АНАЛИЗ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В РЕСПУБЛИКЕ КАЛМЫКИЯ ЗА 1966-2017 ГГ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2020, том 26, № 3 (84), с. 23-29

===== СИСТЕМНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ ====

УДК 551.583

АНАЛИЗ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В РЕСПУБЛИКЕ КАЛМЫКИЯ ЗА 1966-2017 ГГ.1

© 2020 г. Н.А. Шумова

Институт водных проблем РАН Россия, 119333, г. Москва, ул. Губкина, д. 3. Е-шаИ: shumova_aqua@rambler.ru

Поступила в редакцию 20.12.2019. После доработки 01.03.2020. Принята к публикации 01.03.2020

В основе работы лежит анализ динамики температуры воздуха, атмосферных осадков и гидротермического коэффициента Селянинова за период с 1966 по 2017 год на основе данных метеорологической станции Яшкуль (Республика Калмыкия). Построение и анализ разностных интегральных кривых позволил выявить периоды с повышенными (по равнению со средним) и пониженными значениями исследуемых величин. Сделан вывод о ведущей роли осадков в формировании гидротермических условий территории за исследуемый временной интервал и гумидном потеплении.

Ключевые слова: температура воздуха, атмосферные осадки, гидротермический коэффициент Селянинова, гумидное потепление, Республика Калмыкия. Б01: 10.24411/1993-3916-2020-10103

Ведущими факторами природной среды, определяющими состояние и развитие наземных экосистем, является соотношение ресурсов тепла и влаги (гидротермические условия). Оценка гидротермических условий и их возможных изменений в применении к анализу состояния и развития наземных экосистем является чрезвычайно важной задачей. Для оценки гидротермических условий территории обычно используются условные показатели увлажнения, которые представляют собой отношение ресурсов влаги (осадки) к потребности во влаге, рассчитанной через испаряемость, или фактору, её заменяющему. Среди условных показателей увлажнения одним из наиболее распространенных в нашей стране является гидротермический коэффициент увлажнения Г.Т. Селянинова (1958). В настоящей работе в основе оценки гидротермических условий территории лежит анализ динамики температуры воздуха, атмосферных осадков и гидротермического коэффициента. Выявление однородных периодов, то есть групп лет с повышенными и пониженными значениями исследуемых величин, выполнено на основе анализа разностных интегральных кривых.

Информационное обеспечение

Исходными данными для оценки гидротермических условий послужили временные ряды температуры воздуха и осадков метеорологической станции Яшкуль (46° 11' с.ш., 45° 21' в.д., абсолютная высота - -7 м н.у.м. БС), расположенной на полупустынной аккумулятивно-морской преимущественно глинистой равнине Прикаспийской низменности с резко континентальным климатом, за последний полувековой период, а именно за 1966-2017 гг. (Булыгина и др., 2019а, 2019б). Метеорологическая станция Яшкуль, наряду с метеорологической станцией Элиста (46° 22' с.ш., 44° 20' в.д., абсолютная высота - 151 м н.у.м. БС), является одной из двух метеорологических станций на территории Республики Калмыкия, включенных в Глобальную сеть наблюдений за климатом; наблюдения на этих станциях проводятся с 1928 года. Однако публикуемая версия массива данных месячных сумм осадков (Булыгина и др., 2019а) содержит информацию только с 1966 года. Это связано с тем, что до 1966 года имело место нарушение однородности рядов сумм осадков из-за изменений в методиках измерений и обработки данных, а именно переноса

1 Работа выполнена в рамках темы № 0147-2019-0002 (№ государственной регистрации АААА-А18-118022090104-8) Государственного задания Института водных проблем РАН по разделу 2.6 «Эволюция наземных экосистем в изменяющихся природных условиях» темы НИР ИВП РАН «Моделирование и прогнозирование процессов восстановления качества вод и экосистем при различных сценариях изменений климата и антропогенной деятельности».

