анализе информации о температурном режиме горно-котловинных ландшафтов возникла проблема недостатка данных об изменении температуры воздуха с высотой. В результате из-за сложности рельефа и ограниченности информации удалось построить лишь схематические карты распределения средней месячной температуры воздуха в январе и в июле. Несмотря на схематичность, эти карты позволяют получить представление о распределении температуры воздуха в зависимости от высоты. Для января до высоты 1000 м был принят градиент -2С/100 м, а выше -0,5С/100 м для июля градиент равен 0,65С/100 м для всех высот [Караушева, 1977].
В рамках освоения горных территорий Восточной Сибири, активно проводились исследования, в том числе стационарные, природных режимов котловин и предгорий Западного Саяна. Минусинская котловина относится к числу наиболее освоенных районов юга Красноярского края, это способствовало развитию активных стационарных исследований на ее территории. Стояла задача получить объективную информацию о природных режимах и функционировании геосистем Минусинской котловины для определения методов рационального использования при воспроизводстве природных ресурсов, оптимизации среды и охране природы юга Красноярского края [Природные режимы , 1976].
Для решения поставленной задачи были организованы исследования на стационарах Южно-Сибирской географической станции Института географии Сибири и Дальнего Востока в Минусинской котловине: степном, расположенном в Койбальской степи Хакасии, и лесном – в предгорьях Западного Саяна.
Впервые на этой территории для выявления закономерностей функционирования геосистем в зависимости от влияющих факторов был использован метод комплексной ординации. Метод комплексной ординации геосистем в пространстве и во времени был предложен академиком В.Б. Сочавой и успешно прошел апробацию на степном и таежном стационарах в Забайкалье и Приангарье [Метод комплексной ординации , 1967].
В рамках данных стационарных исследований природных режимов горно-котловинных ландшафтов Минусинской котловины были проведены исследования и даны характеристики геоморфологическим и почвенно геохимическим процессам, изучена структура биоценозов и их динамики, описана ландшафтная структура геосистемы и масса живого вещества, также проведены исследования гидрометеорологического режима.
Наблюдения за микроклиматическими условиями проводились в период с 1971 по 1976 г. на двух полигонах-трансектах: предгорно-таежном и степном. Общее представление о климате изучаемой территории было получено на основе материалов наблюдений метеорологических станций и постов, расположенных вблизи изучаемого участка (Маинский рудник, Ермаковское, Очуры, Мигна), в период исследований на территории в то время работало два метеорологических поста – Иджа и Ново-Покровка. В ходе стационарных наблюдений были рассмотрены основные закономерности температурного режима верхнего слоя почвы и прилегающего к ее поверхности слоя воздуха высотой 2 метра [Геосистемы предгорий , 1979].
Климат
Климат юго-западного Прибайкалья, формируется под влиянием циркуляции атмосферы, притоком солнечной радиации и условий подстилающей поверхности.
Атмосферная циркуляция над территорией Прибайкалья имеет сезонный характер формирования. В холодный период года, на территории активно развиваются процессы антициклогенеза и господствует северо-восточная часть Сибирского антициклона [Структура и ресурсы , 1977].
Формируется антициклон за счет радиационного выхолаживания подстилающей поверхности и прилегающего к ней слоя воздуха, а также за счет динамических факторов орографических условий. Горные хребты на юге и востоке Сибири, а также Центральной Азии препятствуют течению океанических воздушных масс и способствуют концентрации плотного холодного воздуха.
Также развитию мощного антициклона способствует беспрепятственное поступление с севера массы арктического воздуха [География Сибири 2015] Антициклон формируется в сентябре, над северо-западной частью Монголии, к середине октября мощность антициклона растет, достигая максимума в январе. Атмосферное давление на уровне моря в период максимального развития 1050 гПа [Мохов, 2000]. Сибирский антициклон имеет значительную устойчивость, повторяемость антициклона на юге Восточной Сибири достигает 26 дней в месяц [Исаев, 1956; Шкляев, 2010].
Для Сибирского антициклона характерна очень низкая температуры воздуха и пониженная влажность в приземном слое. Также характерны для территории мощные приземные инверсии температуры воздуха и радиационные туманы. Циклоническая деятельность в Прибайкалье в зимний период незначительна. [Щербакова, 1961].
