CC BY
21
УДК 697.7:631.371
ТЕНДЕНЦИИ ИЗМЕНЧИВОСТИ ПРИРОДНЫХ СОБЫТИЙ ЮГА ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ
© А.Ю. Белякова1, Е.В. Вашукевич2, Я.М. Иваньо3, С.А. Петрова4
Иркутская государственная сельскохозяйственная академия,
664038, Россия, Иркутская область, Иркутский район, пос. Молодежный, 1/1.
Приведены результаты исследования изменчивости значений и серий природных событий за более чем 110-летний период. Рассмотрены паводки, половодья, агрономические засухи, ливневые осадки, безморозный период и суровые зимы. Проанализированы редкие события и максимальные серии разных по происхождению климатических явлений. Выявлены тенденции изменчивости параметров, характеризующих природные события. Определены тренды серий природных событий и связи серий с наибольшими их значениями. Показано, что для рассматриваемой территории число природных событий не имеет однонаправленной тенденции за исследуемый период.
Ил. 3. Табл. 1. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: природное событие; редкое явление; серия; моделирование.
NATURAL EVENT VARIABILITY TRENDS IN THE SOUTH OF EASTERN SIBERIA A.Yu. Belyakova, E.V. Vashukevich, Ya.M. Ivanyo, S.A. Petrova
Irkutsk State Agricultural Academy,
1/1, Molodezhny settlement, Irkutsk region, Irkutsk district, 664038, Russia.
The article introduces the results of studying the variability of values and series of natural events for more than 110 years. It considers floods, high water, agronomic droughts, heavy precipitation, frost-free period and severe winters as well as analyzes rare events and maximum series of different origin climatic phenomena. Having found out the variability tendencies of parameters characterizing natural events, it identifies the trends of the series of natural events and series relationship with their largest values. It is shown that the number of natural events for the examined territory has no unidirectional trend during the period under investigation. 3 figures. 1 table. 7 sources
Key words: natural event; rare phenomenon; series; simulation.
На территории юга Восточной Сибири наблюдаются различные по происхождению опасные природные явления, причиняющие значительный ущерб отраслям народного хозяйства и населению. Среди них особо выделяются дождевые паводки и весенние половодья. На основе выделения гидрологических событий, согласно многолетним наблюдениям с использованием отметки опасности явления для дождевых паводков, формирующихся на реках Ангарского бассейна и в верховьях Лены, вероятности превышения критических расходов воды pk колеблются от 0,10 до 0,44. Усредненная же величина этого параметра, по данным анализа максимальных расходов воды в летний период на Ангаре и ее притоках, - 0,16. В отличие от дождевых паводков, весенние половодья повторя-
ются чаще. Усредненная величина рк составляет 0,24 [1].
Кроме гидрологических событий, наблюдаются другие экстремальные явления, причиняющие ущерб экономике региона. К ним можно отнести агрономическую засуху, степень влияния которой на производственно-экономические параметры предприятий агропромышленного комплекса не ниже, чем дождевых паводков и весеннего половодья. Тем более, что засухи, в отличие от экстремальных гидрологических явлений, охватывают все сельскохозяйственные зоны Иркутской области. В качестве критерия агрономической засухи использовано распространенное соотношение у < 0,8у, где у - урожайность зерновых куль-
1 Белякова Анна Юрьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры информатики и математического моделирования, тел.: 89025194188, e-mail: belyakova_irk@mail.ru
Belyakova Anna, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Information Science and Mathematical Modeling, tel.: 89025194188, e-mail: belyakova_irk@mail.ru.
2Вашукевич Елена Валериевна, кандидат технических наук, доцент кафедры информатики и математического моделирования, тел.: 89643575320, e-mail: vashukevich_lena@mail.ru
Vashukevich Elena, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Information Science and Mathematical Modeling, tel.: 89643575320, e-mail: vashukevich_lena@mail.ru
3Иваньо Ярослав Михайлович, доктор технических наук, профессор кафедры информатики и математического моделирования, тел.: 89148947219, e-mail: iymex@rambler.ru
Ivanyo Yaroslav, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Information Science and Mathematical Modeling, tel.: 89148947219, e-mail: iymex@rambler.ru
"Петрова Софья Андреевна, ассистент кафедры информатики и математического моделирования, тел.: 89501204965, e-mail: sofia.1987@bk.ru
Petrova Sofia, Assistant Professor of the Department of Information Science and Mathematical Modeling, tel.: 89501204965, e-mail: sofia.1987@bk.ru
тур, а у - среднее многолетнее значение ряда биопродуктивности.
