Сравнение показателей увлажнения суббореальных равнинных ландшафтов России Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

=————— СИСТЕМНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ -

УДК 551. 5

СРАВНЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ УВЛАЖНЕНИЯ СУББОРЕАЛЬНЫХ РАВНИННЫХ ЛАНДШАФТОВ РОССИИ1

© 2009 г. Е.А. Черенкова

Институт географии Российской академии наук Россия, 119017Москва, Старомонетный пер., д. 29. E-mail: [email protected]

Реферат. Исследование направлено на сравнение различных показателей увлажнения, характеризующих годовое увлажнение и увлажнение в сезон вегетации суббореальных равнинных ландшафтов России. Показано, что наряду с эталонными методами количественной оценки увлажнения засушливых ландшафтов, такими, как радиационный индекс сухости и коэффициент увлажнения Н.Н. Иванова-Г.Н. Высоцкого, к использованию может быть рекомендован коэффициент увлажнения К. Торнтвейта.

Ключевые слова: испаряемость, показатели увлажнения, суббореальные равнинные ландшафты России, изменение климата.

Территория исследования ограничена суббореальными равнинными ландшафтами России, включающими широколиственно-лесные, лесостепные, степные, полупустынные ландшафтные зоны (Ландшафтная карта, 1988), и входит в область максимального как наблюдаемого, так и прогнозируемого потепления (Груза, Ранькова, 2003; Ранькова, 2005; Оценочный доклад ..., 2008).

В дифференциации зональных ландшафтов, наряду с распределением тепла и влаги, огромную роль играет соотношение тепла и влаги. В качестве показателей степени их соразмерности используют радиационный индекс сухости М.И. Будыко (1971) - отношение годового радиационного баланса к энергетическому эквиваленту годовых осадков и коэффициент увлажнения - отношение годовой суммы осадков к годовой испаряемости. Оба показателя хорошо согласуются с зональной дифференциацией растительности.

Проблема заключается в сложности сопоставления количественных оценок увлажнения с фактическими границами зональных ландшафтов. В основе таких соответствий лежит представление о связи зональной дифференциации ландшафтов с климатическими зонами увлажнения.

В данной статье сравнительный анализ среднемноголетних значений показателей увлажнения суббореальных равнинных ландшафтов России проводился на основе данных наблюдений за температурой воздуха, осадками и относительной влажностью воздуха на 52-х метеостанциях за период 1936-2000 гг. и наблюдений за радиационным балансом на 20-ти актинометрических станциях за периоды 1961-1986 гг. и 1996-2000 гг. (Архив данных ВНИИГМИ-МЦД, 2008).

Радиациооный индекс сухости М.И. Будыко, используемый для разработки физико-географической классификации климата, в частности условий увлажнения (Григорьев, Будыко, 1959; Географический атлас, 1968), рассчитывается как отношение годового радиационного баланса подстилающей поверхности к сумме тепла, необходимого для испарения годового количества осадков на той же площади:

РИС = Ягод / L Pi-xii , (1)

где Ягод - годовой радиационный баланс;

L - скрытая теплота парообразования, 2.45 МДж кг-1;

1 Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 07-05-00593.

5

Pi-xii - сумма осадков за год (мм).

Наряду с радиационным индексом сухости используются коэффициент увлажнения Н.Н. Иванова-Г.Н. Высоцкого (Иванов, 1954) и гидротермический коэффициент Г.Т. Селянинова, успешно применяемые при определении границ зон увлажнения в агроклиматическом районировании территории (Атлас сельского хозяйства, 1960; Географический атлас, 1980; World Atlas, 1998).

Коэффициент увлажнения Н.Н. Иванова-Г.Н. Высоцкого (КУИВ) представляет собой отношение годовой суммы осадков к годовой испаряемости

КУИВ = Ргод / Е O од (2)

где Ргод - годовая сумма осадков в мм;

Е O год - годовая испаряемость в мм год-1;

Ео иеаное = 0.0018(25 + Т )2 (100 - r) (3)

где ЕО Иеаное - испаряемость в мм мес-1;

Т - средняя месячная температура воздуха в °С;

r - средняя месячная относительная влажность воздуха в %.