Переход приземного барического поля к летнему типу начинается с апреля, происходит ослабление Сибирского антициклона, как следствие начинают преобладать формы зональной циркуляции с преобладанием западного переноса воздушных масс. К июлю на месте антициклона формируется обширная зона пониженного давления [География Сибири , 2015].
Наиболее общие черты климата котловин юго-западного Прибайкалья также обусловлены географическим положением (удаленность от морских бассейнов, расположение в центральной части материка, орографическая изолированность) и свойственны всей территории Восточной Сибири. Характерная черта климата территории – континентальность. Коэффициент континентальности по С.П. Хромову составляет 90 % [Хромов, 2001].
Территория характеризуется значительными амплитудами сезонных и суточных колебаний температуры воздуха. На изменение температуры воздуха значительное влияние оказывают местные условия, в частности сложная орография [Василенко, 2009 б; Voropay, 2015].
Средняя годовая температура воздуха изменяется от -1,4С на метеостанции Аршан (850 м над уровнем моря) до -6,6С на высокогорной станции Ильчир (2083 м над уровнем моря). Средняя годовая температура воздуха по данным метеостанций отрицательная. Кроме того, температура здесь значительно ниже, чем в районах, расположенных на тех же широтах Дальнего Востока и Западной Сибири [Василенко, 2009 а]. Самым холодным месяцем является январь (абсолютный минимум -50С) самыми теплыми июль-август (абсолютный максимум 45С). Период с отрицательными средними месячными температурами воздуха продолжается с октября по апрель. При этом, переход от теплого сезона к холодному и обратно довольно резкий. Устойчивые морозы наступают в конце октября.
Атмосферные осадки по территории котловин распределяются довольно неравномерно, как по сезонам, так и по площади, подчиняясь вертикальной зональности и местной орографии. Значительную роль здесь играют направление горных хребтов и ориентация склонов [Картушин, 1969]. Большая доля осадков доставляется воздушными массами северо-западного направления, которые оставляют их в основном на наветренных склонах высоких хребтов. Таким образом, наиболее увлажненными являются склоны, имеющие северо-западную и северо-восточную экспозиции. Годовая сумма осадков на склонах Тункинского хребта составляет 450-500 мм [Василенко, 2010 б]. Внутри котловины сумма осадков сокращается до 300 мм. Значительные различия сумм осадков приходятся на теплый период года, когда выпадает основная масса осадков (72 %), минимальное количество выпадает в зимний период [Густокашина, 2000]. Минимальная сумма осадков с декабря по февраль в Тункинской и Мондинской котловинах является следствием антициклональных условий [Картушин, 1969].
Годовой ход влажности имеет общий характер с ходом температуры и осадков в течение года. В годовом ходе абсолютной влажности хорошо выражен летний максимум (июль) и зимний минимум (январь). Средняя годовая величина относительной влажности в 13:00 находится в пределах 65-80 %. Максимальное значение отмечается в декабре и августе (70-84 %), минимальное – в мае и октябре (53-60 %) [Белоусов, 2000].
О радиационном балансе исследуемой территории можно судить по данным высокогорной метеостанции Ильчир. За год радиационный баланс составляет примерно 1340 МДж/м2, максимум и минимум приходятся на июль и январь, соответственно. В феврале показания переходят через ноль, что способствует таянию снега на склонах южной экспозиции, при условии ясной малооблачной погоды [Густокашина, 2000]
Также для приближенной оценки радиационных условий территории используется показатель продолжительности солнечного сияния.
Продолжительность солнечного сияния зависит от географической широты и режима облачности, который в свою очередь определяется циркуляционными процессами и орографией. В Тункинской котловине средние месячные значения продолжительности солнечного сияния составляют 220-250 часов в июне и 100-110 часов в декабре, эти показатели превышают среднеширотные показатели в других котловинах Восточной Сибири [Башалханова, 1989; Густокашина, 2000].
Высота снежного покрова и время его установления на исследуемой территории определяется высотой местности и экспозицией склонов. В целом, установление снежного покрова характеризуется большой пестротой.
