СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА МИКРОКЛИМАТА В ПРИРОДНОМ ЗАПОВЕДНИКЕ "МЫС МАРТЬЯН" ПО ДАННЫМ ДВУХ МЕТЕОСТАНЦИЙ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 551.584.3:712.253:58(477.75) DOI: 10.36305/2413-3019-2019-10-34-43

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА МИКРОКЛИМАТА В ПРИРОДНОМ ЗАПОВЕДНИКЕ «МЫС МАРТЬЯН» ПО ДАННЫМ ДВУХ МЕТЕОСТАНЦИЙ

Корсакова С.П.1, Корсаков П.Б.12

1 - Никитский ботанический сад - Национальный научный центр РАН korsakova2002@mail.ru

2 - Крымское УГМС агрометеорологическая станция Никитский сад

Микроклиматические исследования Южного берега Крыма (ЮБК) в течение многих лет (Пенюгалов, 1939; Шахнович, 1957; Судакевич, 1958; Важов, Антюфеев, 1984; Антюфеев и др., 2014; Плугатарь и др., 2015) показали, что сложная топография побережья способствует формированию разнообразных экотопов, определяет флористическое богатство и неоднородность растительного покрова. Основными факторами, определяющими микроклимат территории ЮБК, являются форма рельефа, высота места и удаление от берега моря, экспозиция склона и условия защищенности, действующие, как правило, совместно (Шахнович, 1957). Организация микроклиматических наблюдений, при значительной изменчивости метеопараметров, дает возможность расширить представление об их пространственных вариациях, выявить закономерности и степень локальной трансформации, оценить воздействие на состояние биоразнообразия региона, в том числе и на особо охраняемых природных территориях, что особенно актуально.

Цель наших исследований - изучение и оценка степени пространственно-временной изменчивости метеопараметров в центральной части природного заповедника «Мыс Мартьян» по многолетним данным метеостанций.

Материал и методы

Для изучения и оценки микроклиматических особенностей на участке склона южной экспозиции (крутизна склона около 5°) у восточной границы центральной части природного заповедника «Мыс Мартьян» была разбита базовая метеоплощадка, названная стационар «Лавровое» (рис. 1). Установка приборов на метеоплощадке, производство наблюдений и обобщение материалов выполнены согласно требованиям, принятым в системе Гидрометеослужбы (Наставления..., 1985). Координаты стационара: 44°30'52.85" С.Ш., 34°15'04.85" В.Д., расположен на высоте 161 м н.у.м. Для измерения метеорологических параметров на стационаре был установлен автоматический измерительный комплекс DWS-11z, состоящий из пиранометра (Apogee Instruments, США), датчика температуры и влажности воздуха, осадкомера (Decagon Devices, США) и анемометра (Davis Instruments (США) (Ильницкий и др., 2018). Измерения производили непрерывно в течение трех лет, с июля 2016 г. по июнь 2019 г. Трехлетний период считается достаточным для выявления микроклиматических закономерностей (Руководство., 1979).

В качестве опорной точки наблюдений служила реперная климатическая станция - агрометеостанция «Никитский Сад» Крымского УГМС. Метеорологическая площадка расположена на одной из террас на склоне ЮЮВ

экспозиции. Координаты станции: 44о30'45.73" С.Ш., 34о14'25.00" В.Д., высота 208 м н.у.м. Расстояние между пунктами наблюдений составляет 910 м.

Рис. 1. Карта-схема функционального зонирования ООПТ «Мыс Мартьян» (Плугатарь и др., 2018) и размещения метеостанций

Для сравнения двух независимых выборок метеорологических величин в пунктах наблюдений на предмет статистической значимости их различий применены параметрический t-критерий Стьюдента (для температуры и влажности воздуха) и непараметрический U-критерий Манна-Уитни (для осадков). При сравнении вариационных рядов использованы среднесуточные значения метеорологических величин. Критическое значение уровня статистической значимости (p) принято равным 0,05.