Среди различных индикаторов соотношения тепла и влаги гидротермический коэффициент (ГТК) Г. Т. Селянинова (Селянинов, 1928) является достаточно простым для вычисления, и в то же время вполне обоснованным. Значения ГТК вычисляются за период с активными температурами воздуха по формуле:

ГТК = 1Р>]0°с / 0.Ш>ю°с, (4)

где Р>ю°с - суточная сумма осадков в мм за период со средними суточными температурами воздуха выше 10°С; а TT>i0°C - сумма средних суточных температур воздуха за период со средними суточными температурами воздуха выше 10°С.

В общем виде ГТК выражает отношение суммы осадков (мм) за период с активными температурами к сумме температур за тот же период. Предполагается, что сумма активных температур, деленная на 10, численно, примерно равна испаряемости в миллиметрах, и в этом случае ГТК можно рассматривать как коэффициент увлажнения.

По определению, ГТК характеризует увлажнение территории за сезон активной вегетации. Одновременно он отражает обратное по сравнению с радиационным индексом сухости соотношение тепла и влаги (Будыко, 1956). Специфичность ГТК состоит в том, что он не является годовым индикатором соотношения тепла и влаги, а его чувствительность к влагонакоплению в предшествующие холодные сезоны невысока.

Одним из широко известных за рубежом показателей увлажнения, характеризующим годовое увлажнение, является коэффициент увлажнения К. Торнтвейта.

Годовые значения коэффициента увлажнения К. Торнтвейта (КУТ) рассчитываются по формуле (Thornthwaite, 1948):

КУТ = Pi-xii / EO , (5)

где Pi-xii - годовая сумма осадков в мм, EO - суммарная годовая испаряемость в мм по методу К. Торнтвейта (Thornthwaite, 1931).

Eo Торнтвейт = 1.6(10T /1 ) ,

где Eo торн— - испаряемость в см мес-1;

Т - средняя месячная температура воздуха, °С;

а = f(I), где I - тепловой индекс, учитывающий поправку на широту. Для расчета годовой испаряемости учитываются только месяцы с положительной средней месячной температурой воздуха.

Необходимо отметить, что коэффициент увлажнения К. Торнтвейта широко используется в засушливых регионах (World ..., 1992) и рекомендован Конвенцией по борьбе с опустыниванием (Unated ..., 1994). Метод К. Торнтвейта адекватно отражает зональные изменения средних многолетних значений испаряемости на территории юга Русской равнины и показывает хорошую согласованность с другими методами определения испаряемости (Черенкова, Шумова, 2007).

Наглядное представление о соотношении коэффициента увлажнения К. Торнтвейта с зональной дифференциацией растительности дает карта-схема, построеная на основании спутниковых данных нормированного индикатора растительности NDVI.

NDVI вычисляется по данным измерений отражения земной поверхности в видимом (канал К1, 0.58-0.68 мкм) и в ближнем инфракрасном (канал К2, 0.72-1.1 мкм) диапазоне солнечного спектра с помощью радиометра AVHRR. Вычисление NDVI основано на различном отражении радиационных потоков растительным покровом в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Образование хлорофилла вызывает поглощение радиации листьями в диапазоне К1 и отражении в диапазоне К2. Комбинация диапазонов К1 и К2 используется для вычисления NDVI:

NDVI = ( К2 - К1 ) / ( К2 + К1 ) (6)

NDVI предназначен для распознавания поверхностей с растительным покровом и является показателем плотности и запасов зеленой фитомассы. Многочисленные работы (Золотокрылин, Черенкова, 2006; Kogan, 1997; Tucker et al., 1985, 1986) свидетельствуют о том, что NDVI имеет высокую чувствительность к осадкам и коррелирует с запасами зеленой фитомассы. Рисунок 1 показывает, что NDVI и коэффициент увлажнения К. Торнтвейта имеют хорошую пространственную сходимость: среднее значение коэффициента пространственной корреляции на территории исследования составляет 0.85.

60°N 45°Е 60°Е 75°Е

45°N

Рис. 1. Среднее многолетнее значение NDVI за июнь-август 1982-2000 гг. (показано оттенками серого цвета) и коэффициента увлажнения К. Торнтвейта за 1982-2000 гг. (сплошная черная линия); суббореальные равнинные ландшафты выделены серой сплошной линией. Fig. 1. Average june-august NDVI for the period 1982-2000 (white/black gradation) and average annual C. Thornthwaite Index of Moisture for the period 1982-2000 (black line); gray line - subboreal flat landscapes.

