CC BY
58УДК 633.63.631.58
Динамика атмосферного давления и параметров ветра восточной части Краснодарского края и их влияние на посевы сахарной свёклы
A.В. ЛОГВИНОВ, директор, канд. с/х. наук, Д.Н. ЗАПИСОЦКИЙ, ст. научн. сотрудник, С.М. ВОЛОДИНА, метеоролог ФГБНУ «Первомайская селекционно-опытная станция сахарной свёклы» (e-mail: 1maybest@mail.ru)
B.В. МОИСЕЕВ, д-р экон. наук, профессор
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина»
Введение
Климат больших территорий формируется под воздействием комплекса физико-географических условий, из которых наиболее важными являются солнечная радиация, циркуляция атмосферы и подстилающая поверхность.
Ветры могут изменять погоду, перемещая огромные массы тёплого или холодного воздуха, облака, а вместе с ними и осадки. Именно ветер переносит влажный воздух океанов на материки.
Ветер не относится к числу факторов, существенно необходимых для жизни растений. Наоборот, его роль в процессе формирования урожая культур в подавляющем большинстве случаев является отрицательной. Сильные ветры оголяют корни растений, выдувают из почвы посевы, вызывают полегание и механические повреждения растений, сносят верхний плодоносный слой почвы и вызывают пыльные бури. Наибольшее зло приносят они в засушливых зонах: увеличивают испарение, в короткий срок иссушают почву, понижают влажность воздуха и тем самым вызывают суховеи.
Задачи исследования
Предметом рассмотрения данной работы является анализ ди-
намики изменения атмосферного давления и климатических параметров ветра, влияющих на условия поверхностного слоя почвы в период сева, развития растений сахарной свёклы в течение вегетации, условий цветения и плодо-образования семенных растений в восточной части Краснодарского края.
Метеонаблюдения
и климатическая характеристика
Территория, обслуживаемая метеостанцией Первомайской селекционно-опытной станции сахарной свёклы, входит во второй климатический регион Краснодарского края, по совокупности метеорологических характеристик относящийся к континентальному [1].
Климат исследуемого района складывается под воздействием циркуляционных процессов Южной зоны умеренных широт. Воздушные массы, оказывающие влияние на климат, могут быть самыми разными как по своим физическим свойствам, так и по происхождению. Эта территория доступна для свободного вторжения холодных масс из Арктики. С Атлантики сюда приходят морские воздушные массы. В холодную часть года погодные условия здесь
определяются, как правило, непосредственным влиянием отрога барического максимума. По его юго-западной периферии происходит вынос с востока и юго-востока, зимой мало увлажнённого и очень холодного, а весной тёплого и сухого воздуха. При этом восточные ветры часто достигают большой силы. В малоснежные зимы и ранней весной эти ветры нередко вызывают пыльные бури. Другой характерной чертой атмосферной циркуляции в холодный период являются довольно частые выносы теплого воздуха из района Чёрного моря и сопредельных с ним южных территорий. Обычно это бывает при выходах так называемых южных циклонов, вызывающих обильные осадки и резкие потепления.
Тёплое полугодие характеризуется преимущественно западно-восточным переносом воздушных масс по периферии полосы высокого давления (азорского происхождения), что обусловливает устойчиво жаркую погоду с большим числом ясных дней. Нередко такая циркуляция нарушается прорывами западных и южных циклонов, вызывающих сильные ливневые осадки с грозами, а иногда и градом. Свободный доступ с северных районов холодного воз-
Мм рт. ст. 758,0
1948-1970 1971-2000 2001-2018 1948-2018
Месяц
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Рис. 2. Годовой ход атмосферного давления за различные климатические периоды
духа, а с юга — тёплого, активная циклоническая деятельность приводят к частому возникновению опасных явлений погоды: сильных ливней, ветров, пыльных бурь, града, приносящих иногда заметный ущерб сельскому хозяйству.