Определение дат устойчивого перехода приземной температуры воздуха через заданные пределы проведено по методам, принятым в климатологии (Кельчевская, 1971). Суммы активных температур за периоды между этими датами рассчитаны как суммы средних суточных температур воздуха, превышающих установленный биологический минимум температуры (ГОСТ 17713-89) (Грингоф, Клещенко, 2011).

Увлажненность вегетационного периода оценивали по величине гидротермического коэффициента (ГТК) Г.Т. Селянинова (Селянинов, 1958). В качестве годового индикатора соотношения тепла и влаги использован коэффициент увлажнения Н.Н. Иванова-Г.Н. Высоцкого (Иванов, 1954), выражающий соотношение между количеством атмосферных осадков, выпадающих в данной местности, и испаряемостью за один и тот же период (год, сезон, месяц). Согласно Н.Н. Иванова, для приближенной оценки условий увлажнения используется шкала: 2,0 - избыточное увлажнение; 1,0-2,0 - удовлетворительное увлажнение; 1,0-0,5 - засушливо, недостаточное увлажнение; 0,5 - сухо.

Статистическая обработка данных проведена с помощью программы

MS Excel 2010.

Результаты и обсуждение

Основным признаком однородного района является достаточно высокая пространственная связанность информации внутри территории, и эта связанность может быть определена на основе пространственной корреляционной функции (ПКФ). ПКФ метеорологических характеристик представляют собой зависимость коэффициентов парной корреляции от расстояния между пунктами наблюдений и применяются при решении различных задач, связанных с пространственным анализом: оптимальной пространственной интерполяции метеорологических характеристик и их параметров, при приведении непродолжительных рядов к многолетнему периоду и других. При этом, средние многолетние значения климатических характеристик, представленные на географическом пространстве в однородном районе, образуют климатическое поле, характеризующее географию климата на рассматриваемой территории. Это климатическое поле существует всегда, но в зависимости от совместного влияния факторов климата и адвекции данного года, его границы и параметры каждый год варьируют.

Сравнение суточных значений температуры, относительной влажности воздуха и осадков в разные годы подтвердило, что изменения гидротермических показателей в природном заповеднике «Мыс Мартьян» и на прилегающих территориях происходят вполне согласованно (рис. 2).

Рис. 2. Сопряженность метеорологических параметров: среднесуточной (А) и экстремальных (Б) температур воздуха, осадков (В) и относительной влажности воздуха (Г) между пунктами наблюдений - агрометеостанцией «Никитский сад» (ось х) и стационаром «Лавровое» (ось у)

В результате анализа данных метеорологических наблюдений выявлена функциональная связь между изменениями температур воздуха (средних и экстремальных) и тесная корреляция рядов относительной влажности и осадков на исследуемой территории. Получены уравнения для согласования значений метеопоказателей с данными агрометеостанции «Никитский сад». В связи с небольшой площадью рассматриваемой территории и высокой пространственной связанностью метеопараметров, существует потенциальная возможность сделать приведение короткого ряда к одинаковому и продолжительному периоду наблюдений опорной станции, начиная с 1930 г. по настоящее время.

Сравнение средних значений метеовеличин за трехлетний период параллельных наблюдений показало, что, несмотря на высоту пункта, температура воздуха (табл. 1) на стационаре «Лавровое» (161 м н.у.м.) ниже, а относительная влажность воздуха и количество осадков заметно выше (табл. 2), чем на опорной метеостанции (208 м н.у.м.).

Таблица 1. Средние значения температур воздуха (°С) в пунктах наблюдений

Месяц Стационар «Лав ровое» Агрометеостанция «Никитский сад»

tмакс. ^р.макс. tмин. ^р.мин. 1х:р. tмакс. ^р.макс. tмин. ^р.ми н.

