CC BY
165
АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2018, том 24, № 1 (74), с. 13-19
————— СИСТЕМНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ —==———
УДК 551.5
БИОКЛИМАТИЧЕСКАЯ СУБГУМИДНАЯ ЗОНА НА РАВНИНАХ РОССИИ: ЗАСУХИ, ОПУСТЫНИВАНИЕ/ДЕГРАДАЦИЯ1
© 2018 г. А.Н. Золотокрылин, Е.А. Черенкова, Т.Б. Титкова
Институт географии РАН Россия, 119017, г. Москва, Старомонетный пер., д. 29. E-mail: [email protected]
Поступила 10.04.2017
Определены границы биоклиматических зон (семиаридной, сухой субгумидной и субгумидной) на равнинах России, соответствующие значениям 0.35, 0.50, 0.75 индекса аридности (AI) (отношение среднего ежегодного уровня осадков к потенциальной эвапотранспирации). Потенциальная эвапотранспирация вычислялась по методу Пенмана. Сухая субгумидная зона (сухостепные ландшафты) расположена между изолиниями 0.35<AI<0.50, а субгумидная (преимущественно степные на ВосточноЕвропейской равнине и лесостепные ландшафты на Западно-Сибирской равнине) -между изолиниями 050<AI<0.75. Субгумидная зона характеризуется повышенной частотой атмосферных и почвенно-атмосферных засух в некоторых районах, которые можно рассматривать как эпизодически аридными. Спутниковый индикатор деградации земель (альбедо) показывает значимый положительный тренд деградации в сухой субгумидной и семиаридной зонах и положительный, но неустойчивый в субгумидной. Ключевые слова: опустынивание, семиаридная и субгумидная зона, деградации земель, эвапотранспирация.
Конвенция ООН по борьбе с опустыниванием (Конвенция) определяет опустынивание как: «деградацию земель в засушливых, полузасушливых и сухих субгумидных районах в результате действия различных факторов, включая вариации климата и деятельность человека» (Конвенция ..., 1994). Формально определение опустынивания ограничивает территорию сухими субгумидными землями. С другой стороны, уже официально признается, что и вне этой территории возможна угроза деградации земель (Резолюция десятой сессии Конференции Сторон Конвенции Организации Объединенных Наций по борьбе с опустыниванием, UNCCD COP 10). Для территории РФ, это, прежде всего, субгумидные земли. Ранее подверженность субгумидных районов России засухам и опустыниванию (без установления их формальных биоклиматических границ) и необходимость включения их в оценку опустынивания была рассмотрена в работе (Куст и др., 2002; Куст, 2013).
Впервые биоклиматические границы мировых аридных районов были показаны на «Мировой карте аридных районов» в масштабе 1:25000000 (UNESCO, 1979). Изменение индекса аридности (AI) (отношение среднего ежегодного уровня осадков к потенциальной эвапотранспирации) было основанием выделения районов разной степени аридности. Потенциальная эвапотранспирация вычислялась по методу Пенмана (Penman, 1948). Территория, на которой AI принимает значения от 0.50 до 0.75, интерпретировалась как субгумидная зона. Распространение субгумидных районов на территории России можно было оценить на этой карте только приблизительно. Северная граница и площадь засушливых земель равнин России в условиях современного климата в соответствии с рекомендацией Конвенции ООН по борьбе с опустыниванием впервые были исследованы в работе (Золотокрылин, Черенкова, 2009).
Следует отметить, что в отечественных классификациях климата по условиям влагообеспеченности распространен термин коэффициент увлажнения. Его динамика, включая биоклиматические границы гумидной зоны на равнинах России на основе данных метеосети и результатов численных экспериментов с глобальными климатическими моделями с использованием
1 Исследование выполнено в рамках темы 79 (п. 0148-2014-0015) плана ФНИ ИГ РАН, и в рамках темы: «Исследования механизмов изменений климата и их последствий для окружающей среды и социально-экономических процессов в России». Рег. № 01201352488.
