CC BY
16
ВЕСТНИК БЕЛОРУССКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ
АКАДЕМИИ № 1 2016_
МЕЛИОРАЦИЯ И ЗЕМЛЕУСТРОЙСТВО
425.2:551.58:519.22/.25(476)
ПРИМЕНЕНИЕ ВРЕМЕННОЙ РАЗВЕРТКИ ДЛЯ АНАЛИЗА КЛИМАТИЧЕСКОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ЦИКЛОВ ПОЧВЕННОЙ ЗАСУХИ В БЕЛАРУСИ
В. И. ВИХРОВ
УО «Белорусская государственная орденов Октябрьской Революции и Трудового Красного Знамени сельскохозяйственная академия», г. Горки, Могилевская область, Беларусь, 213407
(Поступила в редакцию 23.11.2015)
Показана необходимость учета цикличности показателей неблагоприятных водных явлений на почвах сельскохозяйственного использования. Приведена методика и принципиальная схема применения временной развертки для оценки климатической трансформации циклической структуры показателей почвенной засухи в условиях естественного водного режима и оросительных мелиораций. С использованием 70-летних модельных рядов сезонной продолжительности почвенной засухи и оросительной нормы пастбища для шести областных метеостанций рассчитаны их спектрально-временные диаграммы. Для большей части территории Беларуси установлена климатическая трансформация доминирующего в первой половине 70-летнего периода 4-летнего цикла колебаний на более высокочастотную 2-3-летнюю цикличность. В локализованной юго-западной зоне республики при наличии примерно до 80-х гг. прошлого века 2-летнего цикла за последние десятилетия сформировалась 11-12-летняя значимая цикличность.
Ключевые слова: почвенная засуха, цикличность, временная развертка, климатическая трансформация.
We have shown the necessity of taking into account cyclical indicators of adverse water effects on agricultural lands. We have presented methods and the concept of the use of timebase to assess climate transformation of the cyclic structure of soil drought indicators in the conditions of natural hydrological regime and irrigation reclamation. With the use of 70-year model series of seasonal duration of soil drought and irrigation norm of pasture for six regional meteorological stations, we have calculated their spectral and timing diagrams. For most of the territory of Belarus, we have established climatic transformation of 4-year cycle of oscillation, dominant in the first half of the 70-year period, into more high frequency 2-3-year periodicity. In the localized area of the south-west of the Republic with 2-year cycle present up to about 1980s, there has formed over the last decades 11-12-year periodicity.
Keywords: soil drought, periodicity, timebase, climatic transformation.
Введение
Изменение регионального климата Беларуси в XXI веке становится все более очевидным фактом, требующим адекватного его учета в сельскохозяйственном производстве. Одним из наиболее существенных проявлений данного изменения на фоне общего потепления в зоне неустойчивого увлажнения является рост интенсивности и частоты наступления почвенной засухи [1-4].
Климатические факторы и показатели неблагоприятных водных явлений (НВЯ) на почвах сельскохозяйственного использования характеризуются значительной многолетней изменчивостью, которая имеет сложную стохастически-детерминированную физическую природу [4-6]. Соотношение случайной и генетической составляющих общей изменчивости временного ряда оценивается путем выявления статистически значимых монотонных и циклических трендов. В результате возможно существенное уменьшение общей дисперсии исследуемого показателя, что повышает надежность и точность его вероятностной и прогнозной оценок.
Большинство исследований цикличности указанных факторов и показателей НВЯ посвящено изучению метеорологических элементов (осадки, температура воздуха и т.п.), лишь косвенно определяющих водный режим почв (ВРП) [6-8]. Более объективный подход к исследованию временной структуры НВЯ должен базироваться на использовании в качестве исходных данных многолетних рядов непосредственных показателей ВРП, рассчитанных водобалансовым методом. В частности, ранее нами методами спектрального анализа исследована циклическая структура 60-летних модельных рядов сезонных показателей ВРП, полученных по 30 опорным метеостанциям Беларуси на основе программ RETRO-1,2,3 [9].
Исследования показали качественно различный характер цикличности НВЯ на разных временных отрезках 60-летнего интервала, что объясняется ее климатической трансформацией. Однако более пол-
ное и детальное изучение непрерывного изменения длины и статистическом значимости циклов предполагает применение соответствующих усовершенствованных методов исследований.