I 3,7 13,6 12,3 -9,7 -5,9 3,9 13,5 12,5 -7,8 -4,2

II 4,4 13,5 13,3 -6,0 -3,3 4,6 14,0 13,5 -5,0 -3,0

III 7,1 17,5 17,2 -5,2 -2,0 7,5 19,7 18,5 -3,2 -0,7

IV 11,2 24,7 23,1 -0,3 1,0 11,8 23,4 22,9 1,8 3,3

V 16,7 28,2 27,6 5,6 6,5 17,2 28,7 27,9 6,7 8,1

VI 22,2 34,8 31,5 9,9 11,9 22,8 34,7 31,1 12,5 14,1

VII 23,8 34,1 33,6 14,1 14,8 24,4 35,2 33,9 17,0 17,2

VIII 25,7 36,6 35,5 12,6 14,4 26,2 37,0 35,6 14,9 17,1

IX 19,9 31,4 30,5 6,5 9,1 20,4 33,4 31,3 8,5 10,1

X 13,5 23,2 22,4 2,7 3,7 13,9 23,6 22,9 2,6 4,3

XI 8,3 20,9 19,2 -2,6 -1,4 8,5 20,9 19,8 -1,0 0,0

XII 5,3 16,0 13,6 -6,0 -3,4 5,6 16,9 13,6 -5,6 -2,2

Год 13,5 36,6 35,5 -9,7 -5,9 14,0 37,0 35,6 -7,8 -4,2

Примечания: Ър. — средняя месячная температура воздуха; tмакс., ^р.макс. - абсолютный и средний из абсолютных максимумов температуры воздуха; tмин., ^р.мин. - абсолютный и средний из абсолютных минимумов температуры воздуха.

При расчете ^критерия Стьюдента и и-критерия Манна-Уитни, показывающих насколько существенны расхождения участков (пунктов наблюдений) по микроклиматическим условиям, выявлено, что для среднесуточных (за исключением июля) и максимальных температур воздуха, а также для относительной влажности воздуха в теплый период рассчитанные значения t < р > 0,05, поэтому принимается нулевая гипотеза, которая говорит о несущественности средней разницы между сравниваемыми метеовеличинами. Рассчитанные значения и для осадков превышают критические (табл. 3). Следовательно, также принимается нулевая гипотеза, свидетельствующая, что различия в режиме и количестве выпадающих осадков статистически не значимы (р > 0,05). Попарное сравнение суточных метеорологических величин на предмет статистической значимости их различий

также показало, что нулевая гипотеза о несущественности средней разности в пунктах наблюдений между минимальными температурами (за исключением января, февраля и ноября) и относительной влажностью воздуха в холодный период отвергается с высоким уровнем значимости (р < 0,05) (табл. 3).

Таблица 2. Средние значения относительной влажности воздуха (%) и сумм осадков (мм) в пунктах наблюдений

Месяц Стационар «Лавровое» Агрометеостанция «Никитский сад»

Рср. Рмакс. Рмин. Рсут.макс. Рср. Рмакс. Рмин. Рсут.макс.

I 82 119 147 102 37 77 99 114 90 29

II 80 49 78 20 16 76 42 69 13 28

III 76 53 84 25 32 71 49 78 24 29

IV 64 29 51 0 29 61 23 44 0 23

V 70 32 51 2 36 68 30 45 1 30

VI 61 45 79 3 43 60 42 73 7 36

VII 61 50 68 36 42 59 50 58 40 54

VIII 54 44 96 5 39 53 37 81 2 36

IX 63 53 84 5 69 60 49 83 5 58

X 71 52 55 48 22 68 44 51 40 19

XI 82 80 96 58 28 78 75 93 52 30

XII 80 127 145 107 50 74 102 129 77 34

Год 70 733 147 0 69 67 641 129 0 58

Примечания: % - средняя месячная относительная влажность воздуха; Рср., Р макс., Рмин. — средняя, максимальная и минимальная месячная сумма осадков; Рсут.макс. — максимальная суточная сумма осадков.