Измерение атмосферного давления и параметров ветра проводили на метеостанции Первомайской селекционно-опытной станции сахарной свёклы по общепринятым методам [5, 6] каждые 6 часов на стандартном метеорологическом оборудовании: для измерения атмосферного давления на уровне станции применяется барометр чашечный стационарный СР-А; для измерения характеристик ветра применяются флюгеры Вильда с лёгкой и тяжёлой доской (ФВЛ и ФВТ), установленные на высоте 10 м от поверхности земли. Число суховейных дней по месяцам исчислено по методике Е.А. Цубербиллер [2]. Для определения этого показателя использовался также станционный психрометр, состоящий из двух психрометрических (ртутных) термометров ТМ4-2 ГОСТ 112-78 [5].
Динамика атмосферного давления
Непосредственной причиной возникновения ветра (горизонтального перемещения воздуха) является различие атмосферного давления в различных точках земной поверхности, создающее горизонтальный барический гради-
ент. Ветер всегда дует из областей с высоким давлением в области с низким давлением и характеризуется направлением, скоростью и силой. Движение воздуха, возникшее под действием силы барического градиента, происходит по сложной траектории, обусловленной взаимодействием силы градиента с отклоняющей силой вращения Земли, центробежной силой и силой трения [10].
Атмосферное давление — величина, изменчивая в пространстве вследствие неравномерного прогрева подстилающей поверхности инсоляцией, а также неодинакового прогревания воздуха над водной поверхностью и сушей, что и является причиной воздушных течений.
Наблюдения за атмосферным давлением на метеостанции ФГБНУ «Первомайская селекционно-опытная станция сахарной свёклы», находящейся в Гульке-
вичском районе, проводятся с 1948 г.
Среднегодовое атмосферное давление за 70 лет исследований (1948-2018 гг.) составило 752,9 мм ртутного столба (рис. 1). Динамика атмосферного давления имеет хорошо выраженный годовой ход с максимумом в холодный период и минимумом — в тёплый (рис. 2). Максимальная среднегодовая величина ртутного столба 756 мм прослеживается с октября по январь. С февраля давление плавно понижается. Минимум его приходится на июль и составляет 749 мм рт. ст. В августе и сентябре происходит рост давления. За годы наблюдений абсолютный максимум был в марте 1990 г. — 776 мм рт. ст., абсолютный минимум — в апреле 2003 г. — 730,8 мм рт. ст.
Влияние изменения параметров
ветра на сахарную свёклу
Наблюдения за ветром по флюгеру на метеостанции ведутся с 1937 г. (за исключением 1942— 1943 гг.). На рис. 3 представлен график изменчивости среднегодовой скорости ветра на станции ФГБНУ Первомайской СОС за период с 1937 по 2018 г. (за исключением 1942—1943 гг.).
Линейный тренд на рис. 3 свидетельствует, что значение средней годовой скорости ветра за весь период наблюдений не претерпело заметных изменений. А по кривой полинома 5-й степени видно, что
Мм рт. ст.
Рис. 1. Динамика среднегодового атмосферного давления за 70-летний климатический период (1948—2018гг.)
у; м/с
у = 0,0012х + 3,1859 /
1/
* •гу м г Л/ д /
1937 1949 1959 1969 1979 1989 1999 2009
Рис. 3. Межгодовые изменения среднегодовых величин скорости ветра, м/с (19372018 гг., кроме 1942-1943 гг.)
с 1937 г. (первый год наблюдений) по начало 70-х гг. происходило постепенное увеличение среднегодовой скорости ветра, далее этот показатель снижается до начала
2000-х гг., и затем наблюдается резкое увеличение скорости ветра. Средние значения среднегодовых скоростей ветра по этим периодам составляют: 1937—1970 гг. — 3,3 м/с, 1971-2000 гг. - 3,1 м/с,
2001-2018 гг. - 3,4 м/с и за весь период наблюдений с 1937 по 2018 г. - 3,2 м/с. Исходя из этого средние месячные скорости ветра были нами проанализированы отдельно в указанные климатические периоды (рис. 4).
Рисунок 4 позволяет оценить амплитуды сезонных изменений средней скорости ветра исследу-
емого региона за вышеуказанные климатические периоды. Скорость ветра имеет хорошо выраженный годовой ход с максимумом в холодный период и минимумом в тёплый. За последний период (2001-2018 гг.) наблюдается увеличение среднегодовой скорости ветра, в основном за счёт увеличения скорости ветра в начале года: февраль, март и апрель преимущественно восточного и северо-восточного направления (см. рис. 6), а также в тёплые месяцы - июль, август и сентябрь с увеличением западного, северо- и юго-западного направлений.