В дополнение к этому на урожайность сельскохозяйственных культур влияет продолжительность безморозного периода Тб, которая претерпевает значительные колебания в южной части юга Восточной Сибири [4]. Этот параметр связан с температурами за теплый сезон, обладает незначительными коэффициентами вариации и подчиняется нормальному распределению. Для перехода значения безморозного периода в событие использован критерий
Т <Тб-а/2.
Согласно [1, 3], выполнено районирование территории по влиянию на сельское хозяйство высоких паводков, половодий и агрономических засух. Следует добавить, что примерно 90% площади Иркутской области занимает лес, что традиционно позволяет производить сельскохозяйственную и получать таежную продукцию. Поэтому сфера влияния экстремальных природных явлений распространяется не только на регионы с развитым аграрным производством, но также на охотничьи угодья и лесные ресурсы с богатыми дикорастущими растениями, имеющими продовольственное значение. Очевидно, что здесь дополнительно на объемы продовольствия оказывают влияние лесные пожары, число которых возросло в результате человеческого фактора. Не стоит забывать, что в условиях резко континентального климата имеют место значительные перепады температур, ранние заморозки, внезапное выпадение снега. Не исключено влияние на урожай ливней, града, продолжительных обложных осадков и ураганов.
Большое разнообразие природных событий способствует их сочетанию, когда в один год могут наблюдаться различные экстремальные явления, каждое из которых вносит свой вклад в ущерб хозяйственной деятельности человека. Встречаются ситуации чередования гидрологических явлений различного происхождения. Примерами подобного сочетания опасных событий являются 1970 и 1988 гг.
Первая дата (1970 г.) характеризовалась редким сочетанием весеннего половодья и дождевого паводка, которые превышали уровень опасности гидрологического явления. При анализе подобных сочетаний рассматривались случаи, когда максимальные расходы воды, как весеннего половодья, так и дождевых паводков, превышали уровень опасности гидрологического явления. Такие ситуации характерны для р. Бирюсы (Бирюсинск), в бассейне которой расположе-
ны сельскохозяйственные предприятия. В таблице приведены сочетания гидрологических событий, оцененные суммой вероятностей непревышения, полученных по закону Пирсона III типа с различными статистическими параметрами. В их качестве рассмотрены события весенних половодий Qcm и дождевых паводков Qg с вероятностями непревышения p1 и p2.
Использованы статистические параметры многолетних гидрологических рядов в виде коэффициентов вариации Cv и соотношения коэффициентов асимметрии и вариации C/Cv. При этом максимальный расход воды, соответствующий уровню опасности гидрологического явления для р. Бирюсы (Бирюсинск), составил 2450 м3/с.
В приведенной ситуации сельскохозяйственные предприятия понесут двойной ущерб: сначала от затоплений и подтоплений сельскохозяйственных угодий весной, а затем - в период созревания культур. По данным максимальных расходов воды весеннего половодья и дождевого паводка 1988 г., весной затапливалось примерно 280, а летом - 655 га в хозяйстве ООО «Талинка». Ущерб от гидрологических событий в первом случае составил около 330, а во втором - почти 740 тыс. руб. Таким образом, общая сумма потерь превышает один млн руб. К этому следует добавить, что обрабатываемая площадь сельскохозяйственных угодий на предприятии может достигать 950 га. Другими словами, в рассмотренной ситуации ущерб, нанесенный хозяйству, не уступает влиянию одного редкого события на производственные процессы.
Различные природные события характеризуются своими особенностями. В частности, наибольшие суточные осадки представляют собой случайные величины с высокой асимметричностью. По результатам анализа факторов, влияющих на формирование максимальных расходов дождевых паводков, параметр осадков связан с максимальным стоком. Поэтому при определении событий наибольших суточных осадков
использован критерий перехода х > Х , соответ-
mmax Рц.
ствующий максимальным расходам воды дождевых паводков. В этом неравенстве х - наибольшие су-
рк
точные осадки, соответствующие вероятности превышения рк. Между тем не всегда в периоды высокого уровня воды в летние сезоны наблюдаются интенсивные наибольшие суточные осадки; причем, для этого параметра характерны свои закономерности изменчивости серий или группировок событий.
