Увлажнение засушливых земель Европейской территории России: настоящее и будущее Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

————— СИСТЕМНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ —==———

УДК 551.5

УВЛАЖНЕНИЕ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ ЕВРОПЕЙСКО Й ТЕРРИТОРИИ РОССИИ: НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ1

© 2014 г. А.Н. Золотокрылин, Т.Б. Титкова, Е.А. Черенкова

Институт географии Российской академии наук Россия, 119017Москва, Старомонетный переулок, 29. E-mail: azolotokrylin1938@yandex.ru

Поступила 30.04.2013

Исследовано развитие увлажнения засушливых земель Европейской территории России во второй половине ХХ в. - первой трети XXI в. Выявлено увеличение увлажнения территории в последние десятилетия ХХ в. Смена тенденции увлажнения произошла в начале XXI в. Модельные оценки будущего климата России, полученные по ансамблю 31 МОЦАО проекта CMIP5 в период 2011-2030 гг., свидетельствуют о сохранении устойчивой отрицательной тенденции увлажнения.

Ключевые слова: коэффициент увлажнения, осадки, испаряемость, SCEI, SWI, NDVI, гидротермический коэффициент.

Увлажнение в климатологическом смысле - это соотношение между количеством выпадающих осадков и испаряемостью за год, выраженное коэффициентом увлажнения. Под летним увлажнением понимается отношение суммы осадков к испаряемости в сезон активной вегетации. К засушливым относятся аридные, семиаридные и сухие субгумидные земли, где коэффициент увлажнения изменяется в диапазоне от 0.05 до 0.65 (UNCCD, 1994).

Засушливые земли России характеризуются повышенным увлажнением в последние десятилетия ХХ в. по отношению к предыдущим. Рост увлажнения наблюдался не только на засушливых землях, но и на большей части Европейской территории России (ЕТР) и Западной Сибири, включая целиком суббореальные ландшафты (Сиротенко и др., 2007; Черенкова, Золотокрылин, 2010; Золотокрылин, Черенкова, 2011; Титкина и др., 2011). В гумидизации климата территории основную роль играли осадки, а не изменения испаряемости. Увеличение осадков неоднократно отмечалось исследователями на территории, включающей засушливые земли (Семенов, Гельвер, 2003; Сотнева, 2005; Вомперский и др., 2006; Сажин и др., 2006; Опарин, 2007; Кузьмина, 2007; Золина, 2011).

Цель работы состоит в исследовании развития увлажнения засушливых земель ЕТР во второй половине ХХ в. на примере двух территорий: Кумо-Манычской впадины и Северо-Западного Прикаспия. Авторы, попытаются оценить тенденцию увлажнения в будущем опираясь на метеорологические наблюдения и на подготовленные Главной геофизической обсерваторией (ГГО) Росгидромета новые модельные данные о будущем климате России для интервала 2011-2030 гг.

Территория, данные и методика исследования

Исследование проводилось для территории сухих степей Кумо-Манычской впадины (4547.5° с.ш., 40-46° в.д.), а также полупустынных и пустынных ландшафтов Северо-Западного Прикаспия (44-51° с.ш., 44-51° в.д.).

Были использованы суточные и средние месячные данные наблюдений за температурой воздуха и осадками 11-ти метеостанций на заданных территориях за период 1936-2012 гг. из архива ВНИИГМИ-МЦД: http://www.meteo.ru).

В качестве спутниковой информации анализировались данные MODIS Центра LP DAAC NASA за период 2000-2012 гг., включающие альбедо, температуру поверхности, NDVI (https://lpdaac.usgs.gov/lpdaac/products/modis_products). Данные имеют пространственное разрешение

1 Работа выполнена при финансовой поддержке Программы ОНЗ-13 РАН: Проект «Опустынивание засушливых земель юга России в контексте изменений климата».

