Содержание к диссертации
Введение
Часть 1. Засушливые явления в России и опыт их оценки (аналитическое исследование научной литературы) 9
Глава 1.1. Засушливые явления, показатели и критерии их оценки 9
1.1.1. Определения и классификация засушливых явлений и засух 9
1.1.2. Показатели и критерии оценки засушливых явлений и засух 14
Глава 1.2. Опыт оценки засух (засушливых явлений) в России 49
Часть 2. Научно-методические основы и технологии мониторинга почвенных засух на Европейской территории Российской Федерации 64
Глава 2.1. Мониторинг почвенных засух как один из важнейших и необходимых базовых компонентов мониторинга земель и рационального их использования 64
2.1.1. Углубление представления о мониторинге сельскохозяйственных земель путем включения в его структуру мониторинга почвенных засух 64
2.1.2. Обоснование использования запасов продуктивной влаги в почве в качестве показателя оценки режима увлажнения почвы в мониторинге земель 69
Глава 2.2. Методологические основы, показатели и критерии агроклиматического мониторинга почвенных засух 77
2.2.1. Биологические основы засухоустойчивости 77
2.2.2. Показатели, критерии и методика агроклиматической оценки почвенных засух 82
Глава 2.3. Агроклиматическая оценка почвенных засух на Европейской территории РФ 94
2.3.1. Исследование зависимости вероятности наступления почвенных засух от вероятности наступления атмосферных засух
2.3.2. Сравнительная агроклиматическая оценка почвенных засух на ЕТР по числу декад с почвенными засухами очень сильной и сильной интенсивности под основными зерновыми культурами 101
2.3.3. Агроклиматическая оценка почвенных засух различной интенсивности по их вероятности под озимыми, ранними и поздними яровыми зерновыми культурами в слоях почвы 0-20 и 0-100 см 108
Глава 2.4. Научно-методические основы и технология оперативного агрометеорологического мониторинга засух 126
2.4.1. Концепция построения оперативного агрометеорологического мониторинга засух (ОАМЗ) 126
2.4.2. Показатели и критерии оценки начала и развития засух в ОАМЗ и методика их обобщения (комплексирования) 127
2.4.3. Технология оперативного агрометеорологического мониторинга засух. 132
2.4.4. Реализация технологии оперативного агрометеорологического мониторинга засух в автоматизированном режиме 134
Выводы 139
Заключение 146
Литература
- Показатели и критерии оценки засушливых явлений и засух
- Углубление представления о мониторинге сельскохозяйственных земель путем включения в его структуру мониторинга почвенных засух
- Методологические основы, показатели и критерии агроклиматического мониторинга почвенных засух
- Концепция построения оперативного агрометеорологического мониторинга засух (ОАМЗ)
Показатели и критерии оценки засушливых явлений и засух
В качестве обобщающего начала при этом использована функция расстояния фактических значений этих показателей от их эталонных значений.
Вероятно, нами рассмотрена не вся научная литература по данной проблеме. Однако и из изложенного следует насколько она многообразна, разноречива и сложна. Множество определений засушливых явлений и засух, разнообразие показателей и методик их оценки породили столь же множество классификаций этих явлений.
В научной литературе в ряде случаев, например, в (24, 94], отождествляются понятия "показатель оценки засух" и "критерии оценки засух". Мы их четко различаем. Показатель засухи выражает засухи как явление, а критерии засухи - это конкретные значения показателей, которые характеризуют интенсивность засух.
Как было показано выше, в классическом варианте засухи выражаются (оцениваются) с помощью отношений, в приходной части которых (числитель) влага в виде суммы осадков за различные периоды, начальные запасы влаги в почве, радиационный баланс, а в расходной части (знаменатель) - величины испаряемости, эвапотран-спирации, суммы температур воздуха и т.д. Это классические показатели выражения (оценки) засух как явления, а их конкретные значения в той или иной мере характеризуют интенсивность засух и используются для их классификации. Кроме того, с помощью критериев проводится районирование территории, устанавливают природные границы и т.д. Ниже приводится краткий обзор различных критериев, используемых для классификации засух по интенсивности и при оперативной оценке засух.
