Мониторинг атмосферных осадков в буковых лесах Черноморского побережья Кавказа Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ЭКОЛОГИЯ, ГЕОЛОГИЯ

УДК 551.577.5 630*181(23)

МОНИТОРИНГ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ В БУКОВЫХ ЛЕСАХ ЧЕРНОМОРСКОГО ПОБЕРЕЖЬЯ КАВКАЗА

© 2013 г. Н.А. Битюков, Л.М. Шагаров

Битюков Николай Александрович - доктор биологических наук, профессор, кафедра истории, культурологии и географии, Сочинский государственный университет, ул. Советская, 26а, г. Сочи, 354000, e-mail: nikbit@mail.ru. Шагаров Лев Мерабович - преподаватель, кафедра истории, культурологии и географии, Сочинский государственный университет, ул. Советская, 26а, г. Сочи, 354000, e-mail: lev049@me.com.

Bityukov Nikolay Aleksandrovich - Doctor of Biological Science, Professor, Department of History, Culture and Geography, Sochi State University, Sovetskay St., 26a, Sochi, 354000, e-mail: nikbit@mail.ru. Shagarov Lev Merabovich — Lecturer, Department of History, Culture and Geography, Sochi State University, Sovetskaya St., 26a, Sochi, 354000, e-mail: lev049@me.com.

Проведен анализ данных многолетнего мониторинга режима атмосферных осадков в буковых лесах Черноморского побережья Кавказа в условиях приморского и среднегорного рельефа. Доказаны зависимости сезонных сумм осадков между различными высотными зонами региона. На основе многолетнего мониторинга определены тренды изменений годовых и сезонных сумм осадков во времени.

Ключевые слова: геоэкология горных лесов, экологический мониторинг, буковые леса, атмосферные осадки.

The paper analyzes the long-term monitoring data of atmospheric precipitation in Black Sea coastal beech forests in the coastal and middle relief. Proved depending seasonal precipitation amounts between different altitude zones of the region. On the basis of long-term monitoring determined the trend of changes in annual and seasonal precipitation over time.

Keywords: montane ecology, ecological monitoring system, beech forests, atmospheric precipitations.

Основной целью статистической обработки и анализа климатических данных, собранных на метеостанциях и пунктах наблюдений, расположенных на территории Сочинского Причерноморья, является сравнение показателей на территориях с наибольшими рекреационными нагрузками с показателями слабонарушенных участков. Для реализации этой цели пристальное внимание следует уделить длиннопериодным рядам наблюдений с метеостанций, расположенных как в прибрежном, так и в горном кластерах [1].

В среднегорной зоне, характеризующей горноклиматический курорт Красная Поляна и бассейн реки Мзымты, исследования проводились на территории лесогидрологического стационара «Аибга» (ЛГС «Аибга»), который был организован ФГУ «НИИгор-лесэкол» в 1963-1965 гг. Местоположение ЛГС «Аибга» - в буковых лесах северо-западной части региона (кв. 8 Веселовского лесничества Сочинского национального парка). На базе лесогидрологического стационара «Аибга» также была проведена серия наблюдений по общей программе изучения параметров среды. ЛГС «Аибга» был заложен на водоразделе рек Псоу и Мзымты на высотах от 485 до 1150 м над уровнем моря на общем склоне юго-западной экспозиции со средней крутизной 25°. Участок его является репрезентативным для зоны буковых лесов и включает четыре водосбора площадью от 5,7 до 19,9 га. Почвенный покров представлен маломощными, средне-мощными и мощными бурыми лесными почвами, занимающими 22, 50 и 28 % площади соответственно.

Насаждения - естественные разновозрастные буковые древостои I и 1а классов бонитета с полнотой 0,8-0,9 и запасом древесины 540-670 м3/га. Подроста под пологом леса (в материнском насаждении) - 0,7-20,0 тыс. шт/га, из них бука - до 10 тыс. шт/га [2].