Ветер оказывает существенное влияние на почвообразовательные процессы. Большинство почв восточной зоны края подвержены
дефляции - дефлированные и слабо дефлированные. Территория станции относится к зоне сильной ветровой эрозии [4].
Дефляция почв представляет собой процесс захвата и переноса ветром рыхлого поверхностного материала, проявляется в районах с низким и неустойчивым выпадением осадков, большими перепадами температуры и испарения, а также сильным ветром. При минимальной скорости ветра
9-10 м/с образуется пыльный поток. Во многих районах пыльная буря возникает при скорости ветра
10-12 м/с, а на лёссовых почвах -при 5 м/с и менее. С усилением ветра (до 15 м/с) активно переносятся почвенные агрегаты диаметром 1-2 мм, а если скорость ветра свыше 15 м/с, то легко перемещаются агрегаты размером 2-3 мм. При сильных пыльных бурях происходит сдувание верхнего слоя почвы, семенного материала и даже растений. Необходимым условием для возникновения пыльных бурь в Краснодарском крае является наличие засушливого периода не менее 10-15 дней на значительной территории, недобор осадков (менее 50 % нормы) в предшествующий период, а также усиление ветра до 15 м/с и более. Пыльные бури на пахотных землях развиваются особенно активно в случае распыления верхнего слоя почвы при содержании в нем свыше 50 % частиц, размер которых составляет менее 1 мм в диаметре [3, 7].
Пыльные бури и связанные с ними ветровые эрозии причиняют большой ущерб сельскому хозяйству. Во многих районах Краснодарского края во время посева сахарной свёклы и сразу после него часто возникают пыльные позёмки, которые приводят к необходимости пересева этой культуры.
Ветровая эрозия почв (пыльные позёмки) начинается при некоторых критических значениях скорости ветра и зависит от рельефа
V, м/с
Рис. 4. Годовой ход среднемноголетней скорости ветра за различные климатические периоды
местности и подстилающей поверхности с учётом её свойств, т. е. структуры, общего состояния, особенностей растительного покрова, степени закреплённости и увлажнённости почвы [7].
Начиная с 1970 г. нами было проанализировано количество случаев ветра (в %) с градацией по его скорости от 0 (штиль, затишье) до 5 м/с — слабый ветер, практически не влияющий на культурные растения и сельскохозяйственные работы; от 6 до 9 м/с — способный вызывать пыльные позёмки и суховеи; 10 м/с и более — способный вызывать пыльные бури и интенсивные суховеи (рис. 5). Обычно скорость ветра в течение дня возрастает, достигает максимума к полудню, а к вечеру убывает.
Из данных рис. 5 видно, что с начала 1970-х по начало 2000-х гг. происходил рост числа случаев штилей и слабого ветра до 5 м/с (включительно) и снижение количества случаев с ветром больше 5 м/с. С начала 2000-х гг. происходило снижение числа штилей и ветра до 5 м/с и резкое увеличение ветра в диапазоне 6—9 м/с, а также постепенное увеличение ветра 10 м/с и более, что обусловливает необходимость проведения проти-воэрозионных мероприятий при агротехнике семенных и фабричных посевов сахарной свёклы.
На территории края наблюдается большая повторяемость сильных ветров (со скоростями более 15 м/с). Среднее число дней с сильным ветром колеблется от 15 до 30 дней в год [3]. По многолетним данным нашей метеостанции, в Гулькевичском районе среднегодовое число дней с сильным ветром (>15 м/с) в среднем составляет 16 дней. Максимальное их число в 1969 г. достигло 34 дней. Наибольшая повторяемость сильных ветров за 49 лет наблюдается в январе и апреле (рис. 6). При этом следует отметить, что за последние 18 лет увеличилось число случа-
100 90 80 70
о/ %
У = 0,001х + 84,941
—- 0-5 м/с
-Линейная (0-5 м/с)
-Полиномиальная
(0-5 м/с)
Год
1970 1980 1990 2000 2010
25 20 15 10 5 0
/о
. А у = 0,0239х + 12,078 /
у = -0,0249х + 2,. %—м-«»—-А-^ д 804
■ ш ■ - Т д ___^" Г^-*-=*=■ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1970 1980 1990 2000 2010
6-9 м/с
10 м/с
Линейная (6-9 м/с)
Полиномиальная (6-9 м/с)
Линейная (10 м/с)
Полиномиальная (10 м/с)
Рис. 5. Межгодовые изменения случаев (в %) с градацией скорости ветра от 0 (штиль) до 5м/с, 6—9 и >10 м/с за период с 1970 по 2018 г.