Уже было сказано выше, что классификация засух по их интенсивности наиважнейшая из всех упомянутых ранее классификаций, поскольку степень ущерба, наносимого, например, аграрному сектору экономики, зависит именно от этой характеристики. Рассмотрим некоторые классификации, выполненные разными авторами. В начале представим классификации засух, выполненные по наиболее распространенному показателю оценки засух - ГТК Селянинова по формуле (1.1.3). Сам автор этого показателя считал, что если за оцениваемый период ГТК 1,0, то этот период принято считать засушливым, а при ГТК 0,4 - уже наступила очень сильная засуха [106]. В [39, 66] приводится эта же классификация засух по ГТК. В работе [94] приведена следующая классификация засух по этому показателю: ГТК 1,0 - засушливый период, ГТК=0,5 - сухой период. ГТК 0,4 - признак очень сильной засухи, ГТК=0,4-0,5 - сильной, а ГТК=0,5-0,6 - средней засухи. Авторы работы [117] засухи по ГТК классифицируют следующим образом: наиболее сильная засуха - ГТК 0,3, сильная - 0,3 ГТК 0,6, хотя в более ранней работе один из авторов [117], приводя более подробную классификацию засух по ГТК, считала, что показателем очень сильной засухи может служить ГТК, равный 0,3 и менее, сильной - ГТК от 0,31 до 0,6, средней - ГТК от 0,61 до 0,8 и слабой - от 0,81 до 1,0. В [46] интенсивность атмосферных засух по показателю ГТК предложено классифицировать по следующим критериям: сухо - ГТК 0,20, засушливо - ГТК=0,21-0,40, полузасушливо - ГТК=0,50-0,7. Там же для территории Приморского края (в связи с особенностями годового хода осадков) для характеристики засух той же интенсивности предложены следующие значения ГТК: 0,40 (сухо), 0,41-0,70 (засушливо), 0,71-1,0 (полузасушливо), а по территории среднеазиатского региона допущены несколько другие значения и формулировки для классификации засух различной интенсивности по ГТК: 0,2 (исключительно сухо), 0,21-0,3 (сухо) и 0,31-0,5 (засушливо). В [102] для классификации атмосферных засух по интенсивности предложены следующие критерии: ГТК 0,3 - очень сильная засуха, ГТК от 0,3 до 0,6 - сильная засуха, ГТК от 0,6 до зо 0,8 - федняя засуха, ГТК от 0,8 до 1,0 - слабая засуха.
В практике агрометеорологического и агроклиматического обеспечения аграрного сектора экономики ГТК в качестве показателя оценки засух используется как самостоятельно, так и в системе с другими показателями. В этом качестве в [100] приведены следуюпще критфии ГТК для классификации засух: ГТК от 0,34 до 0,39 - очень сильная засуха, ГТК от 0,46 до 0,49 - сильная засуха, ГТК от 0,55 до 0,56 - федняя засуха, а в [46] по литфатурным данным при характфистике интенсивности засух считают, что ГТК менее 0,4 - очень сильная засуха, ГТК=0,4-0,5 - сильная засуха, ГТК=0,5-0,6 -федняя засуха. Собственные же критфии оценки интенсивности засух по ГТК в [46] выглядят несколько иначе: очень сильная засуха - ГТК = до 0,20 включительно, сильная - ГТК=0,2-0,4, федняя - ГТК=0,5-0,7.
Выше приведенные критфии оценки интенсивности засух по ГТК Селянинова служили в основном для агроклиматической характфистики этого явления, хотя авторы [116, 117] весьма успешно их применяют и в опфативной практике. Нами так же при разработке научно-методических основ опфативной системы оценки развития засух наряду с другими показателями используется и ГТК со следующими критфиями описания засух различной интенсивности [48]: очень сильная засуха (класс 1) - ГТК=0-0,19; сильная засуха (класс 2) - ГТК=0,20-0,39; федняя засуха (класс 3) - ГТК=0,40-0,60; слабая засуха (класс 4) - ГТК=0,61-0,75; отсутствие засухи (класс 5) - ГТК 0,75.