План расположения пробных площадей На ЛГС «Аибга» в кв. 8 Веселовского лесничества СНП, заложенных в 1964-1966 гг. и постоянных пунктов наблюдения - 1997-1998 гг.

Водосборь

№№ S, га

1 8,2

2 12,0

3 6,0

4 21,3

5 4,1

Усадьба 0,4

Дорога 2,0

ИТОГО 54,0

Рис. 1. Схема ЛГС «Аибга»

Для измерения выпавших осадков применялись осадкомеры Третьякова со стандартной лепестковой защитой. Все измерения выполнялись для стандартной высоты - 2,0 м от поверхности почвы.

Многолетними измерениями установлено, что для холодного времени года (ноябрь-март) характерны частые осадки с малыми интенсивностями (до 0,02-

0,08 мм/мин) и значительной продолжительностью (5-9 ч и больше). В теплое время года (апрель-октябрь) осадки реже почти в полтора раза, но значительно больше по интенсивности (до 2,0 мм/мин) и величине (до 86,2 мм). Подавляющая часть сильных ливней приходится на лето.

Необходимо подчеркнуть, что в формировании режима осадков на исследуемой территории определяющая роль принадлежит рельефу. Многочисленные горные хребты, расположенные под углом друг к другу, множество ущелий, долин, межгорных котловин создают сложную циркуляцию воздуха внутри горной системы и значительно усложняют характер выпадения осадков. Суммы осадков возрастают с высотой, однако пределы роста и интенсивность возрастания различны для склонов с разной экспозицией [3].

Анализировалась связь осадков с высотой по многолетним данным метеорологических станций Красная Поляна и Ачишхо. Эти станции находятся на склоне примерно той же ориентации, что и ЛГС «Аибга». Поселок Красная Поляна расположен у подножия хребта Ачишхо, а метеостанция Ачишхо - на его вершине. Разность высот указанных станций составляет 1314 м. Авторами были построены графики связи сезонных сумм осадков по метеостанциям Красная Поляна и Ачишхо за холодный и теплый периоды года. Аналитические выражения этих зависимостей представлены ниже:

А. Для холодного периода:

ХАчишко=1,60Хкр.П+60 (1)

с коэффициентом корреляции г = 0,911^0,030.

Б. Для теплого периода:

ХАчишко=1,65Хкр.П+75 (2)

с коэффициентом корреляции г = 0,937^0,022.

Как видно из приведенных уравнений, с увеличением количества осадков за сезон возрастает и плювио-метрический градиент, т.е. увеличение осадков с высотой. Так, в холодный период плювиометрический градиент изменяется от 32 мм на 100 м в засушливые годы до 73 мм на 100 м в самые дождливые годы. В теплые периоды засушливых лет градиент равен 17,5 мм на 100 м, а при максимумах сезонных осадков - до 50 мм на 100 м.

Из уравнений (1) и (2) можно найти относительный плювиометрический градиент, т.е. увеличение осадков при подъёме на 100 м в процентах от количества осадков нижележащей станции. Для зимнего периода он изменяется от 5,3 до 4,9 % на 100 м, в среднем равен 5,0 %. Для теплого сезона относительный плювиометрический градиент изменяется в пределах 3,6 - 4,2 % на 100 м, среднее его значение - 4,1 % на 100 м. На ЛГС «Аибга» наблюдения в верхней части участка проводились в вегетационный период 1969 г. Разность высот между суммарными осадкомерами в верхней части стационара и осадкомером на вырубке равна 400 м. Результаты параллельных измерений осадков приводятся в табл. 1.

Таблица 1

Осадки за периоды параллельных наблюдений в нижней и верхней частях ЛГС «Аибга» в 1969 г.