метода Торнтвейта (Thomthwaite, 1948), изучалась в работах (Черенкова, Золотокрылин, 2010, 2012). Выбор метода Торнтвейта для расчета потенциальной эвапотранспирации связан с его простотой (потенциальная эвапотранспирация рассматривается как функция температуры воздуха) и доступностью данных о температуре. Сравнение различных методов оценки потенциальной эвапотранспирации для территории юга Восточно-Европейской равнины показало, что метод Торнвейта является надежным методом для расчета потенциальной эвапотранспирации (Черенкова, Шумова, 2007; Черенкова, 2009). Метод Пенмана более физичен, и для его расчета используются данные о радиационном балансе поверхности, температуре, относительной влажности воздуха и скорости ветра. В отличие от густой сети метеостанций количество актинометрических станций ограничено, что вынуждает для оценки составляющих радиационного баланса использовать расчетные методы.
Научный интерес к изучению субгумидной зоны обусловлен ее значимостью как черноземной житницы страны. Территория зоны характеризуется недостаточным и неустойчивым атмосферным увлажнением и подвержена огромным природным и антропогенным рискам (засухи, деградация/опустынивание). Как следствие этого, она затрагивается сильными и экстремальными атмосферными засухами часто переходящими в атмосферно-почвенные (Золотокрылин и др., 2014). Антропогенная деградация значительной части территории в результате длительной сельскохозяйственной эксплуатации вызвала потерю почвенного плодородия, что усилило признаки почвенной засухи и развитие условий почвенной аридности (Куст и др., 2010). Таким образом, в условиях неустойчивого увлажнения и антропогенной деградации почв вероятно увеличение прогрессирующей почвенной аридности на некоторой части зоны.
Статья ориентирована на понимание проблемы: изменение климата и засух, деградации/опустынивания в субгумидной зоне. Существует настоятельная необходимость проведения таких исследований с целью прояснения связей между изменением климата и засухами, деградацией земель/опустыниванием для своевременной разработки упреждающих методов адаптации.
В статье впервые анализируется размещение выделенной по методу Пенмана биоклиматической субгумидной зоны на равнинах России. Ее размещение сравнивается с положением суббореальных зональных ландшафтов по А.Г. Исаченко (Исаченко, 2002).
Особенность работы заключается, с одной стороны, в изучении распространения атмосферных засух в субгумидной зоне, ответственных за развитие аридизации. Засухи фиксировались с помощью стандартного индекса осадков (ВМО, 2012) и индекса суровости засухи Палмера (Palmer, 1965) в сравнении с другими индексами (Черенкова, Золотокрылин, 2016). И с другой стороны, в обосновании косвенной оценки подверженности субгумидной зоны к воздействию изменения климата (атмосферного увлажнения) на деградацию земель с помощью спутникового спектрального альбедо.
Материалы и методы
Территория исследования включает южные части Восточно-Европейской и Западно-Сибирской равнин в пределах суббореальных зональных ландшафтов на территории России. Путь решения задачи заключается в вычислении индекса аридности по методу Пенмана (AIP), построении границ субгумидной зоны, оценки ее площади, сравнительного анализа положения зональных ландшафтов в пределах этой зоны в период 1981-2010 гг. Отметим, что границы биоклиматических зон и их площади в некотором смысле условны, поскольку изолинии проведены на основе данных индекса аридности, интерполированных методом кригинга.
Среднемесячные данные потенциальной эвапотранспирации были взяты из глобального архива Университета Восточной Англии (Climatic Research Unit, CRU TS3.21, Harris et al., 2014) пространственного разрешения 0.5х0.5°. При этом потенциальная эвапотранспирация рассчитывалась по формуле, рекомендуемой Продовольственной и сельскохозяйственной организацией ООН (Food and Agriculture Organization, FAO; Allen et al., 1998).