Показателю ГТК мы уделяем столько внимания потому, что именно по этому показателю сделаны наиболее полные и обобщенные агрометеорологические оценки засух за последние 50 лет. При этом, поскольку разные авторы используют неодинаковые критфии для обозначения засух одной и той же интенсивности, в классификации засух отдельных лет вносится очень много субъективности, неточности: засухи за одни и те же годы относятся к различным категориям по интенсивности в зависимости от того, какие критфии по ГТК положены в основу при их классификации. Для примфа приводим выполненную нами фавнительную оценку интенсивности засух за пфиод с 1946 по 1995 гг. (табл. 1.1.1). Для ее составления использованы данные таблицы 3 из [117], которая называется "Ранговая таблица сильных и очень сильных засух за Пфиод с 1946 по 1995 по значению гидротфмического коэффициента за май-июнь (ГТК ,,_„)", и критфии классификации засух по [117], [94] и [46].
Углубление представления о мониторинге сельскохозяйственных земель путем включения в его структуру мониторинга почвенных засух
Термин "Мониторинг" впервые появился в научном лексиконе перед проведением Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде (5-16 июня 1972 г.). Термин подразумевал "систему повторных наблюдений одного и более элементов окружающей природной среды в пространстве и во времени с определенными целями в соответствии с заранее подготовленной программой ..." [S8]. В указанной работе рассматривается динамика понимания этого термина, первоначальный смысл которого касался только проблемы загрязнения окружающей среды. В последние десятилетия разработаны различные аспекты общей системы мониторинга, в результате которых появились различные, но в основном обоснованные, толкования мониторинга окружающей среды - базового, биологического, антропогенного, дистанционного, регионального, глобального, импактного, агрометеорологического [24], фотобиологического (физиологического) [137], а также агроэкологического, земельного [79] и т.д.
Первое толкование "агрометеорологический мониторинг" было сформулировано в [23]. В настоящее время оно в целом базируется на концепции [57,58] о том, что "Мониторинг - эта система наблюдений, оценки и прогноза состояния природной среды, не включающая управление качеством окружающей среды", однако в [24], в отличие от указанной концепции в формулировку термина "Мониторинг" включают блок составления агрометеорологических рекомендаций по управлению сельскохозяйственным производством на основе регулярной, оперативной и объективной информации, получаемой на наземном, самолетном и спутниковом уровнях. В связи с этим приведем наиболее полную формулировку термина "агрометеорологический мониторинг" по [24]: "это система наблюдений и контроля за агрометеорологическими и микроклиматическими условиями, за состоянием почвы, сельскохозяйственных культур и пастбищ, включающая автоматизированную обработку поступающей информации с целью агрометеорологической оценки складывающихся условий, состояния и продуктивности сельскохозяйственных культур и пастбищ, моделирования процессов и выдачи прогнозов роста, развития и урожайности сельскохозяйственных культур, а также разработки агрометеорологических рекомендаций для принятия оперативных и оптимальных хозяйственных решений". По мнению [24] агрометеорологический мониторинг должен включать и мониторинг засухи и, в особенности мониторинг почвенных засух, как один из элементов состояния почвы и сельскохозяйственных угодий.
Согласно концепции государственного мониторинга земель по [79], последний призван вьшолнить базовую, связывающую роль для всех других видов мониторинга и кадастров природных ресурсов и должен иметь государственный статус. По содержанию мониторинг земель представляет собой систему наблюдений за состоянием земельного фонда для своевременности выявления изменений, их оценок, прогноза, предупреждение и устранение последствий негативных процессов.
Содержание мониторинга земель по [79] составляет комплексные наблюдения и обследования, характеризующие изменения, в частности, состояния почв по обширному набору параметров и состояния растительности (посевов, сенокосов, пастбищ ...). И хотя авторы [79] в числе параметров, влияющих на состояние почв и растительности непосредственно почвенные засухи не называют, вряд ли подлежит сомнению, что этот фактор в значительной мере определяют и качество почв и состояние посевов. Следовательно, с этой точки зрения, мониторинг почвенных засух является частью мониторинга земель.