Таблица 3. Отклонение средних многолетних значений метеорологических величин на метеостанции «Лавровое» в сравнении с агрометеостанцией «Никитский сад» (опорной) для приведения к многолетнему ряду

Месяц Аср., °С Д1макс, °С Д^р.макс, °С Д1мин, °С Д^р.мин, °С Д&р., % Рп, %

I -0,3 -0,2 0,0 -1,6 -0,9 5* 120

II -0,2 -0,2 -0,1 -0,3 -0,8 4* 118

III -0,3 -1,3 0,2 -1,3* -1,2 4* 108

IV -0,6 0,3 0,0 -2,2* -1,5 3 127

V -0,5 -0,3 0,4 -1,7* -1,8 3 106

VI -0,6 0,4 0,2 -2,2* -2,2 2 108

VII -0,6* -0,3 0,2 -2,5* -2,4 2 99

VIII -0,6 -0,1 -0,2 -2,7* -2,0 1 121

IX -0,6 -0,8 -0,1 -0,9* -1,7 3 109

X -0,3 -0,5 0,0 -0,5* -1,1 3 119

XI -0,2 -0,6 0,0 -1,4 -0,9 4* 107

XII -0,3 0,1 0,0 -1,2* -1,1 6* 124

Год -0,4 -0,4 -0,1 -1,9 -1,6 3 114

Примечания: Д^р., Дtмакс, ДЪр .макс, Дtмин, Д^р.мин — разности средних многолетних значении температур воздуха (средней месячной, абсолютного и среднего из абсолютных максимумов и минимумов); Д&р. — разности средних многолетних значений относительной влажности воздуха; ДРп — отношение количества выпадающих осадков; * — различия статистически значимы (р<0,05).

Таким образом, в результате проведенного анализа были выявлены статистически значимые микроклиматические различия исследуемых участков по минимальным температурам воздуха и относительной влажности воздуха в холодный период. Известно, что на термический режим, в зависимости от типа погоды и времени суток, значительное влияние оказывают формы рельефа. Анализ суточного хода температур при ясной (радиационный тип) и пасмурной погоде позволил выявить локальные особенности трансформации температуры воздуха на стационаре «Лавровое» (рис. 3).

Рис. 3. Суточный ход и трансформация температуры воздуха на стационаре «Лавровое» в летний (А, Б) и зимний (В, Г) периоды: при ясной (А, В) (радиационный тип погоды) и пасмурной (Б, Г) погоде

Стационар «Лавровое» находится в нижней части склона небольшой котловины на высоте 161 м и в 600 м к северу от берега моря. Котловинообразная форма рельефа территории и наличие балки, по которой стекает холодный воздух, способствуют снижению температуры в целом, следовательно, и снижению теплообеспеченности вегетационного периода и его подпериодов до значений, свойственных высотному поясу 200-250 метров над уровнем моря (табл. 4). В ясные безветренные ночи при радиационном типе погоды в результате выхолаживания температура воздуха в предрассветные часы может снизиться на 2-3°С по отношению к значениям, отмеченным в это же время на участках, расположенных выше на 50 м н.у.м. В условиях плотной облачности значительных различий не наблюдалось. Проявления признаков превалирования мезоклиматического влияния над процессами, формирующими микроклимат приморской зоны ЮБК, ранее были описаны в работах В.В. Антюфеева (Антюфеев, 2003; Антюфеев и др., 2014).

Климатическая составляющая сезонной ритмики растений во многом определяется метеорологическими условиями начала вегетационного периода,

основными характеристиками которого являются даты устойчивого перехода температуры воздуха через 5, 10 и 15°С, а также продолжительность периодов установления этих температур. Проведенный анализ дат перехода среднесуточной температуры воздуха через указанные пределы показал, что в районе пункта «Лавровое» продолжительность периода активной вегетации растений такая же, как на агрометеостанции «Никитский сад», а летнего сезона - на 5 дней короче. Термические ресурсы, представленные суммами активных температур воздуха выше 5 и 10°С меньше, в сравнении с опорной станцией на 130-160°С, а выше 15°С - на 235°С (табл. 4).

Таблица 4. Даты перехода через 5, 10, 15°С, продолжительность периода и суммы активных температур воздуха выше этих пределов в пунктах метеонаблюдений

Стационар «Лавровое» Агрометеостанция «Никитский сад»

Даты перехода D, дни Па, °С Даты перехода D, Па, °С

Весной | Осенью Весной | Осенью дни

Температура воздуха выше 5°С

01.03 | 21.12 295 4755 28.02 | 22.12 297 4916

Температура воздуха выше 10°С

13.04 | 08.11 209 3987 13.04 | 08.11 209 4118

Температура возд уха выше 15°С

04.05 | 09.10 158 3248 01.05 | 11.10 163 3481

Примечания: D - продолжительность периода с температурами воздуха выше заданного предела, ХИа - сумма активных температур воздуха выше заданного предела за период.