Распространение засух в биоклиматических зонах исследовано с помощью стандартизованного индекса осадков (Standardized Precipitation Index, SPI) и индекса суровости засухи Палмера (Palmer Drought Severity Index, PDSI). Значения индекса SPI формируются на основе сумм осадков посредством трансформации наиболее близко соответствующей распределению количества осадков
функции вероятности гамма-распределения в функцию нормального распределения с нулевым средним и среднеквадратическим отклонением равным единице. Это делает показатель сравнимым в любой точке его расчета (McKee et al., 1993). В работе рассмотрены значения трехмесячного стандартизованного индекса SPI за июль из глобального архива Университета Восточной Англии (Climatic Research Unit, CRU TS3.21, Harris et al., 2014) пространственного разрешения 0.5х0.5°.
Изменения среднемесячного «самокалибрующегося» индекса суровости засухи Палмера (PDSI, Palmer Drought Severity Index) анализировались по данным из глобального сеточного архива Университета Восточной Англии пространственного разрешения 0.5х0.5° (van der Schrier et al., 2006). Индекс Палмера рассчитывается по метеорологическим данным (месячным значениям температуры и осадков), а также локальным константам влагоемкости почвы. Данные используются для оценки составляющих водного баланса на поверхности почвы по упрощенной схеме влагопереноса в почве. Расчет PDSI основан на применении совокупности эмпирических зависимостей, отражающих региональные запасы влаги, стандартизированные по отношению к локальной климатической норме. Для учета кумулятивого эффекта продолжительных периодов дефицита влаги используется рекурсивная двухэтапная процедура построения индекса, то есть его значение на определенном временном интервале зависит от его значения на предыдущем шаге. Полученный в итоге стандартизованный индекс Палмера оценивает 11 градаций увлажнения выбранной территории от экстремальных засух до избыточного увлажнения. Описание процедуры получения индексов PDSI и SPI и градаций увлажнения приведено в работах (Черенкова, 2013; Черенкова, Золотокрылин, 2016).
В качестве индикатора деградации земель принято среднее на территории (7 апреля -30 сентября) спектральное альбедо поверхности за период 2000-2016 гг., вычисляемого как отношение радиации, отражаемой некоторой поверхностью, к радиации, падающей на эту поверхность. Альбедо целесообразно рассматривать в качестве комплексного индикатора деградации почв, который зависит от состояния ее поверхности, включая ее влажность, растительность, степень эродированности, склонность к осолонцеванию и т.д. Конечно, один такой индикатор не может отразить разнообразие причин и особенностей процессов деградации земель.
Альбедо (BRDF-Albedo Model Parameters 16-Day L3 0.05 Deg CMG) определялось по модели MCD43 C1 версии 005 с дискретностью 16 дней. В данной версии объединены данные спутников MODIS/Terra+Aqua BRDF/Albedo. Данные MODIS доступны по адресу: (https://lpdaac.usgs.gov/lpdaac/products/modis_products) центра LP DAAC NASA: Land Processes Distributed Active Archive Center.
Результаты и обсуждение
Северная биоклиматическая граница субгумидной зоны (изолиния AIP=0.75) начинается в степной зоне у западной границы России. Далее она заходит в Центральную лесостепь, восточнее ее пересекает южную часть широколиственно-лесной зоны и у Волги выходит на границу между степью и лесостепью (рис. 1). Настоящие (типичные) степи с черноземами южными и обыкновенными целиком входят в субгумидную зону на Европейской части страны. За Уральским хребтом северная граница локализуется в подтаежной зоне, оставляя южнее лесостепь, и только восточнее, в Новосибирской области и Алтайском крае, проходит по лесостепи. Ландшафты южной части подтаежной зоны, лесостепные и степные распространены в субгумидной зоне Западно-Сибирской равнины.
Положение изолинии AIP=0.50, трактуемой на «Мировой карте аридных регионов» (UNESCO, 1979) как южная граница субгумидной зоны, фактически совпадает с границей сухой субгумидной зоны (AIT=0.65), определенной по методу Торнтвейта. Согласно Конвенции граница AIT=0.65 отделяет от субгумидных районов «засушливые, полузасушливые и сухие субгумидные районы», в которых отношение среднего ежегодного уровня осадков к потенциальной эвапотранспирации колеблется в диапазоне от 0.05 до 0.65.