Максимальное число дней со снежным покровом, по данным метеостанций, отмечается в высокогорье (станция Ильчир – 240 дней), минимум отмечен в центральной части Тункинской котловины на метеостанции Тунка (146 дней). Устанавливается снежный покров преимущественно в октябре, а сходит к середине мая [Белоусов, 2000].
В конце августа начале сентября снегом покрываются вершины Тункинского хребта, снежный покров здесь сохраняется до конца мая – середины июня. Высота снежного покрова в горах увеличивается с поднятием, но за счет перевевания отличается неравномерностью. На наветренных склонах и каровых котловинах высота снежного покрова достигает 2-3 метров. Малоснежностью отличаются впадины по долине реки Иркут, здесь высота снежного покрова не превышает 50 см [Макаров, 2014].
Годовой ход температуры почвы до глубины 120 см характеризуется резким минимумом в конце января – начале февраля и максимумом в начале сентября. Промерзание почвы начинается в конце октября и продолжается до апреля, далее в течение 2-4 месяцев происходит оттаивание почвы [Северюгина, 2015]. На территории Тункинских впадин имеет широкое распространение многолетняя мерзлота. Мерзлые толщи здесь могут достигать глубины 250 м [Белоусов, 2000].
Тенденции изменения температуры воздуха на фоне современных климатических изменений
Наблюдаемое в настоящее время изменение климата характеризуется как продолжающееся потепление, основным индикатором которого является приповерхностная температура воздуха, вычисленная как средняя температура приземного воздуха (2 м) над континентами и температура воды поверхности океана [Переведенцев, 2005; Оценочный доклад , 2008].
Согласно результатам работы Межправительственной группы экспертов по проблеме изменения климата (МГЭИК) с 1880 по 2012 гг. повышение глобальной приповерхностной температуры воздуха на континентах и океанах составило 0,85С (от 0,65 до 1,06С). С 1951 г. скорость роста температуры приземного воздуха составила 0,12С/10 лет (от 0,08 до 0,14), а за 1998-2012 гг. – только 0,05С/10 лет (от 0,05 до 0,15). Замедление роста температуры связано с естественными колебаниями климатической системы и не может служить доказательством прекращения глобального потепления [IPCC, 2013].
Известно, что изменение приповерхностной температуры воздуха для Северного полушария в XX и начале XXI века было также не однородным. Аномалия средней годовой приповерхностной температуры, осредненной по всему Северному полушарию, в период 1850-2014 изменялась неравномерно [Переведенцев, 2014]. До 1945 г. наблюдался прирост температуры, далее до 1970 г. средняя годовая температура воздуха Северного полушария понижалась. С 1970 г. наблюдается фаза активного роста приповерхностной температуры воздуха, с максимумом в 2005 г. (0,719С) [Переведенцев, 2016]. Наиболее интенсивным считается потепление, начавшееся после 1976 г. В это же время заметно возрос интерес к исследованиям, посвященным проблеме изменения климата [Груза, 1989, 2013].
Анализу происходящих климатических изменений на территории России посвящено большое количество работ [Антропогенные изменения , 1987; Винников, 1987; Груза, 1989; Борзенкова, 1999; Ипполитов, 2004; Переведенцев, 2005, 2014, 2015, 2016; Израэль, 2006; и др.]. Согласно Пятому оценочному докладу МГЭИК, изменение климата России в целом (в среднем за год и по территории) следует охарактеризовать как продолжающееся потепление, отметив, что тенденция к замедлению потепления прослеживается только зимой [IPCC, 2013]. При этом многие авторы подчеркивают очень важную роль естественной изменчивости климатической системы в масштабах десятилетий, особенно для отдельных регионов.
Для анализа изменений приземной температуры воздуха котловин юго-западного Прибайкалья, на фоне современных климатических изменений, использованы многолетние ряды температуры воздуха метеостанции Тунка. Как было показано в п.4.1.1, ее данные являются репрезентативными для исследуемой территории. Здесь проводятся измерения температуры воздуха с 1888 г. по настоящий момент.