станций на открытое место (репрезентативное для ряда элементов, но не для осадков), смены прибора (установка осадкомера с защитой Третьякова) и введения с января 1966 года поправки на смачивание стенок водосборного сосуда непосредственно на метеорологической станции. После 1966 года ряды сумм осадков принято считать однородными (Булыгина и др., 2019а). Необходимо отметить, что метеорологическая станция Элиста после ее открытия дважды переносилась к северо-востоку - на 5 км в 1944 году и на 7 км в 1970 году; метеорологическая станция Яшкуль не переносилась со дня ее основания. Что касается температуры воздуха, публикуемая версия массива содержит информацию по рядам данных с начала наблюдений на метеорологической станции (Булыгина и др., 2019б).

Результаты и обсуждение

Температура воздуха. Анализ динамики среднегодовой температуры воздуха Тср. год на метеостанции Яшкуль (рис. 1) показал, что за период 1966-2017 гг. отмечено её увеличение. Значение среднегодовой температуры воздуха Тср год за исследуемый период изменяется в пределах от 8.4°С (1987 г.) до 12.6°С (2010 г.) при средней многолетней величине среднегодовой температуры

Рис. 1. Динамика среднегодовой температуры воздуха Тср год.

Важным показателем температурного режима территории являются суммы среднесуточных температур воздуха. Так, например, потребность в тепле растений выражается в суммах активных температур воздуха (сумма среднесуточных температур воздуха за период с устойчивой температурой воздуха выше 10°С, условно говоря, за период вегетации); в агрометеорологии накоплен опыт определения дат наступления основных фаз развития растений по суммам активных температур воздуха. Поэтому в настоящей работе анализируется динамика сумм активных температур воздуха ЕТ->10 (период вегетации) и сумм среднесуточных положительных температур воздуха £Т>0 (безморозный период), которые, наряду с данными об атмосферных осадках, являются информационным обеспечением для приводимой далее зависимости для расчета условного показателя увлажнения, а именно гидротермического коэффициента (ГТК).

На рисунке 2 показана динамика сумм среднесуточных температур воздуха за период вегетации £Т>10 и за безморозный период ЕТ>0. Представленные на рисунке 2 линии трендов свидетельствуют о возрастании ЕТ->10 и ЕТ>0 за 1966-2017 гг. Значения сумм среднесуточных температур воздуха за период вегетации £Т-ла изменяются в пределах от 3122 (1993 г.) до 3837°С (2013 г.), за безморозный период значения ЕТ->0 изменяются от 3681 (1987 г.) до 4939°С (2010 г.); средние многолетние значения £Т>10 и ¿Т>0 равны 3833 и 4250°С соответственно.

Между среднегодовой температурой воздуха Тср. год и суммами среднесуточных температур воздуха за период вегетации ЕТ>10 и за безморозный период ЕТ>0 существует довольно тесная связь с коэффициентами корреляции - 0.61 и 0.86 соответственно. Коэффициент корреляции между суммами среднесуточных температур воздуха за период вегетации ЕТ>10 и за безморозный период ЕТ>0 равен 0.78.

Исследование температурных характеристик изучаемой территории показало, что в динамике среднегодовой температуры воздуха Тср. год (рис. 1), сумм среднесуточных температур воздуха (рис. 2) за период вегетации ЕТ->10 и безморозный период ЕТ->0 выявлена достоверная тенденция потепления.

5000 4750 4500 ^ 4250 Й 4000 3750 3500 3250 3000

Безморозный У = 7.9685х - 11619

.......п"="52", г = 0.48, ¿=0.001

ериод вегетации: у = 7.2995х - 10704 п = 52, г = 0.35, ¿=0.05

1 оды ^^^^^^^^^^^^^^^^^^

ООООО^Н^^^

ооооооооо гчгчгчгчгчгчгчгчгч

Рис. 2. Динамика сумм среднесуточных температур воздуха за период вегетации ЕТ->10 (квадраты) и безморозный период ЕТ>0 (круги).