ев сильного ветра в апреле, когда проводятся полевые работы по посеву сахарной свёклы и уже высажены семенные корнеплоды — штеклинги.
Самый сильный ветер наблюдается с января по май включительно. В это время дует ветер различных направлений в зависимости от выноса воздушных масс, но преобладающим остаётся восточный. Ежегодно его скорость достигает 16 м/с с максимальным порывом
до 22—25 м/с. С июня по сентябрь сила ветра немного ослабевает. Средняя скорость — 8—12 м/с с максимальным порывом 16— 18 м/с. Однако за многолетний период наблюдений отмечены годы, когда в июне — сентябре максимальные порывы могут достигать 20 м/с. С октября по декабрь средняя скорость ветра также 8—12 м/с, но максимальный порыв достигает 24 м/с. Ветер ураганной силы (свыше 29 м/с) наблюдался
25 20 15 10 5 0
о/ /
. А и = 0,0239х + 12,078 /
ЧЛти
и = -0,0249х + 2, 9804
.......'Л Л^^^г-ъ^
1970
1980
1990
2000
2010
—»-6-9 м/с
-"- 10 м/с
-Линейная (6-9 м/с)
-Полиномиальная
(6-9 м/с) -Линейная (10 м/с)
_ Полиномиальная Год ,„„
(10 м/с)
Рис. 6. Годовой ход среднемноголетних случаев (%) скорости ветра с градацией >16м/с за период с 1970 по 2018 г.; отдельно за 1970—2000 и 2001—2018 гг.
с февраля по апрель включительно в 1975, 1980, 2003 гг. Максимальный порыв составил 34 м/с.
Важнейшей характеристикой ветрового режима территории является его направление. Из общего числа наблюдений за ветром можно выделить основные его направления по повторяемости, выраженной в процентах за различные периоды. Направление ветра определяют с помощью розы ветров, которая представляет собой диаграмму распределения числа случаев ветра по 8 основным румбам (направлениям). Роза ветров позволяет выявить преобладающие направления ветра (рис. 7 и 8).
з i i i i
юз
в
ю
—1937-2018 -*'— 1937-1970 —1971-2000 —*—2001-2018
Рис. 7. Годовые розы повторяемости ветра (%), рассчитанные по различным периодам в целом с 1937по 2018 г.
Мм рт. ст. 80,0
70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0
III IV
VI VII VIII IX X XI XII
•—Восточный ветер, %
в— Западный ветер, % Осадки, мм
— Полиномиальная (восточный ветер, %)
— Полиномиальная (западный ветер, %)
— Полиномиальная (осадки, мм)
Месяц
Рис. 9. Годовой ход среднемноголетних случаев (%) ветров восточного и западного румба и сумма осадков по месяцам (мм), рассчитанные за 80лет наблюдений
По данным рис. 7 видно, что основные направления ветра за весь период наблюдения и по указанным периодам практически не различались. Преобладающими направлениями, по многолетним исследованиям, являются восточное и северо-восточное. Средняя годовая продолжительность преобладающих восточного и северовосточного сухих ветров за 80 лет составила 49,2 %, а ветров западных и юго-западных направлений, приносящих осадки, — 31,1 %.
Из общего числа наблюдений с 1937 по 2018 г. затишье составляет 17,7 % случаев. В период с 1937 по 1970 г. отмечено увеличение числа случаев с ветром (затишье 5,4 %), затем с 1971 по 2018 г. происходило увеличение числа штилей (затишье 25,1-27,0 %).
Территория Краснодарского края является местом столкновения различных систем атмос-
ферной циркуляции. Сезонные изменения повторяемости ветров исследуемой территории по основным румбам представлены на рис. 8.