Проведем сравнительный анализ многолетней динамики рассмотренных показателей увлажнения.

Как показало пространственно-временное сравнение вычисленных показателей увлажнения на территории засушливых земель, наибольшая корреляционная зависимость отмечается между КУИВ и КУТ с коэффициентом корреляции, равным 0.9. Радиационный индекс сухости теснее всего коррелирует с коэффициентом увлажнения К. Торнтвейта (коэффициент корреляции составляет в среднем 0.86) и коэффициентом увлажнения Н.Н. Иванова-Г.Н. Высоцкого (коэффициент корреляции 0.83). Коэффициент корреляции радиационного индекса сухости с ГТК, в среднем 0.73.

Динамика КУТ и КУИВ, проиллюстрированная на графиках для нескольких метеостанций (рис. 2), наиболее сходна, по сравнению с динамикой других попарно сравниваемых показателей увлажнения.

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

о^юпшо^сооюо^юпш 0)0)0>6)0>0)0>0>6)0>6)0>0)0>0>

1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

0 4 8 2 60 4 8 2 60 4 8 2 6 0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)

1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

/V,

шо^сомшо^оэпюо^сопи 0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)

в)

2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

O^-COCMtDO^-COCMtDO^-COCMtD 0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)

б)

1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)

д)

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

(DO^ndOO^CONIDO^CON 0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)

е)

)

г

0

Рис. 2. Многолетняя динамика коэффициента Н.Н. Иванова-Г.Н. Высоцкого и коэффициента увлажнения К. Торнтвейта, рассчитанная для метеостанций: а) Курган, б) Целина, в) Оренбург, г) Павелец, д) Уфа, е) Астрахань; КУ по Н.Н. Иванову-Г.Н. Высоцкому - черная линия, КУ по К. Торнтвейту - серая линия. Fig. 2. Ivanov-Vysotsky Moisture Index and C. Thornthwaite Index of Moisture trends for meteostations: a) Kurgan, б) Tselina, в) Orenburg, г) Pavelets, д) Ufa, е) Astrahan; black line - N.N. Ivanov-G.N. Vysotsky Moisture Index, gray line - C. Thornthwaite Index of Moisture.

Сравним многолетнюю динамику коэффициента увлажнения К. Торнтвейта и радиационного индекса сухости М.И. Будыко в период 1961-2000 гг. Поскольку один индекс, в сущности, является обратным к другому, то для сравнительного статистического анализа будем использовать радиационный индекс и индекс, обратный коэффициенту увлажнения К. Торнтвейта:

IT = 1 / КУТ (7)

На рисунке 3 приведены графики изменения РИС и IT для некоторых из рассмотренных выше (рис. 2) метеостанций в период 1961-2000 гг. Как видно из рисунка 3, тенденции в динамике РИС и IT совпадают.

2.00 1.50 1.00 0.50

РИС Будыко

1/КУ Торнтвейта

РИС Будыко ■

1/КУ Торнтвейта

в)

3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00

а)

1.50 1.00

РИС Будыко

1/КУ Торнтвейта |

б)

со со со со

РИС Будыко

1/КУ Торнтвейта I

г)

РИС Будыко

1/КУ Торнтвейта I

д)

16.00 14.00 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00

т-СОЮГ-От-СОЮГ-От-СОЮСОО)

(0(0(0(0(0r»r»r^r^r»00 00 00 №0> в>б)б)в>б)в>б)б)в>б)б>б)в>в>б)

РИС Будыко

1/КУ Торнтвейта |

е)

3.50

3.00

2.50

0.00

годы

2.00

0.50

0.00

Рис. 3. Многолетняя динамика радиационного индекса сухости и 1/коэффициент увлажнения К. Торнтвейта, рассчитанная для метеостанций: а) Курган, б) Целина, в) Оренбург, г) Павелец, д) Уфа, е) Астрахань; РИС по М.И. Будыко - черная линия, КУ по К. Торнтвейту - серая линия. Fig. 3. Budyko Aridity Index and 1/C. Thornthwaite Index of Moisture trends for meteostations: a) Kurgan, б) Tselina, в) Orenburg, г) Pavelets, д) Ufa, е) Astrahan; black line - M.I. Budyko Aridity Index, gray line -C. Thornthwaite Index of Moisture.

