CC BY
20УДК 551.583.16
DOI: 10.24412/cl-36359-2021-849-853
ВЕСЕННЕ-ЛЕТНИЕ ЗАСУХИ В СТЕПЯХ ОРЕНБУРЖЬЯ: СОВРЕМЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ И МОДЕЛЬНЫЕ ПРОГНОЗЫ
SPRING-SUMMER DROUGHTS IN THE STEPPES OF THE ORENBURG REGION: MODERN CHANGES AND MODEL FORECASTS
Е.А. Черенкова, А.Н. Золотокрылин, Т.Б. Титкова E.A. Cherenkova, A.N. Zolotokrylin, T.B. Titkova
Институт географии Российской академии наук, Москва, Россия Institute of Geography, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
E-mail: [email protected]
Аннотация. Исследованы современные и ожидаемые изменения повторяемости атмосферной засухи поздней весной - в начале лета в степях Оренбуржья. Показано, что изменения ресурсов атмосферной влаги в мае-июне были неблагоприятными для посевов в 1991-2018 гг. по сравнению с 1961-1990 гг., они были обусловлены ростом частоты засух. Наибольшее увеличение частоты засухи (до 168%) наблюдалось в типчаково-ковыльной степи на востоке Оренбургской области, а также в степи и лесостепи на западе области. Каждая из засух привела к недобору урожая яровой пшеницы в Оренбургской области, что подтверждается отрицательными отклонениями областной урожайности от тренда (в среднем 4,8 ц/га). Модельные проекции будущего климата свидетельствуют о возможном снижении частоты засух в начале вегетации на исследуемой территории к середине XXI века.
Ключевые слова: весенне-летняя засуха, урожайность яровой пшеницы, Оренбургская область.
Abstract. Modern and expected changes in the frequency of atmospheric drought in late spring - early summer in the Orenburzhje were studied. It is shown that changes in atmospheric moisture resources in May-June were unfavorable for crops in the period 1991-2018 in comparison with 1961-1990. The changes were due to the increased frequency of droughts from May to June. The largest increase in the frequency of drought (up to 168%) was observed in the fescue-feather grass steppe in the east of the Orenburgskaya oblast, as well as in the steppe and forest-steppe in the west of the region (on average 4.8 c/ha). Model projections of the future climate indicate a possible decrease in the frequency of drought at the beginning of the crop growing season in the Orenburgskaya oblast by the middle of the 21st century.
Keywords: spring-summer drought, yield of spring wheat, Orenburgskaya oblast.
При разработке мер по смягчению последствий изменений климата, важна региональная оценка сельскохозяйственных рисков, связанных с прогнозируемыми климатическими изменениями. Погодные факторы, в том числе, экстремальные климатические события, наблюдаемые в различные фазы вегетации сельскохозяйственных растений, играют немаловажную роль в производстве зерна в основных зерносеющих регионах России. Изменения климата, касающиеся роста теплообеспеченности посевов, повышения средней температуры холодного периода года, увеличения продолжительности вегетационного периода в последние несколько декад, были позитивными для повышения продуктивности зерновых культур [2]. На этом фоне повышается актуальность исследований наблюдаемых и ожидаемых изменений увлажнения и его экстремумов в различные периоды развития сельскохозяйственных растений, поскольку эти изменения не во всех регионах оказываются благоприятными. Оренбургская область является одним из ключевых звеньев в европейском зерновом поясе России. Существенная изменчивость увлажнения в регионах неустойчивого увлажнения, к которым относится территория сухих степей Оренбуржья, ассоциируется с нестабильностью урожаев. Для Оренбургской области наиболее актуальным является
выращивание различных сортов яровой пшеницы, что подтверждается отведением под их посевы более половины сельхозземель, предназначенных зерновых и зернобобовых культур.
Атмосферно-почвенные условия соотношения тепла и влаги во время начальной фазы вегетации сельскохозяйственных культур, которая, согласно статистике для регионов юга Европейской России, приходится на май и июнь, оказывают существенное влияние на формирование урожая. Важную роль в формировании урожая яровой пшеницы в Европейской России играют запасы продуктивной весенней влаги в пахотном слое почвы. Отмечается важность условий атмосферного увлажнения в мае-июне: засуха в этот период обуславливает резкое снижение продуктивности зерновых культур. В работе [3] показано, что частота весенне-летних засух на территории области в более засушливые периоды увеличивалась в 2,5 раза по сравнению с более влажными периодами. Наиболее тесные прямые (положительные) связи урожайности в регионах Среднего Поволжья и Заволжья наблюдались с влагообеспеченностью посевов в мае и в июне (количеством осадков и ГТК в эти месяцы, а также средними значениями ГТК в мае-июне) [6]. Изменениями ГТК Селянинова в мае-июне объясняется почти половина изменчивости урожайности яровой пшеницы в Оренбургской области [1]. Что подтверждает ведущую роль периода май-июнь в формировании урожая зерновых культур.