Восточные ветры приходят к нам с Арало-Каспийской низменности. Зимой они несут низкие температуры, незначительную относительную влажность воздуха и отличаются длительностью и постоянством (ветры восточного, северо- и юго-восточного направлений составляют 62 % за 80 лет наблюдений). При этом восточные часто достигают большой силы. В малоснежные зимы и ранней весной эти ветры нередко вызывают пыльные бури, а при снеге — низовые метели. Весной такие ветры (55,9 %) способствуют быстрому снеготаянию и иссушению почвы. Летом они сопровождаются высокой температурой, очень низкой влажностью воздуха и бы-
Зима С
Весна
Лето
Осень
40,0
ЮВ
ЮВ
ЮВ
Ю Ю Ю
Рис. 8. Сезонные розы повторяемости ветра (%), рассчитанные за период с 1937по 2018 г.
ЮВ
В
В
В
В
Дни
120
0 1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111 1937 1948 1958 1968 1978 1988 1998 2008 2018
Рис. 10. Число суховейных дней за период вегетации сахарной свёклы с апреля по сентябрь за период с 1937по 2018 г.
вают менее продолжительными (48,5 %).
Ветер западного и юго-западного направлений усиливается летом преимущественно в июне и июле за весь период наблюдений: 22,7 % — западное направление, 16,4 % — юго-западное. В августе начинается постепенный обратный переход на ветры восточных румбов (26,7 % восточного направления и 24,0 % — северо-восточного).
За осенний период среднее направление северо-восточного ветра за 80 лет наблюдений составило 21,8 %, восточного — 32,1 %, юго-западного — 11,1 %, западного - 16,8 %.
Движение воздушных масс обусловливает перенос облаков с осадками. Рисунок 9 наглядно демонстрирует тесную зависимость количества осадков и числа случаев западного направления ветра. Как показано на графике, полином 5-й степени румбов западного ветра повторяет амплитуду полинома суммы осадков по месяцам года, что, несомненно, доказывает их прямую зависимость. А полином восточного ветра имеет обратную направленность отклонения, что подтверждает их отрицательную зависимость.
Засухи и суховеи различной интенсивности наблюдаются почти ежегодно в южных районах све-
клосеяния. В зонах недостаточного и неустойчивого увлажнения они наносят наибольший ущерб сельскому хозяйству. Ранее приведённые данные показывают, что в зоне неустойчивого увлажнения Краснодарского края наблюдается устойчивое усиление засушливых явлений [8]. Особенно в последние годы наблюдается заметное сокращение осадков в летние месяцы, сопровождающиеся ростом среднемесячных температур, что приводит к снижению показателей гидротермических коэффициентов (ГТК) Селянинова [9].
По данным рис. 10, весь период наблюдений суховейных дней можно условно разделить на два временных периода: с 1937 по
1990 г., когда происходило снижение числа суховейных дней, и с
1991 по 2018 г. — увеличение числа дней с суховеями.
За вегетационный период сахарной свёклы (ГУ—ГХ месяцы) по многолетним данным (1937— 2018 гг.) в среднем бывает 56,5 суховейных дней, из которых 66 % приходится на дни со слабыми ветрами, которые не приносят особого вреда. А в последние годы (2001—2018-й) наблюдается увеличение числа суховейных дней до 63. При этом следует отметить, что
Дни
Дни
Слабые Средней Интенсивные Очень
интенсивности интенсивные
Климатический период: а
1937-2018
1937-1990
1991-2018
2001-2018
Рис. 11: а) число суховейных дней по месяцам с апреля по сентябрь; б) число суховейных дней различной интенсивности за период вегетации сахарной свёклы с апреля по сентябрь по различным климатическим периодам в целом с 1937по 2018 г.
увеличение их числа было за счёт более интенсивных суховеев: средней интенсивности, интенсивных и очень интенсивных, которые наиболее пагубно влияют на растения сахарной свёклы и другие сельскохозяйственные культуры (рис. 11).