Место измерений 28.05-15.07 16.07-11.08 12.08-7.09 8.09-20.10 Сумма

Вырубка (высота 575 м) 223,4 117,3 82,2 110,1 533,0

Выше пр.пл. 7/64 (высота 975 м) 260,0 134,3 114,0 130,0 638,5

Разность осадков 36,6 17,2 31,8 19,9 105,5

Вертикальный градиент осадков мм/100 м 9,2 4,3 8,0 5,0 26,4

%/100 м 4,1 3,7 9,7 4,5 4,9

Полученные данные по плювиометрическому градиенту на стационаре «Аибга» довольно близки к величинам градиентов, определенным по метеостанциям Красная Поляна и Ачишхо. Резко выделяются лишь результаты измерений в период 12.08-7.09, когда локальный ливень из-за неравномерности орошения площади стационара дал увеличение осадков на 9,7 % на 100 м. При более длительных наблюдениях такие случаи нивелируются.

Таким образом, плювиометрические градиенты на ЛГС «Аибга» можно принять равными 5,0 % на 100 м для холодного периода года и 4,1 % на 100 м - для вегетационного периода.

Важно знать обеспеченность сезонных сумм осадков в многолетнем ряду. По данным метеостанций Красная Поляна и Ачишхо авторами были построены кривые обеспеченности сезонных осадков. При этом для определения обеспеченности, т.е. вероятности превышения в убывающем ряду варьирующей величины, занимающей m-е место в ряду, применена формула Н.Н. Чегодаева [4]:

С применением формулы (3) были построены эмпирические и теоретические кривые обеспеченности сезонных сумм осадков. Коэффициенты вариации и асимметрии для обеих метеостанций представлены в табл. 2.

Таблица 2

Коэффициенты вариации и асимметрии сезонных сумм осадков для метеостанций Красная Поляна и Ачишхо

Метеостанция Коэффициент вариации, Си Коэффициент асимметрии, CS

Красная Поляна, хол. период 0,26±0,03 0,19±0,43

Ачишхо, хол. период 0,27±0,03 0,19±0,43

Красная Поляна, тепл. период 0,18±0,02 0,06±0,33

Ачишхо, тепл. период 0,20±0,02 0,14±0,33

Рт а mi^3 ,100 0%.

m n □ 0,4

Нужно отметить, что асимметрия сезонных сумм осадков невелика, что дает возможность определить кривые обеспеченности на клетчатке вероятностей (табл. 3).

Вариация осадков за теплый сезон несколько меньше, чем в холодные времена года. Обращает на себя внимание незначительное отличие параметров

кривых обеспеченности для одной и другой станции, что дает основание полученные кривые обеспеченности использовать и для ЛГС «Аибга». По кривым обеспеченности можно определить обеспеченность и повторяемость сезонных сумм осадков в период наблюдений на ЛГС «Аибга». Количество осадков за ве-

гетацию 1965 г. на стационаре оказалось обеспеченным на 90 % (повторяемость 1 раз в 10 лет), за вегетацию 1966 г. - на 20 (1 раз в 5 лет), за вегетацию 1967 г. - на 70 (1 раз в 4 года), за вегетацию 1968 г. - на 54 (1 раз в 2 года), за вегетацию 1969 г. - на 83 % (1 раз в 6 лет).

Таблица 3

Сезонные суммы осадков различной обеспеченности в зоне буковых лесов, мм

Метеостанции Осадки обеспеченностью Р, %

1 | 5 | 10 | 20 | 50 | 80 | 95 | 99

Холодный период (XI-III)

Ачишхо 2790 2440 2260 2040 1658 1287 953 685

Красная Поляна 1645 1444 1343 1222 995 782 592 431

ЛГС «Аибга» 2040 1790 1665 1516 1232 968 733 534

Теплый период (IV-X)

Ачишхо 2090 1868 1755 1630 1390 1154 940 766

Красная Поляна 1288 1170 1114 1041 905 770 643 534

ЛГС «Аибга» 1600 1450 1382 1292 1122 956 798 664

Холодный период 1967 г. обеспечен на 75 % (повторяемость 1 раз в 4,5 года), а 1969 г. - на 96 (1 раз в 25 лет). Таким образом, период изучения водного баланса на ЛГС «Аибга» включает как сезоны довольно редкой повторяемости (по количеству осадков), так и нормальные сезоны с повторяемостью 1 раз в 2 года.