Несмотря на меньшую термическую емкость сезона активной вегетации и несколько большее количество выпадающих осадков (табл. 3), увлажненность вегетационного периода на исследуемой территории примерно одинакова (ГТК=0,8), что соответствует градации «засушливо» (табл. 5).

Таблица 5. Режим и степень увлажнения территории по гидротермическому коэффициенту Г.Т. Селянинова и коэффициенту увлажнения Н.Н. Иванова

Месяц Стационар «Лавровое» Агрометеостанция «Никитский сад»

ГТК Кув ГТК Кув

I - 4,58 - 2,97

II - 1,76 - 1,14

III - 1,37 - 1,07

IV 1,01 0,40 0,93 0,28

V 0,63 0,34 0,61 0,29

VI 0,67 0,29 0,62 0,26

VII 0,67 0,31 0,70 0,28

VIII 0,56 0,24 0,47 0,19

IX 0,89 0,43 0,80 0,57

X 1,27 0,71 1,30 0,39

XI - 2,34 - 1,73

XII - 4,07 - 2,48

Год 0,81 0,67 0,77 0,50

Примечания: ГТК - гидротермический коэффициент Г.Т. Селянинова, Кув - коэффициент увлажнения Н.Н. Иванова, прочерк означает отсутствие расчетов.

Коэффициент годового увлажнения по Н.Н. Иванову, являющийся годовым индикатором соотношения тепла и влаги, равен 0,67, т.е. осадки, выпадающие в районе стационара «Лавровое», обеспечивают потребность растений во влаге только на 67%. В период активной вегетации с апреля по сентябрь это соотношение почти в 1,5-2 раза ниже (табл. 5).

Режим ветра определяется синоптическими процессами и особенно рельефом. В природном заповеднике «Мыс Мартьян» с октября по март наибольшую повторяемость имеют северо-восточные и юго-западные ветры. В районе стационара «Лавровый» и опорной станции «Никитский сад» повторяемость ветра северо-восточного направления соответственно составляет 21-32 и 31-55%, юго-западного - 14-29 и 19-35%. В теплый период года, режим ветра меняется, и начинают резко проявляться локальные различия, обусловленные возрастанием местной циркуляции. В отличие от опорной станции, в районе стационара хорошо выражена бризовая циркуляция. За счет дневного бриза с апреля по сентябрь увеличивается повторяемость ветров с моря (восточных и юго-восточных направлений). Ночные бризы и стоковые ветры резко увеличивают повторяемость северо-западных ветров (до 26-42%) (рис. 4). На агрометеостанции «Никитский сад», удаленной от моря на расстояние 750 м, влияние бризовой циркуляции проявляется гораздо слабее. В летний период наблюдается увеличение повторяемости ветров северного и юго-западного направлений.

Заключение

Функциональная связь между изменениями температуры воздуха, тесная корреляция рядов влажности воздуха и рядов осадков являются признаком однородности и пространственно-временной связанности климатических параметров внутри исследованной территории.

Несмотря на проявления локальных особенностей трансформации метеоэлементов, статистически значимых отличий по средним и максимальным значениям температуры воздуха, осадкам и относительной влажности воздуха в теплый период между стационаром «Лавровое» и опорной станцией «Никитский сад» не выявлено, что указывает на репрезентативность данных агрометеостанции для территории природного заповедника «Мыс Мартьян». Статистически значимые различия, установленные для минимальных температур и относительной влажности воздуха в холодный период целесообразно учитывать при проведении исследований в восточной части заповедника. Влияние формы рельефа в районе стационара «Лавровое» приводит к снижению теплообеспеченности вегетационного периода и его подпериодов до значений, свойственных высотному поясу 200-250 метров над уровнем моря. При равной продолжительности, теплообеспеченность периода активной вегетации с температурами воздуха выше 10°С на 130°С меньше, что необходимо учитывать при изучении сезонной ритмики отдельных видов растений и растительных сообществ, произрастающих в западной и восточной частях природного заповедника «Мыс Мартьян».