Коэффициент корреляции между рядами температуры воздуха на метеостанции Тунка и температуры, осредненной для зоны умеренных широт (44-64 с. ш.), составляет 0,72, для Северного полушария – 0,65, для Земного шара – 0,49. Коэффициенты корреляции являются статистически значимыми (p 0,05).
При анализе графика изменения аномалий средней годовой температуры, осредненной для разных зон, наблюдается выраженное увеличение темпов роста средней годовой температуры воздуха с начала 1970-х годов для всех рассматриваемых рядов данных (Рисунок 8). Таким образом, многолетние изменения температуры воздуха котловин юго-западного Прибайкалья происходят синхронно с глобальными изменениями. Однако высокое разнообразие типов подстилающей поверхности и значительный перепад высот горно-котловинного ландшафта оказывают влияние на изменение климата регионального масштаба.
При анализе тенденций изменения температуры воздуха особое внимание уделяется периоду с 1976 г., так как именно в этот интервал наблюдается наиболее интенсивное потепление. За период инструментальных наблюдений на метеорологической станции Тунка отмечены, в основном, положительные тренды изменения температуры в течение всего периода наблюдений (1939-2015 гг.) (Таблица 13). В период 1976-2012 гг. значение тренда выше, чем за базовый период (1961-1990 гг.) и за весь период наблюдений, что в целом согласуется с глобальными тенденциями изменения температуры воздуха.
Для возможности анализа особенностей регионального изменения климата на территории Российской Федерации выделены стандартные физико-географические регионы [Оценочный доклад , 2008]. Территория котловин юго-западного Прибайкалья является частью региона Прибайкалье и Забайкалье, основная площадь региона представлена Алтае-Саянской и Байкальской горными странами.
Ниже приведены значения трендов температуры воздуха в разные сезоны года, рассчитанные по данным метеорологической станции Тунка, а также для территории Российской Федерации, и региона Прибайкалье и Забайкалье (Таблица 14) [Второй оценочный доклад , 2014].
Сравнение оценок коэффициента линейного тренда за два периода (1976-2006 и 1976-2012 гг.) на территории Российской Федерации, региона Прибайкалье и Забайкалье и метеорологической станции Тунка показало, что годовые значения тренда на территории Российской Федерации не изменились. В регионе Прибайкалье и Забайкалье и на метеостанции Тунка скорость увеличения средней годовой температуры, с учетом последних лет, стала меньше (см. Таблицу 14) [Василенко, 2014 б].
Однако, при дополнении ряда на 6 лет, величина тренда температуры воздуха на территории России во все сезоны, кроме зимы, увеличилась. В регионе Прибайкалье и Забайкалье тренд средней годовой температуры, с учетом дополнения ряда наблюдений на 6 лет, стал меньше (0,32С /10 лет). Кроме того, значительно изменились тенденции за зимний период – значения тренда снизились до 0,06 С/10 лет. В остальные сезоны года изменение незначительно, в основном показатели стали ниже, но все же остались положительными. Максимальная скорость потепления на территории Российской Федерации и в регионе наблюдается в весенний период. Значения линейного тренда составляют 0,56С/10 лет на территории России и 0,53С/10лет в регионе Прибайкалье и Забайкалье (см. Таблицу 14).
На территории Тункинской котловины значения линейного тренда, при дополнении ряда температуры воздуха на 6 лет, так же как и в регионе изменились в меньшую сторону: темпы изменения средней годовой температуры с 1976 по 2006 гг. составили 0,52С/10 лет, за период 1976 по 2012 гг. значение тренда ниже (0,43С/10 лет). По данным метеостанции Тунка, максимальные значения многолетнего тренда отмечены в зимний период, а минимальные – в летний. В регионе Прибайкалье и Забайкалье, а также на территории Российской Федерации максимальные значения тренда приходятся на весенние месяцы (см. Таблицу 14) [Василенко, 2015].
Одним из ведущих климатообразующих факторов, оказывающих влияние на колебания регионального климата, являются крупномасштабные механизмы атмосферной циркуляции [Региональный мониторинг , 2000]. Связь циркуляционных систем и температурного режима Северного полушария подтверждена множеством авторов [Гройсман, 1983; Ипполитов, 2004, 2008; Безуглова, 2009; Горбатенко, 2012; Переведенцев, 2014, 2015, 2016].