Анализ графиков на рисунке 4 показывает, что поведение КУТ и ГТК менее сходно, чем динамика других сравниваемых пар индексов. Тем не менее, направленность изменений ГТК совпадает с тенденциями КУТ.

2 1.8 1.6 1.4 1.2 1

0.8 0.6 0.4 0.2 0

ГТК

КУ Торнтвейта

1.5

1

0.5 0

1

. . . 1

оА

<оо^-сосч<оо^-сосч<оо^-сосч<о

<7)<7)<7)<7)<7)<7)<7)<7)<7)<7)<7)<7)<7)<7)<7><7)

ГТК

КУ Торнтвейта

в)

2.5 2 1.5 1

0.5 0

ГТК

КУ Торнтвейта

1.8 1.6 1.4 1.2 1

0.8 0.6 0.4 0.2 0

—А«лЛ La,

<оо^-сосч<оо^-сос\1<оо^-сос\1

<7)<7)<7)<7)<7)<7)<7)<7)<7)<7)<7)<7)<7)<7><7)

а)

ГТК

КУ Торнтвейта

б)

1.5 1

0.5

A li Л И Art

vW//

О^СОСЧФО^СОСЧ 0>0>0>0>0>0>0>0>0>0>0>0>0>0>

ГТК

КУ Торнтвейта

г)

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

048260482604826 444556667788899 999999999999999

д)

ГТК

КУ Торнтвейта

е)

2.5

2.5

2

2

0

Рис. 4. Многолетняя динамика гидротермического коэффициента Г.Т. Селянинова и коэффициента увлажнения К. Торнтвейта, рассчитанная для метеостанций: а) Курган, б) Целина, в) Оренбург, г) Павелец, д) Уфа, е) Астрахань; ГТК - черная линия, КУ по К. Торнтвейту - серая линия. Fig. 4. Sielianinow Hydrothermal Index and Thornthwaite Index of Moisture trends for meteostations: a) Kurgan, б) Tselina, в) Orenburg, г) Pavelets, д) Ufa, е) Astrahan; black line - Sielianinow Hydrothermal Index, gray line - С. Thornthwaite Index of Moisture.

Попарное сравнение рассчитанных индексов увлажнения для всех метеостанций на территории исследования выявило, что наиболее тесная корреляционная зависимость существует между КУТ и КУИВ, а также между КУТ и радиационным индексом сухости М.И. Будыко. Самые низкие коэффициенты корреляции выявлены между ГТК и остальными рассмотренными показателями.

Выводы

Сравнительный анализ значений радиационного индекса сухости М. И. Будыко, коэффициента увлажнения Н.Н. Иванова-Г.Н. Высоцкого, гидротермического коэффициента Г.Т. Селянинова и коэффициента увлажнения К. Торнтвейта показал, что наряду с широко известными эталонными показателями увлажнения, коэффициент увлажнения К. Торнтвейта может быть рекомендован к применению для оценки гидротермических условий суббореальных ландшафтов России. Использование коэффициента увлажнения К. Торнтвейта, для расчета которого требуются легкодоступные данные температуры воздуха и осадков, временные ряды которых являются наиболее качественными и однородными, расширяет набор количественных показателей климата, которые могут использоваться.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Архив данных ВНИИГМИ-МЦД. 2008. Обнинск. (http://www.meteo.ru).

Атлас сельского хозяйства СССР. 1960. ГУГ и К. М.: 308 с. // Агроклиматические ресурсы СССР. C. 46-47.

Будыко М.И. 1956. Тепловой баланс земной поверхности. Л.: Гидрометеоиздат. 256 с. Будыко М.И. 1971. Климат и жизнь. Л.: Гидрометеоиздат. 472 с.

Географический атлас. 1968. Для учителей средней школы. ГУГ и К. М.: 198 с. //

Климатическое районирование. C. 107. Географический атлас. 1980. Для учителей средней школы. ГУГ и К. М.: 238 с. //

Агроклиматические ресурсы. С. 149. Григорьев А.А., Будыко М.И. 1959. Классификация климатов СССР // Известия АН СССР. № 3. С. 13-19.