Построение и анализ нормированных разностных интегральных кривых среднегодовой температуры воздуха Тср. год, сумм среднесуточных температур воздуха за период вегетации ЕТ>10 и за безморозный период ЕТ>0 по данным метеостанции Яшкуль позволил выявить группы лет с повышенными (по сравнению со средним) и пониженными значениями исследуемых величин (рис. 3). На фоне общего тренда увеличения Тр год за временной интервал 1966-2017 гг. прослеживается продолжающийся до 1994 года холодный период, когда среднегодовая температура воздуха Тср. год была ниже нормы, после чего наступил период потепления, продолжающийся до 2017 года.

Годы

ЧОЧОЧ01--|--|--|---|--00000000000\0\0\0\0\

ООООО^Н^Н^Н^Н

ооооооооо

Рис. 3. Нормированные разностные интегральные кривые среднегодовой температуры воздуха Тс

ср. год

(квадраты, к — Тср год / Тср.год )2, сумм среднесуточных температур воздуха за период вегетации 1ТТ>10 (треугольники, к — !Т>1а / !Т>1а) и сумм среднесуточных температур воздуха за безморозный период 1Т>0 (круги, к — ХГ>0 / 2Т>0 ).

В ходе нормированной разностной интегральной кривой сумм среднесуточных температур воздуха за безморозный период ЕТ>0, как и в ходе среднесуточной годовой температуры воздуха Тр год, до 1994 года отмечается период пониженных значений ЕТ>0, после 1994 года - повышенных. Периоды пониженных (до 1994 года) и повышенных (после 1994 года) значений характерны и для сумм среднесуточных температур воздуха за период вегетации ЕТ->10. Можно также отметить

2 В подписях к рисункам 3 и 6 - к - это модульный коэффициент.

АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2020, том 26, № 3 (84)

практически полное совпадение конфигурации разностных интегральных кривых среднегодовой температуры воздуха за период вегетации ЕТ>10 и за безморозный период ЕТ>0.

Конфигурации разностных интегральных кривых температурных характеристик, представленных на рисунке 3, свидетельствуют о том, что для исследуемых характеристик температуры воздуха Тср, год, ЕТ>10 и ЕТ>0 временные интервалы лет повышенных и пониженных значений практически полностью совпадают.

Атмосферные осадки. При исследовании динамики атмосферных осадков рассматривались суммы осадков за год Ргод, за период вегетации Р>10, теплый период Ру-Х и холодный период РХ1-Ш. Суммы осадков, за период вегетации Р>10, наряду с суммами среднесуточных температур воздуха за период вегетации ЕТ>10, являются составляющими информационного обеспечения для расчетов гидротермического коэффициента (ГТК). В климатологии принято разделять годовые суммы осадков на два периода - это осадки теплого периода Ру-Х (апрель-октябрь) и осадки холодного периода Рх1-Ш (ноябрь-март), поэтому для сопоставимости полученных данных с данными других исследователей выполнен анализ осадков по общепринятым периодам.

На рисунке 4 показана динамика сумм осадков за год Ргод и за период вегетации Р>10. Показанные на рисунке 4 линии трендов свидетельствуют о том, что за период 1966-2017 гг. произошло увеличение как годовых сумм осадков Ргод, так и осадков за период вегетации Р>10. За период 1966-2017 гг. суммы осадков за год Ргод изменялись в пределах от 151 мм (1986 г.) до 392 мм (2005, 2013 гг.) при среднем

многолетнем значении Ргод, равном 267 мм. Среднее многолетнее значение сумм осадков за период вегетации Р>10 равно 167 мм при диапазоне изменения Р>10 от 46 мм (1975 г.) до 291 мм (1991 г.).

Рис. 4. Динамика сумм осадков за год Ргод (квадраты) и за период вегетации Р>10 (круги).

На рисунке 5 представлена динамика сумм осадков за теплый Ру-Х и холодный РХ}-Ш периоды. Осадки теплого периода Ру-Х за временной интервал 1966-2017 гг. имеют значимую тенденцию к

увеличению (рис. 4, 5). Среднее многолетнее значение суммы осадков за теплый период Р^~х равно 183 мм при диапазоне их изменения от 65 мм (1975 г.) до 291 мм (1991, 2013 гг.). Осадки холодного периода Рж-ш практически оставались на одном уровне, изменяясь в пределах от 33 мм (1984, 2000 гг.) до 133 мм (2005 г.) при среднем многолетнем значении Рп_П1 равном 83 мм.