С точки зрения расчетов максимальных паводков важно изучить повторяемость наибольших по слою и интенсивности ливней. Наблюдения за ливнями на стационаре недостаточны по продолжительности для построения кривой обеспеченности. Ненадежна также и кривая обеспеченности наибольшего слоя осадков за дождь по метеостанции Красная Поляна, поскольку записи ливней производились лишь в течение последних 8 лет. Поэтому по опорным станциям (Красная Поляна и Ачишхо) рассчитаны кривые обеспеченности суточных максимумов осадков. Параметры кривых обеспеченности: Красная Поляна - Хмах=77,7 мм; С*=0,22^0,03; Ачишхо - Хмах=125,9 мм; С*=0,3Ш,04; Св=2,58^0,33. Установлено, что теоретическая кривая обеспеченности для Ачишхо, приведенная с учётом вычисленных параметров, не соответствует эмпирическим точкам обеспеченности. Гораздо удачнее прохо-

дит теоретическая кривая, определенная по тем же параметрам, что и для Красной Поляны (Хмах=125,9 мм; С*=0,22^0,03; С8=1,13^0,51). По-видимому, зарегистрированный случай, когда на Ачишхо выпало за сутки 298 мм (26.06.1956 г.), относится к явлениям весьма редкой повторяемости. Наличие такого максимума в 33-летнем ряду наблюдений резко увеличило коэффициенты вариации и асимметрии, что повлекло отклонение теоретической кривой обеспеченности от эмпирической. Таким образом, в результате анализа кривых обеспеченности суточных максимумов можно принять для ЛГС «Аибга» те же параметры С* и С,, которые были определены для метеостанции Красная Поляна.

Максимальные по величине дожди, видимо, имеют такие же С*и С8, как и суточные максимумы, но кривая их обеспеченности располагается ниже, т.е. средняя арифметическая ряда для них меньше, чем для суточных максимумов. Для метеостанции Красная Поляна наибольшие слои за ливень примерно на 20 мм меньше суточных максимумов той же обеспеченности. В табл. 4 даны ординаты теоретических кривых обеспеченности суточных максимумов для опорных метеостанций и ЛГС «Аибга».

Таблица 4

Суточные максимумы осадков различной обеспеченности по наблюдениям на метеостанциях Красная Поляна и Ачишхо, мм

Метеостанции Осадки обеспеченностью р, %

1 5 10 20 50 80 95 99

Ачишхо 217 180 164 147 121 102 90 83

Красная Поляна 132 111 101 91 75 63 56 52

ЛГС «Аибга» 164 138 125 113 93 78 69 64

Для ЛГС «Аибга» теоретически рассчитанная кривая обеспеченности в основном подтверждается имеющимися наблюдениями. Наиболее длительный ряд наблюдений за ливнями в рассматриваемом районе имеется на метеостанции Сочи (с 1908 по 1999 г. с 10-летним перерывом). По записям плювиографов на этой станции по-

строены кривые обеспеченности наибольшего слоя осадков за дождь и максимальной интенсивности, а также суточных максимумов по осадкомеру. Параметры кривых обеспеченности получены следующие:

- для максимальных величин ливней: Хмах = 67,0 мм; С*= 0,47^0,05; С, = 1,29^0,34;

- для суточных максимумов: Хмах = 78,8 мм; С*= 0,29^0,04; С = 0,86^0,14;

- для максимальных интенсивностей ливней: и* = 2,99 мм/мин; С*= 0,75^0,16; С = 1,66^0,34).