При научном обеспечении мониторинга земель в [79] выделяют систему регулярных наблюдений состояния окружающей среды в интенсивном земледелии в пространстве и во времени и называют ее агроэкологическим мониторингом. Основной его целью является, как указывается в [79], "разработка методов создания высокоэффективных, экологически сбалансированных агроценозов на основе ... поддержания важнейших функций почвенного покрова, максимального использования природно-климатических ресурсов". Если исходить из того, что одной из основных функций почвенного покрова является снабжение растительности почвенной влагой, отсутствие которой в достаточном количестве и в доступном виде и является почвенной засухой, мониторинг почвенных засух также можно интерпретировать как часть агроэкологиче-ского мониторинга. Этот вывод становится более убедительным, когда наблюдаем практически полную идентичность основных принципов агроэкологического мониторинга и мониторинга почвенных засух, таких как, например: - комплексность, т.е. единовременный контроль групп показателей, отражающих наиболее существенные черты краткосрочного, сезонного и долгосрочного изменения объекта. Это свойство полностью присуще мониторингу почвенных засух, поскольку он предусматривает отслеживание почвенных засух за декаду и теплый период /-го года, а также их агроклиматическую оценку; - непрерывность контроля над объектом экосистемы (четкое определение периодичности наблюдений). В системе Росгидромета РФ, на базе данных которого построен мониторинг почвенных засух, наблюдения за запасами влаги, которые являются главной характеристикой почвенных засух, ведутся непрерывно ежедекадно по 8, 18 и 28 числам каждого месяца за теплый период; - одновременность наблюдений по объекту, расположенному в различных природных зонах. Этот принцип является одним из основных в системе Росгидромета РФ, в том числе при определении запасов продуктивной влаги в различных слоях почвы.
Одним из важнейших и необходимых базовых компонентов для создания системы мониторинга земель и рационального их использования по [79] является разработка ландшафтно-экологического районирования. И в данном случае разработка агроклиматических карт почвенных засух различной интенсивности, являющейся одной из основных задач агроклиматического мониторинга почвенных засух, полностью совпадает с основными целями ландшафтно-экологического районирования, предусматривающими разработки системы карт с отображением основных негативных явлений.
Таким образом, мониторинг почвенных засух является составной частью базового мониторинга земель и, в первую очередь, частью агроэкологического мониторинга. Он предусматривает решение части тех задач, которые решаются названными мони-торингами, в том числе ландшафтно-экологическим районированием. Поскольку засухи (и прежде всего почвенные) наносят крупномасштабный ущерб экономике и экологии, значительно снижают эффективное использование земельных ресурсов, мониторинг почвенных засух следует рассматривать не просто частью мониторинга земель, а важнейшей его частью.
Наша концепция углубления представления о мониторинге земель путем включения в его структуру мониторинга почвенных засух предусматривает создание мониторинга почвенных засух, состоящего из двух мониторингов: агроклиматического и оперативного агрометеорологического (Рис. 2.1.1).
Методологические основы, показатели и критерии агроклиматического мониторинга почвенных засух
Одной из основных характеристик почвенных засух, как было отмечено во второй главе, является вероятность этого явления (%) в слоях почвы 0-20 и 0-100 см в различные периоды вегетации трех основных групп зерновых культур - озимых, ранних и поздних яровых зерновых культур в различные периоды их вегетации.
Под агроклиматической оценкой почвенных засух различной интенсивности по этому показателю понимается изучение его географического распределения путем картирования. На картах с помощью изолиний, проведенных, как правило, через 10%, помещены фактические данные о вероятности (%) почвенных засух той или иной интен 109 сивности, в том или ином слое почвы под озимыми, ранними и поздними яровыми зерновыми культурами.
Практически все приведенные ниже карты составлены впервые нами при участии моего руководителя Е. К. Зоидзе, а также в ряде случаев 3. А. Шостак [51, 52, 127]. Однако здесь идет речь только об агроклиматической оценке и построении карт почвенных засух, но не систематизации данных о запасах влаги, как таковых, и их картировании. Последняя совсем другая проблема [7,81, 113] и нами не рассматривается.
Общеизвестно значение условий увлажнения осеннего периода для развития и формирования урожайности озимых зерновых культур. По мнению [80] они определяют возможность эффективного использования тепла и света растениями озимых. Поэтому различным аспектом этого вопроса посвящен ряд работ [25, 80, 86, 103, 118]. Немаловажное значение имеют условия увлажнения, складьгоающиеся в период после сева и в момент сева озимых. Степень зависимости своевременности и полноты всходов от условий увлажнения послепосевного периода определяется запасами влаги в почве в момент сева. По данным [80], запасы продуктивной влаги в слое почвы 0-10 см в день посева меньше 10 мм - показатель большой зависимости всходов от осадков в ближайший период. Очевидно, что неблагоприятные условия увлажнения посевного периода снижают не только состояние озимых культур, но и возможную урожайность. По данным [86], в годы с засушливой осенью за счет изреженности всходов независимо от последующих условий увлажнения весны и лета уровень урожайности озимой пшеницы оказывается на 40% ниже, чем на фоне влажной осени.