Анализ нормированных разностных интегральных кривых сумм осадков за различные временные интервалы (рис. 6), а именно за год Ргод, за теплый период (апрель-октябрь) Ру-Х, за холодный период (ноябрь-март) Рш-ш и за период вегетации Р>10, для всего массива данных 1966-2017 гг. показал, что точка перехода от пониженных значении исследуемых величин к повышенным приходится на 1986 г. При этом в первые несколько лет исследуемого периода (1966-2017 гг.) прослеживается некоторое увеличение сумм осадков по всем изучаемым временным интервалам - Ргод, Ру-Х, Р^-ш, Р>10; в последние несколько лет исследуемого периода можно говорить о некоторой стабилизации осадков.

250

200

а а

| 150

«

а и

° 100

50

P, XI-IП и у = 0.1675x - 250.16 п = 52, г = 0.10, незначим

Уо лт.1 О О О О О О О О О

0

Рис. 5. Динамика сумм осадков за теплый Р^.х (треугольники) и холодный Рхыи (голубой) периоды.

Рис. 6. Нормированные разностные интегральные кривые сумм осадков за год Ргод (квадраты, к = Ргод / Ргод), за теплый период апрель-октябрь Р^х (треугольники, к = Р1У_Х / Р^-х), за холодный

период ноябрь-март РХ1-Ш (точки, к = РХ1_Ш / РХ1-ш) и за период вегетации Р>10 (круги,

к = Ря0 /Р>ю).

Выполненные исследования температурных характеристик (Тср. год, ЕТ>10, и ЕТ>о) и сумм атмосферных осадков по различным временным интервалам (Ргод, Р^х, Рп-ш, Р>1о) показали, что за период 1966-2017 гг. наблюдается два крупных цикла - цикл пониженных значений изучаемых величин и повышенных значений. Время перехода от пониженных значений к повышенным для величин температуры воздуха и сумм атмосферных осадков не совпадает - атмосферные осадки начинают увеличиваться после 1986 года, температура воздуха начинает повышаться после 1994 года.

Гидротермический коэффициент. Предложенный Г.Т. Селяниновым гидротермический коэффициент используется для исследования периода вегетации (периода со среднесуточными температурами воздуха выше 10°С. Гидротермический коэффициент Г.Т. Селянинова определяется по отношению суммы осадков за период с температурой выше 10°С к сумме среднесуточных температур воздуха за тот же период (Селянинов, 1958):

10Р

ГТК = (1),

У Т

¿—! >10

где ГТК - гидротермический коэффициент, Р>10 - сумма осадков в миллиметрах за период со

среднесуточными температурами воздуха выше 10°С, мм; ЕТ>10 - сумма среднесуточных температур воздуха за тот же период, °С.

Динамика гидротермического коэффициента (ГТК), рассчитанного по зависимости (1), свидетельствует об увеличении увлажненности вегетационного периода за временной интервал 19662017 гг. Среднее многолетнее значение гидротермического коэффициента ГТК составило 0.44 при диапазоне его изменения от 0.11 (1975 г.) до 0.83 (1996 г.), что свидетельствует о высокой межгодовой изменчивости гидротермического коэффициента. По классификации Г.Т. Селянинова (1958) данный диапазон изменения ГТК соответствует географической зональности от пустыни (ГТК>0.2) до типичной степи (ГТК=1.0/0.7) соответственно. Можно отметить, что в течение временного интервала 1966-2017 гг. (52 года) гидротермические условия, соответствующие зоне пустынь, отмечены в 4% случаев, зоне полупустынь - 38%, зоне степей на южных черноземных и каштановых почвах - 50%, зоне типичных степей - в 8% случаев.