0.05° х 0.05° (всреднем 5600 х 5600 м) и представлены за сроки: 9-25 мая, 26 мая - 9 июня, 10-25 июня, 26 июня - 11 июля, 12-27 июля, 28 июля - 12 августа, 13-28 августа. Альбедо (A) - спутники MODIS/Terra+Aqua BRDF/Albedo, модель MCD43 C1 версии 005 с дискретностью 16 дней. Индекс растительности (NDVI) - MODIS/Terra, модели MOD13C1 - версии 005 с шагом в 16 дней. Температура поверхности (Ts) - MODIS/Terra, модель MOD11 C2- версии 005, с периодичностью 8 дней. По двум 8-ми дневным срокам вычислялось среднее за период 16 дней, идентичным периодам для альбедо и NDVI.

Средние месячные данные о почвенной влажности получены из 2-х слойной модели TU-Wien пространственного разрешения 12.5 х 12.5 км за периоды 1992-2000 и 2007-2011 гг. (Bartalis at а1., 2007). 1-й слой представлен значениями влажности почвы на поверхности по измерениям радиометрами со спутников ERS-1 и ERS-2, содержащих информацию о коэффициентах обратного рассеяния. Значения из 1-го слоя были приведены к единому углу наклона 40° и пересчитаны в относительные единицы (%) с учетом зависимости условий увлажнения почвы от географического местоположения, полученным из исторических данных. Данные 2-го слоя (индекс почвенной влаги SWI) показывают содержание воды в процентах в почвенной толще глубиной до 1 м. На основе значений SWI был рассчитан показатель MDSWI как разность площадей (в %) с положительными и отрицательными экстремумами влажности почвы.

В работе проанализирован межгодовой ход осредненных по выбранным территориям годовых и сезонных сумм осадков, коэффициента годового увлажнения (коэффициент увлажнения К. Торнтвейта, КУТ), гидротермического коэффициента Г.Т. Селянинова (ГТК), спутникового индекса климатических экстремумов увлажнения (Satellite Climatic Extreme Index, SCEI) и влажности почвы (Soil Water Index, SWI).

Так как методики расчета рассмотренных выше коэффициентов и индексов неоднократно публиковались и обсуждались на страницах журнала «Аридные экосистемы» (КУТ - Золотокрылин, Черенкова, 2009; ГТК - Черенкова, 2009; SCEI - Золотокрылин, Титкова, 2012), то их описание далее опускается. Кратко остановимся только на описании показателя MDSCEI (Moisture-Drought), вычисляемого по данным спутникового индекса SCEI. Положительное значение SCEI определяет увлажнение выше нормы (M) на территории, а отрицательное - ниже нормы (D, засуху). Показатель MDSCEI представляет собой разность площадей с положительными и отрицательными значениями SCEI на территории и полезен для оценки тенденции увлажнения засушливых земель. Аналогично вычислялся показатель MDSWI экстремумов влажности почвы SWI.

В работе также использованы подготовленные Главной геофизической обсерваторией им. А.И. Воейкова данные о будущем климате России (осадки) в период 2011-2030 гг. Возможные изменения осадков (нормализованные, %) рассмотрены относительно базового периода 1981-2000 гг. и получены путем осреднения результатов расчетов по 31-й климатической модели общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО), участвующих в международном проекте сравнения глобальных климатических моделей CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project) и использующих современные сценарии семейства RCP (Representative Concentration Pathways) антропогенного воздействия на климатическую систему Земли. Рассмотрен «умеренный» сценарий RCP 4.5 и «жесткий» сценарий RCP 8.5, получившие свои названия в соответствии с ожидаемым к 2100 г. согласно каждому сценарию уровнем радиационного воздействия (4.5 W/m2 и 8.5 W/m2 соответственно; WCRP..., 2011).