Из приведенных данных следует, что осадки на рассматриваемой территории варьируют весьма значительно как по площади, так и во времени. Наибольшей вариацией обладают годовые максимумы осадков, наименьшей - сезонные и годовые суммы.

Между интенсивностью и продолжительностью ливней существует корреляция; зависимость эта имеет гиперболический вид и уточняется повторяемостью ливней. При этом параметры гиперболической связи для каждой станции имеют свои значения.

Для определения зависимости средней интенсивности ливня (/'ср) от его продолжительности (0 /ор=Д0 по данным ЛГС «Аибга» были учтены все записанные за 5 лет ливни величиной более 20 мм. В результате получено выражение 22,4

(4)

i В -cP .0,92

Г

при коэффициенте корреляции • т .=0,83-40,03.

По материалам экспериментальных наблюдений на сети Росгидромета (метеостанции Сочи, Красная Поляна, Ачишхо и кордон Лаура) и ведомственных пунктов наблюдений (ЛГС «Аибга» Сочинского национального парка и метеостанции Джуга КГП(б)З) выполнен анализ на предмет выявления пространственных изменений осадков, а также многолетних трендов осадков на этих станциях.

Сравнение месячных сумм осадков по двум базовым станциям прибрежного и горного кластеров показало различие их связей для холодного и теплого периодов. Связь месячных сумм осадков по метеостанциям Сочи и Красная Поляна (имеющим почти 100-летний период наблюдений) за холодный сезон оценивается уравнением Нкр.п=0,737Нсочи при показателе тесноты связи R2=0,514. Это позволяет утверждать, что в приморском кластере осадков в среднем выпадает на четверть меньше, чем в среднегорной зоне на высоте 566 м. За теплый сезон связь между приморскими и горными кластерами значительно ослабевает, а точность зависимости уменьшается до R2=0,280, при этом в Красной Поляне осадков выпадает в 1,2 раза больше, чем в Сочи.

Связь между осадками лесогидрологического стационара «Аибга» (находящегося на высоте 600 м над уровнем моря) и осадками метеостанции Красная Поляна (высота 566 м) имеет гораздо лучшую тесноту R2=0,839, а уравнение связи за холодный период имеет вид Ндибга=1,2357 Нкр.п. За теплый период эта связь прослеживается несколько хуже - R2=0,710, а уравнение связи Ндибга=1,127 Нкр.п. Интересные данные дает анализ осадков высокогорной станции Ачишхо (Н=1880 м над уровнем моря). В целом за гидрологический год уравнение связи Нкр.п=0,517НАчишхо +315 имеет достаточно высокую оценку точности - R2=0,761. Эта зависимость показывает, что увеличение высоты местности с 566 до 1880 м увеличивает количество осадков почти в 2 раза.

Сравнение режима осадков среднегорной станции Красная Поляна (Н = 566 м над уровнем моря) и высо-

когорной метеостанции Джуга, находящейся на высоте 2041 м над уровнем моря практически за влагоза-держивающим хребтом Ачишхо, показывает уменьшение как сезонных, так и годовых осадков почти в 2 раза. Впечатляет уменьшение зимних осадков, которые на таких высотах почти всегда выпадают в виде снега: НДЖуга=0,39Шкр.п при R2=0,505.

Рядом с базовой станцией Красная Поляна был организован пост на кордоне Лаура, находящемся примерно на той же высоте (574 м). Анализ показал почти полное совпадение измеренных осадков с базовой метеостанцией: Нпаура=1,044Нкр.п при R2=0,956. В связи с этим целесообразность организации данного поста представляется весьма сомнительной, так как результаты наблюдений практически совпадают с показаниями базовой метеостанции Красная Поляна.

Сравнение осадков метеостанции Ачишхо и сред-негорной станции Гузерипль (бассейн р. Белой - северный макросклон) показывает различия в количестве осадков почти в 3 раза. При этом четко прослеживается нелинейность зависимости осадков метеостанции Гузерипль и метеостанции Красная Поляна.