Выводы
Таким образом, результаты анализа временных изменений параметров ветрового режима восточной части Краснодарского края подтверждают факт, что значение средней годовой скорости ветра за весь период наблюдений не претерпело заметных изменений, но в последние годы наблюдается резкое увеличение скорости ветра, что приводит к усилению дефляционных процессов и суховеев, приносящих вред сельскому хозяйству. При этом произошло увеличение числа случаев с затишьем. Основные направления ветра за весь период наблюдения практически не изменились. Преобладающими направлениями, по многолетним наблюдениям, являются восточное и северо-восточное. На фоне усиления засушливых явлений в последние годы произошло увеличение числа дней с суховеями высокой интенсивности.
Для преодоления негативного воздействия на посевы сахарной свёклы необходимо проводить комплексные мероприятия:
— усовершенствовать систему агротехнических мероприятий, направленных на снижение негативного воздействия ветровой эрозии и суховеев;
— при выращивании корнепло-дов-штеклингов маточной сахарной свёклы и производстве семян обязательно применять орошение;
— разработать селекционные программы, направленные на по-
вышение общей устойчивости сахарной свёклы к стресс-факторам;
— проводить производственные (фабричные) посевы сахарной свёклы только районированными гибридами.
Список литературы
1. Агроклиматические ресурсы Краснодарского края / Под. ред. З.М. Русеева и Ш.Ш. Народец-кой. — Гидрометиздат, 1975. — 276 с.
2. Агроклиматический справочник по Краснодарскому краю. — Краснодар : Краснодарское книжное изд-во, 1961. — 468 с.
3. Белюченко, И.С. Экология Краснодарского края (региональная экология) : Учеб. пособие. — Краснодар : ФГОУ ВПО «Кубанский ГАУ». — 2010. — 356 с.
4. Методические указания по проведению практических занятий по дисциплине «Экологическое почвоведение» для подготовки аспирантов по направлению 35.06.01 «Сельское хозяйство», профиль «Агрофизика» / сост.
B.Н. Слюсарев, В.И. Терпелец, Т.В. Швец. — Краснодар : КубГАУ, 2014. — 28 с.
5. Наставления метеорологическим станциям и постам. — Вып. 3.
— Ч. 1. — Гидрометиздат, 1985. — 301 с.
6. Психрометрические таблицы.
— Гидрометиздат. — 1981. — 270 с.
7. Специализированные прогнозы погоды : Учеб. пособие / Отв. ред. В.И. Воробьев, А.Ф. Кивга-нов. — Л. : ЛГМИ, 1991. — 112 с.
8. Суслов, В.И. Влияние климатических условий на формирование урожая сахарной свёклы в зоне неустойчивого увлажнения Юга России / В.И. Суслов [и др.] // Сахарная свёкла. — 2015. — № 5.
— С. 31—34.
9. Суслов, В.И. Изменения основных климатических параметров восточной части Краснодарского края / В.И. Суслов [и др.] // Сахарная свёкла. — 2013. — № 1. —
C. 7—10.
10. Чирков, Ю.И. Агрометеорология / Ю.И. Чирков. — Л. : Гидро-метеоиздат, 1986. — 296 с.
Аннотация. Представлен многолетний анализ динамики атмосферного давления и основных параметров режима ветра. Атмосферное давление и скорость ветра имеют хорошо выраженный годовой ход с максимумом в холодный период и минимумом - в тёплый. Основные направления ветра за весь период наблюдения практически не изменились, преобладающими являются восточное и северовосточное. В последние годы выявлено увеличение сильного ветра и суховеев высокой интенсивности наряду с сокращением общего числа случаев с ветром. Для преодоления негативного воздействия на посевы сахарной свёклы авторами предложено проведение комплексных мероприятий.
Ключевые слова: атмосферное давление, скорость и направление ветра, роза ветров, ветровая эрозия, дефляция, суховеи.
Summary. A long-term analysis of the dynamics of atmospheric pressure (1948-2018) and the main parameters of the wind regime (1937-2018) is presented. Atmospheric pressure and wind speed have a pronounced annual variation with a maximum in the cold period and a minimum in the warm one. The main wind directions for the entire observation period remained virtually unchanged, with east and northeast dominating. In recent years there has been an increase in strong wind (>6 m/s) and dry winds, and the total number of cases with wind has decreased.
Keywords: atmospheric pressure, wind speed and direction, wind rose, wind erosion, deflation, dry winds.