Результаты и их обсуждение

Рассмотрим межгодовые изменения КУТ и ГТК на территории Кумо-Манычской впадины и Северо-Западного Прикаспия, принимая во внимание, что осадки играют основную роль в изменениях этих коэффициентов (рис. 1). Как видно из рисунка 1 изменения КУТ и ГТК достаточно хорошо согласованы (коэффициент корреляции временных рядов за период 1951-2011 гг. составил 0.78 для Кумо-Манычской впадины и 0.89 - для Северо-Западного Прикаспия), что указывает на значимость вклада увлажнения сезона вегетации в годовое увлажнение. Также в большинстве случаев годы экстремумов увлажнения совпадают на сравниваемых территориях. Гумидизация во второй половине ХХ в. отражена нелинейным трендом. Периоды значимого для растительности повышения увлажнения наблюдались в Кумо-Манычской впадине в 1974-2006-х гг., а в СевероАРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2014, том 20, № 2 (59)

Западном Прикаспии - в 1987-2006-х гг. Они трактуются как фазы ослабления аридизации и увереннее выделяются по годовому увлажнению. Даже укороченной фазы ослабления аридизации оказалось достаточным для начала восстановления растительного покрова на территории СевероЗападного Прикаспия. Следует отметить, что резкое снижение увлажнения произошло почти одновременно на обеих территориях в середине первого десятилетия XXI в.

КУТ

Годы

Рис. 1. Межгодовой ход годового увлажнения (КУТ) в период 1951-2011 гг. на территории Кумо-Манычской впадины (сплошная линия), Северо-Западного Прикаспия (пунктирная линия). Прямые линии: средние значения КУТ в периоды 1951-1980 и 1981-2011 гг. Тонкой линией показан полиномиальный тренд 3-го порядка. Fig. 1. Interannual variations of the annual humidification (Moisture Index, MI) in the period 1951-2011 in the Kuma-Manych depression (solid line), North-West Caspian (dotted line). Direct line: mean MI values in the periods 1951-1980 and 1981-2011. The polynomial trend of the third order is shown by the thin line.

Изменение годового увлажнения на сравниваемых территориях было синхронным до 1987 г. (рис. 1). Затем увлажнение территории Северо-Западного Прикаспия, достигнув своего максимального значения в 1989 г., начало понижаться, а увлажнение территории Кумо-Манычской впадины стало снижаться после максимума в 2005 г. Наиболее резкий качественный скачок в сторону увеличения годового увлажнения Северо-Западного Прикаспия произошел в период 1986-1989 гг.

Наибольшее увлажнение в сезон активной вегетации в период 1951-2012 гг. наблюдалось на территории рассмотренных районов в различные временные интервалы: на территории Кумо-Манычской впадины - в 1973-1978 гг., а в Северо-Западном Прикаспии - в 1989-2003 гг. (рис. 2).

Рост увлажнения Кумо-Манычской впадины произошел почти одновременно с началом интенсификации глобального потепления (конец 1970-х годов). Относить данное повышение увлажнения вегетационного сезона к региональному проявлению глобального потепления пока нет достаточных оснований. Вероятнее, что наблюдалась многолетняя положительная аномалия влажности регионального климата.

Принимая во внимание эту точку зрения, дополнительно рассмотрим межгодовой ход экстремумов увлажнения (показатель MDSCEI), экстремумов влажности почвы (показатель MDSWI) и NDVI в последнее десятилетие.

Как видно из рисунка 3, на обеих территориях площадь, затрагиваемых засухой, увеличивалась по отношению к площади с переувлажнением. Отрицательные тренды показателя MDSCEI отмечались во все сроки наблюдений. Хотя статистическая значимость линейных трендов показателя невелика, они все же отражают слабую тенденцию иссушения территорий.

Из имеющегося неполного ряда данных MDSWI (рис. 4) в период с 1992 г. по 2011 г. можно сделать только предварительное заключение о характере изменения этого индекса. В мае в период 1992-2000 гг. площадь отрицательных экстремумов влажности почвы стала доминировать по отношению к площади положительных экстремумов на территории Северо-Западного Прикаспия с 1994 г., а в Кумо-Манычской впадине - с 1996 г., до этого наблюдалась обратная тенденция.