Статистические параметры сочетания максимальных расходов воды весеннего половодья и дождевых паводков для р. Бирюсы (Бирюсинск)
Год Весеннее половодье Дождевой паводок Вероятность проявления двух событий
Qm, мз/с Cv Cs/Cv Pi Qm, м3/с Cv Cs/Cv P2 P1+P2- Pi P2
1970 2700 0,37 2,5 0,046 2510 0,49 2,5 0,146 0,185
1988 2690 0,0473 3490 0,0289 0,0748
В отличие от наибольших суточных осадков, минимальные зимние температуры воздуха представляют собой многолетние последовательности со значимыми невысокими коэффициентами автокорреляции. При анализе событий выделяются вековые циклы параметра холодных зим, характеризуемые продолжительными сериями минимальных температур, в пределах которых высока вероятность проявления 11-летних и 33-летних циклов [7].
В различных районах юга Восточной Сибири по-разному проявляются агрономические засухи, параметром оценки которых служит биопродуктивность сельскохозяйственных культур. По существу, урожайность - неоднородная величина, поскольку подвержена влиянию изменяющихся технологий производства и климата, введению новых сортов. Поэтому однородные ряды урожайности сельскохозяйственных культур являются короткими, что снижает достоверность результатов статистической обработки данных. Анализ последовательностей биопродуктивности показывает, что они могут быть случайными, обладать высокими и невысокими значимыми автокорреляционными связями. К тому же изменчивость серий событий урожайности сельскохозяйственных культур не совпадает с аналогичными колебаниями природных параметров.
На рис. 1 показана изменчивость серий или группировок событий в различные эпохи, соответствующие 11 -летним циклам солнечной активности, по данным Иркутска за 1902-2008 гг.
Согласно рисунку, серии событий минимальной температуры, характеризующей холодные зимы, убывают по нелинейной функции в виде параболы {фтп = 0.098^-1,871 + 10), поскольку с 1987 по 1996 г. произошел перелом в сторону похолодания. Этот факт подтверждается данными 2001-2002 и 2006-2007 гг.,
когда имели место резкие перепады зимних минимальных температур: смена холодных зим относительно теплыми. Колебания в эти периоды соответствовали маловероятным значениям, имевшим место в период 1902-1923 гг.
Другая тенденция наблюдается для максимальных летних температур, косвенно связанных с засухами. Имеет место кривая падения, а затем подъема. Другими словами, фтах = 0.0151?-1,7И + 6.3. При этом не наблюдалось серий событий в 1965-1976 гг.
Засушливой можно считать период 1955-1964 гг., в которую группировки дождевых паводков достигли наименьших значений. В дополнение к этому серия событий максимальной температуры соответствовала одному значению. Для дождевых паводков наблюдалась неустойчивая тенденция уменьшения значений серий, наибольшее из которых зарегистрировано в 1934-1944 гг.
Между тем отсутствует синхронность в изменчивости группировок паводков и наибольших суточных осадков. Для последнего параметра характерна тенденция увеличения серий, а затем - их уменьшение, что описывается параболой фХтах = -0.113? + 1,4411,2.
Приведенный рисунок описывает серии природных событий в самой южной части Восточной Сибири. Очевидно, что в других частях территории могут наблюдаться иные тенденции. На рис. 2 показаны группировки холодных зим, жаркого лета, незначительных безморозных периодов, интенсивных ливней и высоких дождевых паводков для Ангарского бассейна и верховья Лены. Согласно полученным результатам, число холодных зим за последнюю эпоху увеличилось, составив величину, аналогичную периоду 1965-1976 гг.
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Число событий
ч? о>
Ч5
•г
ОГ-> о?*
VЭпохам
лЛ-
¿У
¿V
Рис. 1. Распределение событий дождевых паводков, наибольших суточных осадков, минимальных и максимальных температур, по данным Иркутска, в 11-летних циклах солнечной активности
0
Возросло количество высоких максимальных летних температур, достигших наибольшего значения в последнюю эпоху, что косвенно подтверждает проявление серий локальных засух в конце XX и начале XXI вв. При этом увеличился безморозный период, что особенно заметно для юга территории.
Что касается параметров увлажнения, то для наибольших суточных осадков наблюдался подъем серий событий до 1965-1976 гг., а затем наступил спад. По данным 1934-2008 гг., наиболее высокая водность в летний период на реках Ангарского бас-
сейна и в верховьях Лены наблюдалась в 1934-1954 гг.
Следует подчеркнуть, что максимальные серии различных природных событий формировались в разные эпохи. Суровые зимы имели место в начале XX в., очень высокие максимальные летние температуры - в конце XX и начале XXI вв. Высокая водность рек в 1934-1954 гг. предшествовала максимальной серии наибольших суточных осадков в эпоху 1965-1986 гг. В дополнение к этому редкое количество незначительных безморозных периодов зарегистрировано в 19972008 гг.