Состояние степени увлажненности почвы к моменту посева озимых в значительной степени определяет изреженность посевов озимых, необходимость корректировки сроков сева, а также принятие решения о целесообразности сева озимых вообще [43, 52, 86].
Все выше приведенное свидетельствует о том, сколь важна оценка вероятности почвенных засух к началу сева озимых. При этом следует иметь ввиду, что в этот период решающее значение имеет степень увлажненности верхнего, пахотного слоя почвы, поэтому рассмотрим вероятность почвенных засух в слое почвы 0-20 см. Кроме того хорошо известно, что во всех случаях на чистых парах условия увлажнения всегда лучше, чем по непаровым предшественникам, в связи с чем, по нашему мнению, важнее агроклиматическую оценку почвенных засух выполнить именно по непаровым предшественникам.
Вероятность (%) почвенных засух очень сильной и сильной интенсивности (с запасами продуктивной влаги в пахотном слое почвы 10 и менее мм) к началу сева ози по мых на ЕТР колеблется в широких пределах - от 0 до 70% и выше (рис. 2.3.8). Наиболее высокая вероятность почвенной засухи данной интенсивности (60% и более) наблюдается на территории республики Калмыкия и Астраханской области, а также на значительной части территории Волгоградской области. Весьма высока вероятность почвенных засух данной интенсивности под озимыми ( 40%) почти на всей территории Ставропольского края, части территории Ростовской области, республики Дагестан, Саратовской, Ульяновской и Оренбургской областей. Севернее широты 52 (за исключением территории Ульяновской, Самарской и Оренбургской областей) вероятность почвенных засух очень сильной и сильной интенсивности под озимыми зерновыми культурами в слое почвы 0-20 см составляет менее 40%.
Анализ показывает, что географическая закономерность распространения почвенных засух очень сильной и сильной интенсивности в слое почвы 0-20 см к началу сева озимых носит сложный характер, не подчиняясь строго ни широтному, ни долготному распределению. Прослеживается тенденция уменьшения вероятности почвенных засух данной интенсивности к юго-западу, к северо - западу и к северо-востоку от очагов ее максимальных значений (которые расположены на территориях республики Калмыкия, Астраханской и Волгоградской областей). При этом, если тенденция уменьшения вероятности почвенных засух к юго-западу носит достаточно ровный характер, то к северо-западу и в особенности к северо-востоку она нарушается отдельными очагами более высокой вероятности, чем это характерно для окружающего пространства. Северная граница (линия) 10%-ной вероятности, носит весьма сложный извилистый характер, достигая крайних территорий: на востоке - республики Башкирко-стан, на севере - юга Вологодской области, на западе - Брянской области (рис. 2.3.8).
Характер распределения вероятности почвенных засух средней интенсивности (с запасами продуктивной влаги в слое почвы 0-20 см 11-20 мм) под озимыми зерновыми культурами к началу сева по непаровым предшественникам заметно отличается от описанного выше характера распределения вероятности почвенных засух очень сильной и сильной интенсивности (рис. 2.3.9). Основные отличия состоят в следующем: - очаг с максимальным значением вероятности почвенных засух (50-60%) представлен небольшим пятачком территории на стыке Волгоградской и Саратовской областей; - очаги с 10, 30 и 40%-ными вероятностями почвенных засух данной интенсивности разбросаны в разных частях ЕТР - как на юге, так и в центральных, восточных и западных его частях; - не прослеживается компактная территория с вероятностью почвенных засух средней интенсивности от 10 до 20%;
Концепция построения оперативного агрометеорологического мониторинга засух (ОАМЗ)
Наша задача, в отличие от [46], где информация по каждому показателю представлена отдельно, заключается в том, что на основе оценок начала и развития засух, полученных с помощью отдельных показателей, получить одну обобщенную (совокупную) оценку и на ее основе произвести классификацию засух по интенсивности.