Груза Г.В., Ранькова Э.Я. 2003. Колебания и изменения климата на территории России //

Известия РАН. Серия ФАО. Т. 39. № 2. С. 166-185. Золотокрылин А.Н., Черенкова Е. А. 2006. Изменение индикаторов соотношения тепла и влаги, биопродуктивности в зональных равнинных ландшафтах России во второй половине XX в. // Известия РАН. Серия географическая. № 3. С. 19-28. Иванов Н.Н. 1954. Об определении величин испаряемости // Известия Всесоюзного

географического общества. Т. 86. № 2. С. 189-196. Ландшафтная карта СССР. 1988. М. 1: 4000000. Научн. ред., д.г.н. А.Г. Исаченко. ГУГК при СМ СССР. М. 4 л.

Оценочный доклад об изменениях климата и их последствий на территории Российской Федерации. 2008. Том II. Последствия изменений климата. Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). ГУ «НИЦ Планета». 288 с.

Ранькова Э.Я. 2005. Климатическая изменчивость и изменения климата за период

инструментальных наблюдений. Дисс. ... докт. физ.-мат. наук. М., ИГКЭ. 67 с. Селянинов Г.Т. 1928. О сельскохозяйственной оценке климата // Труды по

сельскохозяйственной метеорологии. Вып. 20. С. 169-178. Черенкова Е.А., Шумова Н.А. 2007. Испаряемость в количественных показателях климата //

Аридные экосистемы. Т. 13. № 33-34. С. 57-69. Kogan F.N. 1997. Global Drought Watch from Space // Bulletin of the American Meteorological

Society. Vol. 78. P. 621-636. Thornthwaite C.W. 1931. The climates of North America // Geographical Review. Vol. 21 (3). P. 633-655.

Thornthwaite C.W. 1948. An approach toward a rational classification of climate // Geographical Review. Vol. 38 (1). P. 55-94.

Tucker C.G., Vanpraet C.L., Sharman M.J. Van Ittersum G. 1985. Satellite remote sensing of total herbaceous biomass production in the Senegalise Sahel: 1980-1984 // Remote Sensing of Environment. Vol. 17. P. 233-249.

Tucker C.G., Sellers P.G. 1986. Satellite remote sensing of primary production // International Jornal of Remote Sensing. Vol. 7. P. 1395-1416.

Unated Nations Convention to Combat Desertification. 1994. In those Countries Experiencing Serioous Drought and / or Desertification, particulary in Africa // Interim Secretariat for the Convention to Combat Desertification. Geneve Executive Center-C.P.76-1219. Geneve: Chatelaine. 71 p.

World Atlas of Desertification. 1992. UNEP. London: Edward Arnold. 63 p.

World Atlas. Resources and environment. 1998. Ed. Holzel, Vienna and IG RAS, Moscow. Part II. 190 p. Heat and moisture supply in zonal landscape groups. P. 132.

^MPARISON OF MOISTURE INDEXES OF RUSSIAN SUBBOREAL FLAT

LANDSCAPES

© 2009. E.A. Cherenkova

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences Russia, 109017Moscow, Staromonetnyiper., 29, E-mail: [email protected]

Abstract. Deciduous, forest-steppe, steppe, semi-desert landscapes are included into subboreal flat landscapes of Russia. Heat and moisture balance plays an enormous role in the zone landscapes identification. M.I. Budyko Aridity Index (the ratio between annual radiating balance and a power equivalent of annual precipitation), N.N. Ivanov-G.N. Vysotsky Moisture Index (the ratio between the annual precipitaon and annual evapotranspiration) and G.T. Sielianinow Hydrothermal Index are used for quantitative definition of a heat and a moisture ratio.

Complexity of comparison of quantitative estimations of humidifying with landscapes boundaries is a problem.

Comparison of Moisture Indexes with C. Thornthwaite Index of Moisture is presented in the article. Air temperatures and precipitation only are used for C. Thornthwaite Index of Moisture calculation. These data are the most qualitative and homogeneous.

It is shown that there is a high correlation between M.I. Budyko Aridity Index, N.N. Ivanov-G.N. Vysotsky Moisture Index, G.T. Sielianinow hydrothermal index, Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and C. Thornthwaite Index of Moisture (Fig. 1). There is a linear dependence of Moisture Indexes and C. Thornthwaite Index of Moisture.

Similarity of tendencies of Moisture Indexes and C. Thornthwaite Index of Moisture is observed (Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4).

It is possible to recommend C. Thornthwaite Index of Moisture to apply to dry lands of Russia along with widely known Moisture Indexes.

Key words. evapotranspiration, moisture indexes, subboreal flat landscapes of Russia, climate change.