Рис. 2. Количество природных событий, наблюдавшихся на территории Иркутской области в различные 11-
летние циклы солнечной активности: а - минимальная температура воздуха в трех пунктах наблюдений (Иркутск, Зима, Тулун) за 1902-2007 гг.; б -максимальная температура воздуха в трех пунктах наблюдений (Иркутск, Тулун, Киренск) за 1902-2007 гг.; в -максимальные суточные осадки в трех пунктах наблюдений (Иркутск, Тулун, Нижнеудинск) за период 1902-2007 гг.; г - дождевые паводки на шести реках Ангарского бассейна (Иркут-Иркутск, Китой-Китой, Белая-Мишелевка, Ия-Тулун, Уда-Укар, Бирюса-Бирюсинск) за 1934-2007 гг.; д - непродолжительные безморозные периоды, по данным Иркутска, Зимы, Тулуна, Шиткино и Киренска, за 1902-2008 гг.
Анализ сумм рассматриваемых природных событий относительно числа пунктов наблюдений показывает, что в ряде серий не обнаружено тренда. Количество группировок событий колеблется вокруг некоторого усредненного значения, близкого к 12. При этом вариация ряда соответствует невысокому значению 0,20.
Оценка параметров, характеризующих изменчивость климата по годовым и сезонным значениям за более чем 100-летний период, показывает, что в различные эпохи многолетние ряды могут характеризоваться трендами или представлять собой случайные последовательности. В частности, многолетние экстремальные, годовые и сезонные температуры описываются как с помощью функциональных зависимостей, так и законов распределения вероятностей. Осадки, паводки и половодья, как правило, представляют собой случайные величины.
Для выделения природных событий как составляющих многолетних рядов наблюдений использован статистический и физический критерий перехода явления в событие, а также иерархический подход, позволяющий определять четыре уровня последовательностей, учитывающих волнообразные изменения параметра. Исследования показали, что второй уровень последовательности близок событиям, определенным по критерию перехода значения в событие, согласно двухуровневой модели.
На основе приведенных подходов к оценке событий, среди них можно выделить редкое явление, характеризуемое наибольшим (наименьшим) значением последовательности с учетом историко-архивных свидетельств. Для иерархической модели таковыми являются величины (величина) четвертого уровня.
Очевидно, что многолетние ряды в виде ежегодных данных, последовательности событий как части этого ряда и редкие явления, представляющие собой одно или два значения за исторический период, обладают своими особенностями изменчивости. В частности, они описываются разными законами распределения вероятностей, характеризуются различной связностью, оказывают неодинаковое влияние на хозяйственную деятельность человека [5]. Кроме того, проявления событий и редких явлений могут быть связаны с переходными климатическими процессами: смена потепления похолоданием или наоборот. Поскольку при выделении событий, а тем более редкого явления, уменьшается объем информации, для моделирования применим метод статистических испытаний.
Именно редкими событиями причиняется наиболее значительный ущерб хозяйственной деятельности. При этом сумма материальных потерь от одного такого явления может в несколько раз превышать многолетние убытки от событий, нередко сопровождаясь человеческими жертвами.
На основании исследований редких природных событий как наибольших (наименьших) значений за историческое прошлое, получены следующие результаты.
Во-первых, для минимальной зимней температуры редким считается событие, соответствующее значению векового цикла. Такое событие повторяется примерно 1 раз в 100 лет. При этом в эпоху проявления наиболее мощного события наблюдаются максимальные серии холодных зим или близкие к ним, что подтверждено значимой зависимостью между наименьшими минимальными температурами и числом событий, им соответствующим, по данным различных пунктов наблюдений и связями тех же параметров для рассматриваемой территории (рис. 3).
Линейное выражение, описывающее корреляцию индексов суммарных экстремумов наименьших минимальных температур и серий событий, имеет вид Simin = 0,051ф,л + 0,844. Причем оно является значимым.
Во-вторых, аналогичные связи получены для максимальных летних температур. Однако устойчивость уравнения для параметра тепла уступает зависимости, показанной на рис. 3.
В-третьих, согласно полученным значениям коэффициентов корреляции между числом событий
ф max и наибольшими суточными осадками л^Х, в
лтах
11-летних циклах наблюдается положительная зависимость. Однако связи между этими параметрами ниже, чем для минимальных температур.