Анализ разностной интегральной кривой ГТК, представленной на рисунке 7, показал, что в межгодовом распределении ГТК точкой перехода от периода низких значений к значениям выше среднего, является 1986 год.

Голы «««М^М^ЬИИИИИЙ^^^^ОООООНННН

Рис. 7. Разностная интегральная кривая гидротермического коэффициента ГТК (Д = ГТК — ГТК).

Сравнение конфигураций разностных интегральных кривых гидротермического коэффициента (ГТК; рис. 7) и нормированных разностных интегральных кривых сумм атмосферных осадков по различным временным интервалам (рис. 6), а именно за год Ргод, теплый период Ру-Х, холодный период РХ1-ш, период вегетации Р>10, показало, что переход от пониженных значений исследуемых параметров к повышенным во всех случаях приходится на 1986 год, что свидетельствует о ведущей роли естественного увлажнения (атмосферные осадки) в формировании гидротермических условий территории.

Выводы

Исследование динамики температурных характеристик на метеорологической станции Яшкуль за временной интервал 1966-2017 гг. показало, что средняя годовая температура воздуха, сумма среднесуточных положительных температур воздуха за год и сумма среднесуточных температур воздуха за период вегетации имеют достоверную стабильную тенденцию повышения; в межгодовом распределении указанных температурных характеристик выделяются два периода: период пониженных значений температур воздуха, который продолжался с 1966 по 1994 год, и период повышенных температур, наблюдавшихся с 1994 по 2017 год.

В динамике сумм осадков за год, за теплый период, за холодный период и за период вегетации за временной интервал 1966-2017 гг. также отмечается общая тенденция их увеличения; при этом в межгодовом распределении пониженные осадки наблюдались в период до 1986 года, с 1986 по 2013 год осадки превышали средние многолетние значения, с 2013 года наметилась тенденция к относительному уменьшению осадков на фоне их общей достоверной тенденции к увеличению в теплый период и за год.

Значения гидротермического коэффициента, описывающие гидротермические условия периода

вегетации, имеют тенденцию увеличения за временной интервал 1966-2017 гг.; переход от низких значений исследуемого параметра к повышенным приходится, как и в случае с осадками, на 1986 год. Это позволяет сделать вывод о том, что ведущим фактором формирования гидротермических условий исследуемой территории за период 1966-2017 гг. являются атмосферные осадки.

Среднее значение гидротермического коэффициента за временной интервал 1966-2017 гг. (52 года) составляет ГТК=0.44, что по классификации Г.Т. Селянинова соответствует южной границе степи на южных черноземных и каштановых почвах (ГТК=0.7-0.4). В течение исследуемого временного интервала гидротермический коэффициент при положительном тренде изменялся в диапазоне от ГТК=0.11 (что соответствует зоне пустынь) до ГТК=0.83 (типичная степь); в 58% случаев гидротермический коэффициент превышал значение ГТК=0.4, соответствуя условиям степной зоны. Анализ динамики гидротермического коэффициента позволяет сделать вывод о гумидном потеплении территории за временной интервал 1966-2017 гг.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Булыгина О.Н., Разуваев В.Н., Коршунова Н.Н., Швец Н.В. 2019а. Описание массива данных месячных сумм осадков на станциях России. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2015620394 [Электронный ресурс http://meteo.ru/data/158-total-precipitation#описание-массива-данных (дата обращения 04.09.2019)].

Булыгина О.Н., Разуваев В.Н., Трофименко Л.Т., Швец Н.В. 20196. Описание массива данных среднемесячной температуры воздуха на станциях России. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2014621485 [Электронный ресурс http://meteo.ru/data/156-temperature#описание-массива-данных (дата обращения 04.09.2019)].

СеляниновГ.Т. 1958. Принципы агроклиматического районирования СССР // Вопросы агроклиматического

районирования СССР. М.: МСХ СССР. С. 7-14. Хромов С.П., Мамонтова Л.И. 1974. Метеорологический словарь. Л.: Гидрометеоиздат. 568 с. Экологическая энциклопедия. 2010. Т. 3. М.: Энциклопедия. 448 с.