Задача получения совокупной оценки может быть решена различными путями, в частности, путем: - перевода фактических значений каждого показателя за ;-к оцениваемую декаду из абсолютного значения в относительное с помощью нормирования на соответствующее значение и дальнейшего осреднения; - использования для этой цели функции Харингтона; - применения процедуры распознавания образов.
По ряду причин, о которых речь пойдет ниже, свой выбор мы остановили на процедуре распознавания образов, в частности по [30, 31, 37]. Какие это причины? Во-первых, она достаточно проста; во-вторых, не требует приведения разноразмерных данных (как в нашем случае) к единому измерению, поскольку при обобщении разноразмерных данных в качестве обобщающего начала используются не сами значения этих данных, а функции расстояния значений этих данных от каких-либо эталонных значений. Кроме того, а это может быть самое главное, эта процедура прошла достаточно солидную апробацию и в работах агроклиматического направления самих авторов метода [30, 31, 37-40], а также других авторов [44, 48, 49], в том числе и с целью получения совокупного показателя, обобщающего оценки засушливых явлений и засух по отдельным показателям [49].
Математическая модель указанной процедуры распознавания образов изложена где a - мера близости (метрика), характеризующая расстояние (меру близости) фактического значения /-го показателя за ню декаду по отношению выбранного критерия (граничного значения) в разрезе категории (классов) по табл. 2.4.1; у" - порядковый но X XX мер показателя; X - фактические значения j-то показателя за ню декаду; Pj -,(pj - диапазон (мин, макс) изменения критерия (граничных значений) у-го показателя внутри X XX класса по табл. 2.4.1; ра Фа - абсолютный диапазон значений j -го показателя по табл. 2.4.2; / - порядковый номер декады; S, - информационные веса показателей, которые могут задаваться (а могут и не задаваться) заранее; Pi - феднее значение мер близости в разрезе категории (класса) за /-ю декаду; п - число показателей.
Одним из необходимых условий применения процедуры распознавания образов в форме модели (2.4.5)-(2.4.8) является составление таблицы типа 2.4.1. Это по форме. По смыслу же составление табл. 2.4.1, т.е. установление критериев (конкретных значений показателей), позволяющих дифференцировать засухи на различные категории (классы) по интенсивности, представляется важнейшим звеном получения достоверных результатов. Чтобы она получила представленньш вид, т.е. то содержание, которое она имеет в данной работе, нам пришлось проанализировать более 600 работ, часть из которых включена в список литературы к [122], но наибольший вклад при их обобщении внесли такие работы, как [38, 41, 42, 44, 46, 48, 77, 85, 91, 96, 100, 122], экспертные оценки и опытная эксплуатация системы во ВНИИСХМ в течение 1999-2001 гг.
Для применения предлагаемой процедуры распознавания образов необходимо также наличие таблицы типа 2.4.2. Для ее составления требуется усилие другого рода, чем это имело место при составлении таблицы 2.4.1. В данном случае нам пришлось проанализировать теоретически возможные колебания значений показателей, принятых в мониторинге, по территории РФ. При этом руководствовались, естественно, природой самих показателей. Например, очевидно, что число дней с максимальной температурой 30С или с относительной влажностью воздуха , 30% теоретически за декаду может колебаться только в пределах 0-11, поскольку в декаде не может быть больше 11 и менее 0 дней и т.д.
ОАМЗ предусматривает оценку и классификацию засух на пять категорий по нтенсивности и выдачу в табличной форме (табл. 2.4.3): очень сильная, сильная, средняя, слабая и отсутствие засухи. Они проводятся по обобщенному значению оценок, выполненных по отдельным показателям. Комплексирование осуществляется с помощью процедуры распознавания образов по модели (2.4.5)-(2.4.8).
Засуха относится к той категории (классу) по интенсивности, с которой ее средняя мера близости Щ по (2.4.8) будет максимальной.
Технология оценки появления и развития засух состоит из следующих последовательных действий, осуществляемых в автоматизированном режиме: - формируют массивы исходных фактических данных для расчета показателей оценок появления и развития засух за /-ю декаду из агрометтелеграмм за і, (/-1) и (/-2) декады по форме табл. 2.4.4
Похожие диссертации на Мониторинг почвенных засух на территории Европейской части Российской Федерации : По наземным данным