В-четвертых, для максимальных расходов воды дождевых паводков имеют место связи
Фтах = f (Q^i), когда наибольшим сериям
Qmax i
предшествует редкий паводок. К этому следует добавить, что, с учетом редких максимальных расходов воды за исторический период, построены законы распределения вероятностей, из которых для оценки событий и наибольшего значения предложено распределение Пирсона III типа. Ввиду рассеяния вероятности непревышения и значения максимального события разработаны алгоритмы их оценки с применением метода статистических испытаний [6].
В-пятых, анализ редких событий и максимальных серий разных явлений показывает, что они наблюдаются в различные эпохи. Определены годы с наименьшими суммарными вероятностями сочетания природных событий тепла и увлажнения для отдельных пунктов наблюдений. Наиболее неблагоприятным для хозяйственной деятельности в южной части юга Восточной Сибири был 2001 г., когда наблюдались высокие паводки, наибольшие суточные осадки и максимальные летние температуры. При этом зима характеризовалась очень низкой минимальной температурой. В 2001 г. имели место: гибель людей от сильного холода; ущерб в размере 250 млн руб. от наводнения в летний период; уменьшение урожая зерновых культур. Для средней части территории подобным был 1980 г., когда только от дождевого паводка ущерб экономике Иркутской области составил несколько десятков млн руб.
1,32
1,30
0,98
0,96
0,94
0.92
0.90
0.86
0.84
0,82
♦
л
♦
♦
10
15
20
25
30
Фы,
Рис. 3. Линейная зависимость индекса суммарного экстремума минимальных температур воздуха от серий событий в 11-летних циклах солнечной активности, по данным пяти пунктов наблюдений (Иркутск, Зима, Тулун,
Нижнеудинск, Киренск)
Следует подчеркнуть редкую частоту формирования нескольких событий различного происхождения в один и тот же год. Чаще наблюдаются сочетания гидрологических событий, причиняющих значительный ущерб прежде всего сельскому хозяйству и населению региона. Это свойство имеет значение при моделировании производства сельскохозяйственной продукции в неблагоприятных условиях ведения хозяйства с использованием задач стохастического программирования [2].
На основе анализа формирования природных событий и моделирования их изменчивости можно сделать вывод, что число событий за последние двадцать лет не возрастало. Определены эпохи серий событий различного происхождения за более чем 110-летний период с учетом историко-архивных свидетельств. Выделены и проанализированы годы с редкими собы-
тиями и редким сочетанием событий. Первое десятилетие XXI в. характеризовалось проявлением серий локальных засух, из которых выделяется редкое засушливое явление 2003 г., когда валовой сбор зерна оказался очень низким. Между тем в 2001 г. на реках юга Ангарского бассейна наблюдались высокие паводки, уступившие по величине лишь подобным гидрологическим событиям 1952 г. Значительный материальный ущерб сельскому хозяйству и другим отраслям нанесен весенним половодьем 2006 г.
Оценка гидрологических событий и их сочетания с другими явлениями способствует решению различных практических задач: например, определению масштабов эрозионных процессов и деформации русел рек; планированию производства сельскохозяйственной продукции в условиях рисков и др.
Статья поступила 28.08.2014 г.
Библиографический список
1. Белякова А.Ю., Иваньо Я.М. Вероятностные модели экстремальных гидрологических явлений в задачах оптимизации сельскохозяйственного производства. Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2009. 151 с.
2. Бузина Т.С., Иваньо Я.М. Модели оптимизации взаимодействия участников в агропромышленных кластерах с вероятностными параметрами // Стохастическое программирование и его приложение. 2012. № 1. С. 265-277.
3. Вашукевич Е.В., Иваньо Я.М. Математические модели аграрного производства с вероятностными характеристиками засух и гидрологических событий. Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2012. 150 с.
4. Иваньо Я.М. Изменчивость климатических характеристик и аграрное производство: сб. статей международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию образо-
вания ИрГСХА (25-29 мая 2009 г.). Иркутск: НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2009. С. 31-38.
5. Иваньо Я.М. Моделирование производственных процессов сельскохозяйственного предприятия с учетом оценок выдающихся климатических событий // Вестник ИрГСХА. 2010. № 41. С. 139-147.
6. Иваньо Я.М., Петрова С.А. О двух алгоритмах оптимизации производства растениеводческой продукции с учетом оценок редких природных событий // Научно-практический и информационно-аналитический журнал «Экологический вестник». 2013. № 2 (24). С. 91-97.
7. Иваньо Я.М. Экстремальные природные явления: методология, моделирование и прогнозирование. Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2007. 266 с.