В настоящее время для оценки трансформации цикличности климатических процессов находят применение методы временн0й развертки [5, 10, 11]. Одним из ее вариантов является метод спек-трально-временн0го анализа (СВАН), который в частности использован в работе А. А. Волчека при анализе речного стока [5]. В нашем случае применение данного метода позволяет выявить непрерывную динамику климатической трансформации циклов показателей водного и гидромелиоративного режимов почв [10].
Основная часть
В методе временшй развертки спектры вариаций вычисляются на скользящих временных отрезках общего ряда и изображаются в виде квазитрехмерных графиков - СВАН-диаграмм [5, 11]. Спектр вариаций есть набор амплитуд гармонических составляющих, которые получаются спектральным разложением флуктуирующей величины на конкретном временшм отрезке (окне). Периоды гармоник (продолжительность циклов) Тц и обратные им величины - частоты J на СВАН-диаграммах откладывают на вертикальной оси. На горизонтальной оси показывают время, соответствующее середине окна, с принятым интервалом шага скольжения А/. Глубина тона (степень затемненности) поля графика отвечает соответствующей амплитуде (уровню значимости) текущей оценки спектральной функции.
В разработанном нами варианте компьютерной программы «СВАН» [12] оттенками разной глубины тона показываются зоны спектральной функции, находящиеся выше верхних границ случайного процесса (ВГ) при 10, 5 и 1%-ном уровне значимости.
При использовании данной программы порядок и алгоритм выполнения спектрально-временшго анализа климатической трансформации показателей ВГРП включают следующие этапы.
1. С помощью программ RETRO-1,2,3 рассчитываются исходные многолетние временные ряды показателя ВРП общей длиной L лет.
2. Определяется длина скользящего временшго окна (n, лет), для которого на каждой позиции общего ряда (временн0м срезе) рассчитывается своя оценка спектральной функции. Длина окна должна быть достаточно продолжительной для обеспечения статистической достоверности и точности расчетов (n не менее 25-30 лет). В то же время с целью выявления текущей динамики временн0й трансформации показателя ВРП она не должна быть слишком большой (более 40-50 лет). При этом число n должно быть четным.
3. Рассчитывается спектральная функция (спектр) временшго ряда n, которая описывает распределение дисперсии ряда по отдельным частотам гармонических колебаний
1 I m-i
Sj =1 к +
m I tí
^Co^l — jl i m
X- i)j
(1)
где Sj - оценка несглаженного спектра временного ряда (доля его общей дисперсии, учитываемой j -й гармоникой); Yfij = 1; т = n/2 - максимальное запаздывание временного ряда, лет; r0, rl, rm - коэффициенты автокорреляции соответственно при запаздывании т = 0, l, т.
Крайние спектральные оценки So и Sm , рассчитанные согласно (1), должны быть разделены пополам. После расчета «сырых» оценок спектра Sj выполняется их сглаживание скользящим средним:
Sf = 0,25Sj_i + 0,5Sj + 0,25Sj+i. (2)
Рассчитываются верхняя (ВГ) и нижняя (НГ) границы случайного процесса при уровнях значимости а = 5 % и 1 %.
ВГ = S6Dpva ; НГ = SsDpn0(Уа (3)
где Dpva, Dpn100-a - соответственно верхний и нижний доверительные пределы при уровне значимости а.
2 2 Dpva = ^ ; Dp^ = ^ (4)
V
где %2а - табличное значение распределения %2 с числом степеней свободы V.
4. Назначается шаг скольжения временного отрезка (А/, лет) от одного до нескольких лет, обеспечивающий необходимую детализацию исследуемой временной трансформации. Длина шага А/ должна быть кратной длине общего ряда Ь. Наибольшая детализация соответствует минимальному шагу в один год (А/ = 1).
5. Первый временной срез соответствует начальному (крайнему левому) положению скользящего временного окна на общем временном ряде, когда его первый расчетный год окна совпадает с пер-
+ r
вым расчетным годом всего ряда Ь. Соответственно последний временной срез соответствует конечному (крайнему правому) положению скользящего временного окна на общем временном ряде.