Следующий период 2007-2011 гг. характеризуется всреднем как более влажный по сравнению с периодом 1992-2000 гг. Выявленные особенности межгодового изменения экстремумов почвенной влажности в мае сохраняются и в июне. Из вышесказанного следует, что влажность почвы в мае повышалась на территории в начале и в конце рассмотренного периода. Необходимо также отметить, что межгодовые изменения показателя в мае в период 2007-2011 гг. согласуются с

соответствующими изменениями показателей МВЗСЕ1 и КБУ1.

ГТК

Годы

Рис. 2. Межгодовой ход увлажнения сезона активной вегетации (ГТК) в период 1951-2012 гг. на территории: Кумо-Манычской впадины (сплошная линия), Северо-Западного Прикаспия (пунктирная линия). Условные обозначения: прямые линии - средние значения ГТК в периоды 1951-1980 и 1981-2012 гг.; тонкой линией показан полиномиальный тренд 3-го порядка. Fig. 2. Interannual variations of the humidification in vegetation season (GTK) in the period 1951-2011 in the Kuma-Manych depression (solid line), North-West Caspian (dotted line). Symbols: Direct line - mean GTK values in the periods 1951-1980 and 1981-2011; the polynomial trend of the third order is shown by the thin line.

MD scei

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Годы

Рис. 3. Межгодовой ход MDSCEI (%) с линейным трендом за период 9-25 мая на территории Кумо-Манычской впадины (сплошная линия) и Северо-Западного Прикаспия (пунктир). Fig. 3. Interannual variations MDSCEI (%) with the linear trend in the period 9-25 May in the Kuma-Manych depression (solid line) and in the North-West Caspian (dotted line).

Представляет интерес сравнение наметившейся отрицательной тенденции увлажнения с изменением индекса растительности NDVI в последнее десятилетие на исследуемых территориях. Как видно из рисунка (рис. 5), тенденция изменения NDVI отрицательная, хотя значимость тренда невелика. Скорость снижения NDVI выражена сильнее на территории Северо-Западного Прикаспия, чем на территории Кумо-Манычской впадины. Таким образом, выявленная слабая тенденция

уменьшения увлажнения на исследуемых территориях в XXI в. проявилась также в снижении NDVI.

Результаты, полученные при анализе ансамблевых расчетов годовых осадков и осадков сезона вегетации на глобальных климатических моделях CMIP5, ориентируют на следующий ответ на вопрос о сохранении наметившейся отрицательной тенденции увлажнения засушливых земель ЕТР в XXI в. По оценкам ансамблевых расчетов 31-й МОЦАО количество годовых осадков в период 20112030 гг. согласно сценарию RCP 4.5 увеличится на всей рассмотренной территории (таблица). В Кумо-Манычской впадине рост годовых осадков не превысит всреднем 3%, а в Северо-Западном Прикаспии - 5%. Рост годовых осадков произойдет, в основном, за счет осадков холодного периода и весенних осадков. С другой стороны, уменьшение суммы осадков на территории Кумо-Манычской впадины ожидается в июле-сентябре и в ноябре всреднем на 5-10%, а в Северо-Западном Прикаспии - в августе-сентябре и в ноябре до 5%.

MD SWI

Годы

Рис. 4. Межгодовой ход MDSWI (%) в мае на территории Кумо-Манычской впадины (сплошная линия) и Северо-Западного Прикаспия (пунктир). Fig. 4. Interannual variations MDSWI (%) in May in the Kuma-Manych depression (solid line) and in the North-West Caspian (dotted line).

NDVI

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Годы

Рис. 5. Межгодовой ход NDVI за период 9-25 мая на территории Кумо-Манычской впадины (сплошная линия) и Северо-Западного Прикаспия (пунктир). Fig. 5. Interannual variations of NDVI for the period 9-25 May in the Kuma-Manych depression (solid line) and in the North-West Caspian (dotted line).