В результате анализа данных за весь период наблюдений установлено, что годовые осадки на метеостанции Сочи за многолетний период имели различный характер в разные периоды начиная с 1886 по 2008 гидрологический год. Здесь можно отчетливо выделить три периода: а) период 1897-1936 гг. - сравнительно небольшие отклонения от средней нормы около 1450 мм и две волны 22-летнего цикла; б) период 1937-1970 гг. - значительно большие отклонения от средней нормы около 1550 мм также с двумя волнами примерно 22-25-летнего цикла; в) третий период - с 1972 гидр. года по настоящее время - период увеличенного размаха многоводных и маловодных лет вокруг средней величины, которая в этот отрезок составляет примерно 1660 мм.

Все тренды (и линейный, и осредненный за 5-летия) однозначно указывают на увеличение годовой нормы осадков за последние 100 лет.

Хронологический график сезонных сумм осадков метеостанции Сочи подтверждает выводы, сделанные на основе годовых сумм. Однако есть и сезонные отличия: за последние два периода размах колебаний осадков теплого периода значительно увеличился и по отношению к сезонным суммам холодного периода, и по абсолютным значениям.

Аналогичные хронологические графики для метеостанции Красная Поляна показывают, что за период с 1901 по 2008 гидрологический год в общем прослеживаются те же тенденции, что уже были обозначены выше. По графику изменения сезонных и годовых осадков высокогорной метеостанции Ачишхо заметно менее выраженное увеличение годовых осадков в последний период (с начала 1970-х гг. по 1988 г.). Это связано с меньшим периодом наблюдений (наблюдения начаты в 1929 г. и закончены в 1988 г. в связи с закрытием станции), а также с особенностями формирования зимних твердых осадков [5].

Общий хронологический график годовых сумм осадков, объединенный для метеостанций Красная Поляна, кордон Лаура и Джуга, показывает практиче-

ски полное совпадение результатов наблюдений на метеостанциях Красная Поляна и кордон Лаура. Резко отличаются от них данные метеостанции Джуга (общее количество осадков меньше примерно в 2 раза, с нарастающим в последние годы размахом колебаний). Однако из-за небольшого периода наблюдений на метеостанции Джуга утверждать различия в динамике осадков здесь не представляется возможным.

Заслуживает внимания устойчивый тренд увеличения осадков за весь столетний период: с 1650 мм в начале ХХ в. до 2050 мм - в настоящее время. Следовательно, средний тренд увеличения осадков в горном кластере составляет около 400 мм за 100 лет, или около 4 мм в год.

Аналогичные выводы подтверждаются материалами исследований на ЛГС «Аибга», где наблюдения проводятся с 1964 г. Наложение данных ЛГС «Аибга» на общий график горного кластера дает полное совпадение линейного тренда за вековой цикл, хотя и прохо-

Поступила в редакцию

дящий выше линии метеостанции Красная Поляна на

300 мм. Годовые изменения осадков на ЛГС «Аибга»

подтверждаются ходом сезонных сумм осадков [1].

Литература

1. Шагаров Л.М. Организация экологического мониторинга экосистем горных лесов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2012. № 5. С. 91-94.

2. Битюков Н.А., Пестерева Н.М., Ткаченко Ю.Ю., Шагаров Л.М. Рекреация и мониторинг экосистем ООПТ Северного Кавказа. Сочи, 2012. 456 с.

3. Битюков Н.А., Полежай П.М., Шагаров Л.М. Принципы ландшафтного районирования Сочинского национального парка для целей оптимизации его деятельности // Вестн. СГУТиКД. 2011. № 3(17). С. 256-262.

4. Чегодаев Н.Н. Расчёт поверхностного стока с малых водосборов. М., 1953. 251 с.

5. Битюков Н.А. Гидрологическая роль горных лесов Северо-Западного Кавказа: автореф. дис. Ф д-ра биол. наук. М., 1996.

24 августа 2012 г.