Для ветрового режима в районе стационара «Лавровое» в ночной период характерны стоковые явления и преобладание бризовой циркуляции в теплый период года, которые в значительной степени определяют микроклиматические различия метеорологических величин с опорной станцией, особенно при радиационном типе погоды.

Рис. 4. Розы ветров: стационар «Лавровое» (зеленая линия) и агрометеостанция «Никитский сад» (красная линия)

Работа выполнена в рамках тем госзадания ФГБУН «НБС-ННЦ» №№ 08292019-0021, 0829-2019-0028.

Литература

Антюфеев В.В. Микроклиматическая изменчивость термических ресурсов вегетационного периода на Южном берегу Крыма // Труды Государственного Никитского ботанического сада. - 2003. - Т. 121. - С. 137-145.

Антюфеев В.В., Казимирова Р.Н., Евтушенко А.П. Агроклиматические, микроклиматические и почвенные условия в приморской полосе Южного берега Крыма. Теоретические основы и практические рекомендации для рационального размещения растений при реконструкции насаждений // Труды ГНБС. - 2014. -Т. 137. - С. 5-25.

Важов В.И., Антюфеев В.В. Оценка микроклимата территории Никитского ботанического сада // Труды ГНБС. - 1984. - Т. 93. - С. 118-127.

Грингоф И.Г., Клещенко А.Д. Основы сельскохозяйственной метеорологии. -Обнинск: ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД», 2011. - Т. 1: Потребность сельскохозяйственных культур в агрометеорологических условиях и опасные для сельскохозяйственного производства погодные условия - 808 с.

Иванов Н.Н. Об определении величин испаряемости // Известия Всесоюзного географического общества. - 1954. - Т. 86. - № 2. - С. 189-196.

Ильницкий О.А., Плугатарь Ю.В., Корсакова С.П. Методология, приборная база и практика проведения фитомониторинга. - Симферополь: ИТ «АРИАЛ», 2018. -236 с.

Кельчевская Л.С. Методы обработки наблюдений в агроклиматологии. -Л.: Гидрометеоиздат, 1971. - 216 с.

Наставления гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 3. Часть I. Метеорологические наблюдения на станциях / Под ред. Г.И. Слабович. -Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 300 с.

Пенюгалов А.В. Некоторые особенности микроклимата Южного берега Крыма // Известия Крымского педагогического института им. М.В. Фрунзе. - 1939. -Т. 7. - С.70-117.

Плугатарь Ю.В., Багрикова Н.А., Резников О.Н., Костин С.Ю. К вопросу о функциональном зонировании территориально-аквального комплекса особо охраняемой природной территории «Мыс Мартьян» // Научные записки природного заповедника «Мыс Мартьян». - 2018. - Вып. 9. - С. 13-18. DOI: 10.25684/NBG.scnote.009.2018.01

Плугатарь Ю.В., Корсакова С.П., Ильницкий О.А. Экологический мониторинг Южного берега Крыма. - Симферополь : ИТ «АРИАЛ», 2015. - 164 с.

Руководство по изучению микроклимата для целей сельскохозяйственного производства / Под ред. З.Н. Пильниковой. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979. -152 с.

Селянинов Г.Т. Происхождение и динамика засух // Засухи в СССР, их происхождение, повторяемость и влияние на урожай. - Л.: Гидрометеоиздат, 1958. - С. 5-30.

Судакевич Ю.Е. Микроклиматическая характеристика морозоопасности территории Никитского ботанического сада // Труды Украинского научно-исследовательского гидрометеорологического института. - 1958. - Вып. 14. - С. 99-110.

Шахнович А.В. Микроклиматические особенности Южного берега Крыма // Труды УкрНИГМИ. - 1957. - Вып. 8. - С. 175-210.