Другой сценарий RCP 8.5 предполагает аналогичные по знаку изменения годовых осадков и осадков вегетационного сезона в период 2011-2030 гг. на обеих территориях. Согласно этому сценарному прогнозу суммарные годовые осадки в Кумо-Манычской впадине могут возрасти до 4%, а в Северо-Западном Прикаспии - до 7%. Снижение количества осадков с июля по сентябрь на

территории Кумо-Манычской впадины может составить 10-12%.

Таким образом, с некоторой долей уверенности можно предположить, что тенденция медленного иссушения исследуемых территорий, по крайней мере в сезон вегетации, сохранится в ближайшие годы.

Таблица. Возможные изменения осадков (%) в период 2011-2030 гг. по ансамблю 31-й МОЦАО CMIP5 относительно базового периода 1981-2000 гг. на территории Кумо-Манычской впадины (1) и Северо-Западного Прикаспия (2) согласно сценариям RCP 4.5 и RCP 8.5. Table. Possible changes in precipitation (%) in the period 2011-2030 as projected by an ensemble of GCM CMIP5 in comparison with the base period 1981-2000 in the Kuma-Manych depression (1) and the North-West Caspian (2) according to the scenarios RCP 4.5 and RCP 8.5.

я о январь февраль март апрель май июнь июль август сентябрь октябрь ноябрь декабрь

RCP 4.5

1 10 10 10 7 9 4 -5 -10 -10 7 -5 10

2 7 7 10.8 10 12 9 5 -5 -7 8 -5 10

RCP 8 .5

1 10 10 9 7 10 5 -12 -10 -10 10 5 12

2 10 11 10 8 12 12 -5 5 -5 10 7 10

Заключение

Многолетняя положительная аномалия влажности регионального климата наблюдалась на засушливых землях ЕТР во второй половине ХХ в. Увлажнение Кумо-Манычской впадины и СевероЗападного Прикаспия изменялось почти синхронно до начала 1990-х годов. Максимальное увлажнение Северо-Западного Прикаспия отмечалось в конце 1980-х годов, а Кумо-Манычской впадины в середине первого десятилетия XXI в. Затем стала формироваться слабая отрицательная тенденция увлажнения на исследуемых территориях, которая в первом десятилетии XXI в. подтверждается увеличением площади засух по сравнению с площадью переувлажненных участков и снижением индекса растительности NDVI. Скорость нарастания площади засух и уменьшения NDVI была выше на территории Северо-Западного Прикаспия, чем на территории Кумо-Манычской впадины.

Наметившаяся в XXI в. смена тенденции увлажнения не противоречит рассмотренным сценарным прогнозам будущего климата на засушливых землях ЕТР. Согласно прогнозам ожидается снижение количества осадков во второй половине лета - начале осени на территории Кумо-Манычской впадины и Северо-Западного Прикаспия в период 2011-2030 гг., что возможно поддержит тенденцию снижения увлажнения засушливых земель.

Полученные результаты детализируют представление о будущем развитии климатической составляющей опустынивания засушливых земель ЕТР.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Вомперский С.Э., Добровольский Г.В., Сапанов М.К., Сиземская М.Л., Соколова Т.А. 2006. Рукотворный лесной

оазис в полупустыне // Вестник РАН. Т. 76. № 9. С. 798-804. Золина О.Г. 2011. Изменение длительности синоптических дождевых периодов в Европе с 1950 по 2008 годы и

их связь с экстремальными осадками // Доклады РАН. Т. 436. № 5. С. 690-695. 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. Золотокрылин А.Н., Черенкова Е.А. 2009. Площадь засушливых земель равнин России // Аридные экосистемы. Т. 15. № 1 (37). С. 5-12.