При выявлении связи между крупномасштабными механизмами атмосферной циркуляцией и компонентами климатической системы, учеными используются многолетние ряды индексов атмосферной циркуляции, имеющие привязку к определенным географическим секторам. Согласно результатам современных исследований для территории Сибири наиболее информативными являются индексы SCAND (Скандинавский индекс), NAO (индекс Северо-Атлантического колебания), а также повторяемость типов атмосферной циркуляции Вангенгейма-Гирса (W – западный, Е – восточный, С – меридиональный) и элементарных циркуляционных механизмов по типизации Дзердзиевского. Кроме того, на климат Восточной Сибири значительное влияние оказывает Сибирский антициклон [Осипова, 2011; Горбатенко, 2012; Переведенцев, 2014; Полонский, 2015; Худякова, 2016].
Индекс Северо-Атлантического колебания (NAO) отражает изменение атмосферного давления между центрами действия атмосферы – Исландским минимумом и Азорским максимумом [Оценочный доклад , 2008]. Эта разность определяет интенсивность западного переноса воздушных масс, преимущественно под влиянием которого формируется климатическая картина Восточной Сибири. Скандинавский индекс (SCAND) представляет собой разность между центрами атмосферного давления над Восточной Россией и Скандинавией. Типы атмосферной циркуляции Вангенгейма-Гирса и Дзердзиевского определяются на основе синоптических карт и учитывают повторяемость преобладающего переноса воздушных масс.
Ландшафтно-интерпритационное картографирование приземной температуры воздуха
Для анализа пространственного распределения приземной температуры воздуха в ландшафтах Тункинской котловины использованы данные срочных наблюдений температуры воздуха за 2013 г.
На основе данных метеостанции Тунка, расположенной в центральной части котловины, проведено сравнение средней месячной температуры воздуха за тридцатилетний период (1980-2016 гг.) и за 2013 г. Показано, что 2013 г. по характеристикам температурного режима не является аномальным, то есть не выходит за «норму» тридцатилетнего периода наблюдений. Кроме того, за 2013 г. сформирована наиболее полная база данных микроклиматических наблюдений (максимальное количество наблюдательных площадок и минимум пропусков сроков наблюдений). Таким образом, данные температуры воздуха за 2013 г. могу быть использованы для анализа поля температуры воздуха ландшафтов Тункинской котловины [Василенко, 2016 а].
По данным измерений на площадках наблюдения, расположенных в границах выделов каждого типа ландшафта Тункинской котловины, вычислены средние значения температуры воздуха. Полученные значения экстраполировались на весь ареал ландшафтного выдела. Для каждого типа ландшафта рассчитаны средние месячные значения температуры воздуха. Результаты представлены в виде карт пространственного распределения температуры (Приложения 5, 6).
Более подробно рассмотрено пространственное распределение температуры воздуха самого холодного (январь) и теплого (июль) (Рисунки 14, 17 и Таблица 22). Средняя годовая (2013 г.) температура воздуха на территории Тункинской котловины колеблется в пределах от -1,5 (склоны) до -1,2С (центральная часть). Средняя месячная температура воздуха составляет -20,3С в январе и 15,3С в июле.
Микроклиматические особенности распределения температуры воздуха в различных ландшафтах Тункинской котловины наиболее четко проявляются в зимний период, разность между самым теплым и самым холодным типом ландшафта составляет 13С (см. Таблицу 22) [Василенко, 2016 а].
Наименьшие значения средней месячной температуры воздуха в январе отмечены в ландшафтах центральной части котловины в мерзлотных лугово-озерно-болотных ландшафтах (-27,6С), подгорных подтаежных сосновых лесах (- 25,5С), лугово-степных ландшафтах долины реки Иркут (-24,8С), антропогенных ландшафтах днищ котловин остепненно-луговых (-22,7С) (Рисунок 14) [Василенко, 2016 а].