6. Количество временных срезов в соответствии с вышеуказанными параметрами определяется по зависимости
д = ^ +!. (5)
1с л 1
А/
7. После ввода в программу всех принятых параметров выполняется расчет с выдачей соответствующего графика в виде СВАН-диаграммы. Принципиальная схема расчета СВАН-диаграммы показана на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема расчета СВАН-диаграммы временн0го ряда показателя ВРП В качестве исходных данных для исследования непрерывной динамики трансформации цикличности многолетних колебаний почвенной засухи в данной работе приняты 70-летние ряды (1945-2014 гг.) двух показателей ВРП для условий супесчаных почв, используемых под пастбище: продолжительность почвенной засухи (Тзас , сут.) - RETRO-1 (естественный водный режим); оросительная норма (М, мм) - RETRO-2 (условия орошения).
При расчетах продолжительности почвенной засухи критический уровень влагозапасов почвы составлял 65 % наименьшей влагоемкости, а для оросительной нормы использована методика с переменной нижней границей регулирования влагозапасов почвы [12, 13].
Расчеты СВАН-диаграмм на данном этапе исследований выполнены по шести областным метеостанциям Республики Беларусь. В качестве характерного частного примера трансформации цикличности на рис. 2 приведены графики гармонических и спектральных функций скользящего окна n для начального (за период 1945-1974 гг.) и конечного (за период 1985-2014 гг.) срезов общего ряда L.
Первый временн0й срез (1945-1974 гг.)
Последний временн0й срез (1985-2014 гг.)
Рис. 2. Графики гармонических и спектральных функций многолетних рядов продолжительности почвенной засухи за апрель-сентябрь по метеостанции Витебск для двух временных срезов
Графики на рис. 2 показывают, что для периодов 1945-1974 гг. и 1985-2014 гг. спектральная плотность превышает верхнюю доверительную границу случайного процесса при 1%-ном уровне значимости на разных частотах (7 и 12). При длине ряда 30 лет это соответствует продолжительности цикла колебаний 4 года в первом временном срезе и 2,5 года - в последнем. Непрерывная временная развертка исследуемой трансформации циклов с шагом скольжения А! =1 год показана на СВАН-диаграммах рис. 3.
..........;..........
......... ..........¡...........
•
V
......... .............. , . . ! , ,
рр
,, , , ,, , ,, ,, , ,, , Ггщн
Витебск
Могилев
Брест
Минск
Гомель
б)
•
, , , ....;..г»
1975
1535
;с1-
Витебск
Брест
Минск
Гомель
Рис. 3. СВАН-диаграммы трансформации цикличности многолетних колебаний продолжительности почвенной засухи (а) и оросительной нормы (б) пастбища на супесчаных почвах для отдельных метеостанций с 1945 по 2014 гг.: .Т - частота колебаний; Тц - длина цикла колебаний, лет; -ВГ 10% ■ - ВГ 5% ■ - ВГ 1%
- зоны спектральной функции выше верхней границы случайного процесса при 10, 5 и 1%-ном уровне значимости
В расчетах приведенных СВАН-диаграмм приняты следующие параметры: длина исходных многолетних рядов Ь = 70 лет (с 1945 по 2014 гг.); длина скользящего временного окна п = 30 лет; шаг скольжения А/ = 1 год. Согласно формуле (5) количество временных срезов = 41.
На горизонтальной оси графиков подписаны годы начала и конца скользящего окна каждого пятого временного среза. На вертикальных осях графиков указаны частота (I) и длина циклов (Тц, лет) колебаний, под графиками - уровни значимости циклов.
Как видно из рис. 3, для пяти метеостанций наглядно прослеживается трансформация цикличности многолетних колебаний показателей Тзас и М, которая заключается в постепенной смене 4-летнего значимого цикла (средняя частота J = 7 колебаний за 30 лет) на значимую 2-3-летниюю цикличность (средняя частота J = 12 колебаний). Для отдельных метеостанций наблюдается «переходный период» с полным отсутствием значимой цикличности.
Заключение
Анализ результатов проведенных исследований и расчетов СВАН-диаграмм позволяет сделать следующие выводы.
Многолетняя изменчивость исследуемых показателей почвенной засухи в Беларуси характеризуется весьма большим диапазоном (размахом) колебаний при наличии статистически значимой цикличности. Для продолжительности почвенной засухи размах колебаний находится в пределах 0-120 суток, для оросительной нормы составляет 0-280 мм с коэффициентами вариации от 0,60 на юге до 0,85 на севере республики. Для всех областей отмечается климатическая трансформация цикличности исследуемых показателей засухи почв. Наиболее общей по территории Беларуси закономерностью этой трансформации за 70-летний период является смена доминирующего в первой половине периода статистически значимого 4-летнего цикла колебаний на более высокочастотную 2-3-летнюю цикличность.