Принимая во внимание это обстоятельство, мы установили значение изолинии для биоклиматической южной границы сухой субгумидной зоны AIP=0.35, которое фактически соответствует значению AIT=0.50, т.е. границе семиаридной зоны. Таким образом, границы субгумидной зоны на равнинах России соответствуют значениям 0.50 и 0.75 коэффициента увлажнения по Пенману. Тогда значение AIP колеблется в сухой субгумидной зоне в диапазоне 0.350.50.
45° в.д. 75° в.д,
Рис. 1. Биоклиматические границы субгумидной зоны: северная (изолиния со значением индекса аридности по Пенману, А1Р=0.75, I) и южная (изолиния с А1Р=0.5, II). Граница семиаридной зоны (изолиния с А1Р=0.35, III). Северная граница сухой субгумидной зоны (изолиния со значением индекса аридности по Торнтвейту, АГГ=0.65, IV). Условные обозначения: 1 - полупустынные и пустынные ландшафты, 2 - степные типичные и сухостепные ландшафты, 3 - лесостепные ландшафты, 4 - широколиственно-лесные ландшафты, 5 - подтаежные ландшафты.
Таблица. Площади биоклиматических зон, вычисленных по индексу аридности с использованием метода Пенмана (AIP). Равнины: Восточно-Европейская (ВЕР), Западно-Сибирская (З-С).
Биоклиматические зоны Границы индекса аридности Площадь, млн.кв.м. AIP
Россия ВЕР З-С
Полузасушливая (семиаридная) 0.2-0.35 0.11 0.11 -
Сухая субгумидная 0.35-0.5 0.34 0.28 0.06
Субгумидная 0.5-0.75 0.97 0.54 0.43
Все зоны 0.2-0.75 1.42 0.93 0.49
Как видно из таблицы, площадь субгумидной зоны, вычисленной с учетом AIP, составляет в России 0.97 млн. км2, на Восточно-Европейской равнине - 0.54 и на Западно-Сибирской -0.43 млн. км2. Тогда площадь земель, которые могут затрагиваться опустыниванием/деградацией, засухой или находиться под их угрозой увеличивается до 1.42 млн. км2.
Рассмотрим распространение засух на территории исследуемых биоклиматических зон. Засуха -комплексное природное явление с сильнейшими региональными аномалиями температуры и влажности (осадков, влагосодержания почвы; Гидрометеорологические опасности, 2001). Ввиду сложной природы засухи обычно ограничиваются изучением одной из ее сторон, проявляющейся или в атмосфере, или в почве.
По данным исследования (Садоков и др., 2002) атмосферно-почвенная засуха чаще образуется вследствие длительной атмосферной засухи и усиливается почвенной. Наблюдались годы, когда почвенная засуха усиливалась атмосферной, а атмосферно-почвенная засуха характеризуется сочетанием почвенной и атмосферной засух.
Субгумидная и сухая субгумидная зоны отличаются от семиаридной более высокой частотой
(в среднем на одну засуху в десятилетие). Частота атмосферной засухи ^Р1) распространена в субгумидной зоне неравномерно. Наибольшая частота (две засухи за 10 лет) SPI наблюдается в нескольких районах: это Среднее Поволжье, Южное Предуралье, юг Западной Сибири (Омская и Новосибирская области; рис. 2а). В этих районах возможны более 2 сильных засух за десять лет. На остальной территории частота засух уменьшается в среднем до одной-двух в десятилетие.
Г,IIе' с.ш.Г
45° п.Л- в.д. 75° в.д.
60° с.ш._45° в.д. 60° в.д. 75° в.д.
о.;
45° с.ш,
45" с.ш.
45° с.ш.
а)
б)
60° с.ш._45° в.д. 60° Н.Д. 75° в.д.
45° с.ш.
В)
г)
Рис. 2. Частота засух (случаи/год) на территории исследования в период 1981-2010 гг.: а) по данным 3-месячного индекса SPI в июле, б) по данным индекса PDSI в мае, в) июне, г) июле. Биоклиматические границы субгумидной зоны: северная (изолиния с А1Р=0.75, I) и южная (изолиния с А1Р=0.5, II).