Золотокрылин А.Н., Черенкова Е.А. 2011. Динамика границ зон увлажнения суббореальных ландшафтов России в ХХ-ХХ! веках // Известия РАН. Серия географическая. № 4. С. 33-41.

Золотокрылин А.Н., Титкова Т.Б. 2012. Спутниковый индекс климатических экстремумов засушливых земель // Аридные экосистемы. Т. 18. № 4 (53). С. 5-12.

Кузьмина Ж.В. 2007. Анализ многолетних метеорологических трендов на юге России и Украины (от лесостепи до пустыни) // Аридные экосистемы. Том 13. №32. С. 47-59.

Новикова Н.М., Волкова Н.А., Уланова С. С., Шаповалова И.Б., Вышивкин А.А. 2011. Ответные реакции экосистем на изменение водного режима территорий в степной зоне // Аридные экосистемы. Т. 17. № 3. С. 38-48.

Опарин М.Л. 2007. Антропогенная трансформация и естественное восстановление биоты сельскохозяйственных ландшафтов Нижнего Поволжья и Закавказья // Автореф. дис. ... докт. биол. наук. Москва. 46 с.

Сажин А.Н., Петров С.А., Погосян Н.В., Васильев Ю.И., Волошенкова Т.В., Козина О.В., Моников С.Н. 2006. Связь внутривековых изменений увлажнения со сменой циркуляционных эпох и ее отражение в природных процессах Атлантико-Европейского сектора Евразии // Известия РАН. Серия географическая. №1. С. 26-34.

Семенов С.М., ГельверЕ.С. 2003. Климатические изменения годовой суммы осадков и частоты измеренных осадков на территории России и соседних стран в ХХ веке // Доклады РАН. Т. 393. № 6. С. 818-821.

Сотнева Н.И. 2005. Динамика климатических условий второй половины ХХ в. района Джаныбекского стационара Северного Прикаспия // Известия РАН. Серия географическая. № 4. С. 74-83.

Титкова Т.Б. 2003. Изменения климата полупустынь Прикаспия и Тургая в ХХ в. // Известия РАН. Серия географическая. № 1. С. 106-111.

Черенкова Е.А., Золотокрылин А.Н. 2010. Реакция границ зон увлажнения равнин России на изменения климата // Метеорология гидрология. № 12. С. 17-25.

Черенкова Е.А. 2009. Сравнение показателей увлажнения суббореальных равнинных ландшафтов России // Аридные экосистемы. Т. 15. № 4(40). С. 5-12.

Bartalis Z., Wagner W., Naeimi V., Hasenauer S., Scipal K., Bonekamp H., Figa J., Anderson C. 2007. Initial soil moisture retrievals from the METOP-A Advanced Scatterometer (ASCAT) // Geophysical Research Letters. Vol. 34. P. 13-29. L20401. Doi:10.1029/2007GL031088.

United 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.

WCRP Coupled Model Intercomparison Project - Phase 5. 2011 // Special Issue of the CLIVAR Exchanges Newsletter. No. 56. Vol. 15. No. 2. P. 32-46.

HUMIDIFICATION OF DRYLAND OF THE EUROPEAN RUSSIA: THE PRESENT AND FUTURE

© 2014. A.N. Zolotokrylin, T.B. Titkova, E.A. Cherenkova

Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences Russia, 119017Moscow, Staromonetnyiper., 29, E-mail: azolotokrylin1938@yandex.ru

Evolution of dryland humidification of the European Russia in the second half of the 20th century - the first third of the 21st century was investigated. The humidification of the territory increased in recent decades of the 20th century. Tendency of humidification changed in the beginning of the 21st century. According to the model estimates of future climate of Russia as projected by an ensemble of global climate models CMIP5 during the period of 2011-2030, negative trend of the humidification will be sustained.

Keywords: moisture index, precipitation, evapotranspiration, SCEI, SWI, NDVI, hydrothermal coefficient.