Исключение характерно лишь для локализованной юго-западной зоны республики (метеостанция Брест), где при наличии примерно до 80-х гг. прошлого века 2-летнего цикла за последние десятилетия сформировалась 11-12-летняя значимая цикличность [8].
Характер преобладающей по территории трансформации цикличности показателей ВРП объясняется особенностью современного изменения климата, состоящей в увеличении частоты чередования экстремальных погодных условий, в том числе в многолетнем разрезе.
Установленную климатическую трансформацию многолетних рядов показателей водного и гидромелиоративного режимов почв следует учитывать при обосновании их проектных параметров. Выполненные ранее расчеты [9, 11] показали, что учет (удаление) выявленных циклических трендов позволяет уменьшить дисперсию исходных рядов показателей водного режима почв до 35-50 %.
Дальнейшие исследования климатической трансформации показателей водного и гидромелиоративного режимов на основе СВАН-диаграмм предполагают использование более плотной сети опорных метеостанций Беларуси, различных вариантов почвенных условий и сельскохозяйственных культур.
ЛИТЕРАТУРА
1. Логинов, В. Ф. Глобальные и региональные изменения климата: причины и следствия / В. Ф. Логинов. - Минск: ТетраСистемс, 2008. - 496 с.
2. Стихийные гидрометеорологические явления на территории Беларуси: справочник / Под ред. М. А. Гольберга. -Минск: БелНИИ Центр Экология, 2002. - 132 с.
3. Вихров, В. И. Климатическое сокращение сроков наступления почвенной засухи в Беларуси / В. И. Вихров // Вестник БГСХА. - 2012. - № 4. - С. 111-115.
4. Лихацевич, А. П. Оценка факторов, формирующих неустойчивую влагообеспеченность сельскохозяйственных культур в гумидной зоне / А. П. Лихацевич, Е. А. Стельмах /. - Минск: ООО «Белпринт», 2002. - 212 с.
5. Волчек, А. А. Закономерности формирования элементов водного баланса речных водосборов Беларуси в современных условиях: автореферат дис. ... д-ра. геогр. Наук / А. Н. Волчек. - М.: Институт географии РАН, 2006. - 38 с.
6. Сачок, Г.И. Пространственно-временная структура гидрометеорологического режима Белоруссии и прилегающих регионов / Г.И. Сачок. - Минск: Наука и техника, 1980. - 222 с.
7. Дроздов, О. А. Циклическая структура временного поля осадков и использование ее для прогноза / О. А. Дроздов,
A. С. Григорьева. - Обнинск, 1974. - 41 с.
8. Шпока, И. Н. Пространственно-временное распределение опасных метеорологических явлений на территории Беларуси: автореферат дис. ... канд. геогр. Наук / И. Н. Шпока. - М.: Институт природопользования НАН Беларуси, 2012. - 24 с.
9. Вихров, В. И. Циклическая структура многолетних колебаний водного режима почв и ее климатическая трансформация на территории Беларуси / В. И. Вихров // Вестник БГСХА. - 2007. - № 1. - С. 103-108.
10. Вихров, В. И. Климатические тренды водного и гидромелиоративного режимов почв на территории Беларуси /
B. И. Вихров // Природообустройство. - 2009. - № 2. - С. 48-53 .
11. Микуцкий, В. С. Анализ структуры динамики климатических процессов с помощью временной развертки / В. С. Микуцкий // Природопользование. - 2012. - Вып. 21. - С. 31-39.
12. Разработать методы оценки пространственно-временной изменчивости неблагоприятных водных явлений для их прогноза на минеральных почвах сельскохозяйственного использования в условиях Беларуси: отчет о НИР (заключ.) / БГСХА; рук. темы В.И. Вихров. - Горки, 2005. - 133 с. - № ГР 20042020.
13. Вихров, В.И. Методика оценки вероятности неблагоприятных водных явлений на минеральных почвах Беларуси /В.И.Вихров // Вестник БГСХА. - 2005. - №1. - С. 92-94.