В отличие от индекса SPI, преимущество индекса PDSI определяется его комплексностью. Он чувствителен к изменению влажности почвы, которая не учитывается SPI. Его можно считать показателем атмосферно-почвенной засухи. Наибольшие частоты засухи PDSI (3-5 засух за 10 лет) наблюдались в субгумидной и сухой субгумидной зонах (рис. 2 б,в,г). Максимальная частота (5 засух за 10 лет) отмечалась в разные месяцы вблизи северной и южной границ субгумидной зоны: в мае в Верхнем Поволжье и в предгорьях степного Алтая, июне - в западной части Оренбургской области, в июле - в Верхнем Поволжье, западной части Оренбургской области, Тюменской области. Сильная подверженность засухам субгумидных районов, включая граничащих с ними некоторых гумидных районов, позволяет считать их периодически аридными.
Засухи, наряду с антропогенными воздействиями, обостряют процессы деградации земель. На рис.3 а,б изображен междугодовой ход индикатора деградации земель - альбедо, осредненного на территории субгумидной, сухой субгумидной и семиаридной зон за период 2000-2016 гг. Значимый положительный линейный тренд альбедо со скоростью 0.014 за 10 лет свидетельствует о систематическом росте деградации земель в сухой субгумидной и семиаридной зонах (рис. 3а). На рис. 3 значимо проявляются экстремальные изменения альбедо в 2001 г. (засуха) и в 2016 г. (переувлажнение), вызванные климатическими экстремумами увлажнения. Положительный тренд альбедо не значим на территории субгумидной зоны, т.е. процесс деградация земель усиливается эпизодически во время засух (рис. 3б). Положительные экстремумы альбедо в 2005, 2010, 2014 гг. указывают на сильные засухи, которые охватили большую часть субгумидной зоны. Частота засухи
за период 2000-2016 гг. составила 0.18 сл./год.
а) б)
Рис. 3. Междугодовой ход альбедо поверхности (Al), осредненный на территории: а) сухой субгумидной и семиаридной зон (44-51° с.ш., 35-65° в.д.), скорость тренда составляет 0.014 за 10 лет; б) субгумидной зоны (51-53° с.ш. 35-65° в.д.), скорость тренда - 0.004 за 10 лет.
Заключение
Определено положение границ биоклиматических зон (субгумидной, сухой субгумидной, семиаридной) на равнинах России по индексу аридности (отношению среднего ежегодного уровня осадков к потенциальной эвапотранспирации, вычисленной по методу Пенмана). Индекс аридности вычислялся для периода 1981-2010 гг. Преимущественно степные и отчасти лесостепные, широколиственно-лесные ландшафты локализуются в субгумидной зоне на Восточно-Европейской равнине. Степные, лесостепные и отчасти подтаежные ландшафты представляют субгумидную зону на Западно-Сибирской равнине.
Субгумидная зона характеризуется повышенной частотой атмосферных и почвенно-атмосферных засух в некоторых районах, которые можно рассматривать как эпизодически аридными.
Спутниковый индикатор деградации земель показывает значимый положительный тренд деградации в сухой субгумидной и семиаридной зонах и положительный, но неустойчивый в субгумидной.
В оценку засух, опустынивания/деградации целесообразно включать слабо и периодически аридные субгумидные земли.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Гидрометеорологические опасности. 2001. М.: Издательская фирма КРУК. 296 с.
Золотокрылин А.Н., Виноградова В.В., Мещерская А.В., Страшная А.И., Черенкова Е.А. 2014. Засухи и опустынивание. Второй оценочный доклад Росгидромета об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. М.: Росгидромет. С. 551-587. Золотокрылин А.Н., Черенкова Е.А. 2009. Площадь засушливых земель равнин России // Аридные экосистемы.
Т. 15. № 37. с. 5-12. Исаченко А.Г. 2002. Карта «Ландшафты». Экологический атлас России.