Следует отметить значительное различие температур (5С) между типами ландшафта, расположенными в центральной части котловины. Наименьшими значениями температуры воздуха характеризуется выдел мерзлотных лугово-озерно-болотных ландшафтов, что обусловлено, на наш взгляд, низкими абсолютными высотами (715-720 м), а также индивидуальными характеристиками площадок наблюдений. Площадки в пределах мерзлотных лугово-озерно-болотных ландшафтов являются преимущественно открытыми, что способствует активному радиационному выхолаживанию.
Река Иркут, а также наличие соснового леса в ландшафтах центральной части котловины (подгорные подтаежные сосновые, лугово-степные долины Иркута, антропогенные днищ котловин остепненно-луговые) препятствуют выхолаживанию подстилающей поверхности и оказывают отепляющий эффект на температурный режим. Таким образом, влияние характеристик ландшафта проявляется в средних месячных показателях в зимнее время.
Более наглядно влияние ландшафта на температурный режим проявляется в срочных значениях температуры воздуха. В качестве примера приведен график суточного хода температуры на открытой и закрытой площадках, в ясную и пасмурную погоду (Рисунок 15, 16).
По данным архива погоды метеостанции Тунка были выбраны периоды с максимальной (29.01.2013 г.) и минимальной (02.01.2013-03.01.2013 г.) облачностью (Приложение 7). Площадка наблюдений, подверженная более активному радиационному выхолаживанию, расположена на высоте 729 м в границах выдела мерзлотных лугово-озерно-болотных ландшафтов центральной части котловины (АИПТ 37 – открытая площадка). Наблюдения в условиях соснового леса проводились на высоте 786 м в границах выдела подгорных подтаежных ландшафтов сосновых лесов (Т 22 – закрытая площадка). Расстояние между площадками – 5 км (см. Приложение 1).
В период активного радиационного выхолаживания подстилающей поверхности (с 18:00 до 6:00), в условиях безоблачной, ясной погоды на открытой площадке температура воздуха значительно ниже. В среднем разность температуры с наблюдениями в сосновом лесу составляет 5С. (см. Рисунок 15). В условиях пасмурной погоды различия суточного хода температуры воздуха на площадках сглажены и проявляются лишь в максимальных значениях не превышая 1С (см. Рисунок 16).
При продвижении от центральной части котловины к ее склонам средние месячные значения температуры воздуха повышаются. На склоне южной экспозиции (хребет Тункинские гольцы) средняя месячная температура января составляет -19,4С в предгорье (тип подгорных ландшафтов кедрово-лиственничных лесов), к середине склона повышается до -14,3С (горнотаежные ландшафты сосново-лиственничных с кедром лесов), а в гольцовом поясе понижается до -15,7С. На склоне северной экспозиции (хребет Хамар-Дабан) средняя месячная температура января в нижней части склона составляет -16,8С (горнотаежные ландшафты лиственничных лесов) и повышается до -15,8С в средней части склона (горнотаежные ландшафты темнохвойные плакорные). Влияние индивидуальных характеристик площадок наблюдения, расположенных на склонах котловины, на средние месячные значения температуры воздуха в январе менее выражены, распределение температуры воздуха по склону объясняется наличием мощных температурных инверсий (см. Рисунок 12) [Voropay, 2015].
Распределение средней месячной температуры воздуха Тункинской котловины в июле более однородно по сравнению с распределением в январе. Максимальная разность между температурой воздуха в ландшафтах составляет 7,5С, а без учета ландшафтов гольцового пояса хребта Тункинские гольцы – 3С (Рисунок 17).
Наиболее прогретыми являются ландшафты центральной части котловины. Средние месячные значения температуры воздуха здесь составляют 16,9-17,2С для подтаежных ландшафтов сосновых лесов, мерзлотных лугово-озерно-болотных, лугово-степных долины Иркута, а также антропогенных ландшафтов [Василенко, 2016 а].
В отличие от распределения средней месячной температуры воздуха в январе, разность между значениями средней месячной температуры воздуха для различных типов ландшафта днища котловины незначительна (0,3С). Небольшие значения разности средней месячной температуры лесных и открытых ландшафтов центральной части котловины могут свидетельствовать о сглаживании охлаждающего влияния леса на средние месячные значения температуры воздуха в летнее время.