Конвенция Организации Объединенных Наций по борьбе с опустыниванием в тех странах, которые испытывают серьезную засуху и/или опустынивание. 1994. UN General Assembly. A/AC.241/27. 12 September 1994. RUSSIAN. Original: ENGLISH. URL:
http://www.unccd.int/fr/programmes/RioConventions/Pages/Rio-pllus-20-.aspx (дата обращения 05.05.2016). Куст Г.С. 2013. Еще раз об использовании и трактовке термина «опустынивание» в России // Аридные
экосистемы. Т. 19. № 3(56). С. 83-90. Куст Г.С., Розов С.Ю., Кутузова Н.Д. 2010. Антропогенная деградация черноземов как причина развития почвенной засухи, снижающей продуктивность сельскохозяйственных культур // Аридные экосистемы. Т. 16. № 1 (41). С.16-27.
Куст Г.С., Глазовский Н.Ф., Андреева О.В., Шевченко Б.П., Добрынин Д.В. 2002. Основные результаты по оценке и картографированию опустынивания в Российской Федерации // Аридные экосистемы. Т. 8. № 16.
С. 7-27.
Садоков В.П., Козельцева В.Ф., Кузнецова Н.Н. 2002. Образование атмосферно-почвенной засухи с учетом почвенной и атмосферной засушливости. Труды Гидрометцентра России. Вып. 337. С. 48-56.
Черенкова Е.А., .Золотокрылин А.Н. 2016. О сравнимости некоторых количественных показателей засухи // Фундаментальная и прикладная климатология. № 2. С. 79-94.
Черенкова Е.А. 2013. Количественные оценки атмосферных засух в Европейской России // Известия РАН. Серия географическая. № 6. С. 76-85.
Черенкова Е.А., Золотокрылин А.Н. 2012. Модельные оценки динамики увлажнения равнин России к середине XXI века // Метеорология гидрология. № 11. С. 29-37.
Черенкова Е.А., Золотокрылин А.Н. 2010. Реакция границ зон увлажнения равнин России на изменения климата // Метеорология гидрология. № 12. С. 17-25.
Черенкова Е.А. 2009. Сравнение показателей увлажнения суббореальных равнинных ландшафтов России // Аридные экосистемы. Т. 15. № 40. С. 5-12.
Черенкова Е.А., Шумова Н.А. 2007. Испаряемость в количественных показателях климата // Аридные экосистемы. Т. 13. № 33-34. С. 55-67.
Хайес М., Вуд Д. 2012. Всемирная метеорологическая организация: Руководство для пользователей стандартизированного индекса осадков. М.: Свобода. ВМО-№ 1090, Женева. 18 с.
AllenR.G., PereiraL.S., RaesD., SmithM. 1998. Crop evapotranspiration-Guidelines for computing crop water requirements-FAO Irrigation and drainage paper 56. Rome: FAO. 300 p.
Harris I., Jones P.D., Osborn T.J., Lister D.H. 2014. Updated high-resolution grids of monthly climatic observations -the CRU TS3.10 Dataset // International journal of climatology. Vol. 34. P. 623-642.
McKee T.B., Doesken N.J., Kliest J. 1993. The relationship of drought frequency and duration to time scales. Proceedings of the 8th Conference on Applied Climatology. Anaheim, USA. З. 179-184.
Palmer W. C. 1965. Meteorological Droughts, US Department of Commerce Weather Bureau Research. Paper 45. 58 p.
Penman H.L. 1948. Natural evaporation from open water, bare soil and grass. Proceedings of the Royal Society. London. A 193. P. 120-146.
Thornthwaite C. W. 1948. An approach toward a rational classification of climate. Geografical review. Vol. 38. P. 5594.
UNCED. 1992. Rio de Janeiro. P. 1-12.
UNESCO. Map of the World Distribution of Arid Regions. UNESCO, Man and the Biosphere (MAB). 1979. Technical Notes 7. Paris.
Van der Schrier G., Briffa K.R., Jones P.D., Osborn T.J. 2006. Summer moisture variability across Europe // Journal of Climate. V. 19. P. 2818-2834.