Целью данного исследования является анализ современных и ожидаемых изменений повторяемости атмосферных засух поздней весной - в начале лета, приводящих к низкой урожайности яровой пшеницы в Оренбургской области.
Частота засух на юге Европейской России в период 1961-2018 гг. исследована с помощью стандартизированного индекса осадков Standardized Precipitation Index (SPI). Значения индекса SPI получены посредством преобразования, переводящего функцию вероятности гамма-распределения, аппроксимирующего эмпирическое распределение количества осадков, в функцию нормального распределения с нулевым средним и среднеквадратическим отклонением, равным единице [9]. 2-х месячный SPI в июне был рассчитан по данным суммарных осадков в мае и июне. Согласно алгоритму, отрицательные значения индекса SPI означают дефицит осадков. Значения SPI <= -1, по статистике наблюдающиеся в 15,87% случаев [8], указывают на атмосферную засуху, обусловленную недостатком осадков. Как правило, такая засуха в вегетационный сезон ассоциируется не только с дефицитом осадков, но и с высокими температурами воздуха. Сильная засуха наблюдается при значениях индекса SPI <= -1,5, а экстремальная - при значениях <= -2. Положительные значения SPI указывают на достаточное количество осадков. В данном исследовании значения индекса SPI были рассчитаны с помощью инструментария, созданного в Пиренейском Институте Экологии (Instituto Pirenaico de Ecología) [12]. Для расчета SPI применялись данные глобального архива среднемесячных осадков CRU TS 4.3 Университета Восточной Англии с пространственным разрешением 0.5°х0.5° [10]. Согласно произведенным расчетам, 2-х месячный индекс SPI в июне коррелирует с суммарными осадками с мая по июнь на территории Оренбургской области с коэффициентом корреляции не менее 0,97 в каждом узле сетки данных в пределах границы исследуемой территории. Для оценки ожидаемой частоты засух к середине XXI века по сравнению с базовым периодом 1961-1990 гг. использованы данные модельных проекций будущего климата из глобального архива Центра анализа экологических данных [7], содержащего результаты численных экспериментов с глобальными моделями общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО) проекта CMIP6 (6-ая фаза международного проекта сравнения моделей). Ансамблевые оценки получены при осреднении данных 2-х месячного SPI, рассчитанного по данным о суммарных осадках в мае и июне МОЦАО CNRM-ESM2-1, GFDL-ESM4, MPI-ESM1 -2-HR, MRI-ESM2-0 и NorESM2-MM. Было использовано три сценария SSP126, SSP 245 и SSP 585 [10], отражающих различные социально-экономические пути общества в XXI веке и уровни эмиссии парниковых газов. Относительная ошибка воспроизведения частоты засух с мая по июнь ансамблем климатических моделей в период 1961-1990 гг. рассчитывалась как отношение разности средней частоты засух по данным ансамбля моделей и климатическим данным к средней частоте засух по климатическим данным.
Как показано на рисунке 1а, региональное влияние современных изменений климата на юге ЕТР проявилось в росте частоты атмосферных засух с мая по июнь на территории Среднего Поволжья, Оренбуржья, Кубани и Ставрополья. В период 1991-2018 гг. отмечен статистически значимый рост частоты таких засух в Оренбургской области в среднем на 114% по сравнению с частотой их наблюдения (в среднем 7 событий /100 лет) в 1961-1990 гг. Частота засух в этот период возрастала практически на всей территории области за исключением разнотравно-типчаково-ковыльных степей западнее Оренбурга. Наибольшее увеличение частоты засух (до 168%) наблюдалось в типчаково-ковыльной степи на востоке Оренбургской области, а также в степи и лесостепи на западе области (рисунок 1а).
Рисунок 1. Изменение частоты засух (число событий/год) с мая по июнь на юге ЕТР в 1991-2018 гг. по сравнению с 1961-1990 гг. согласно данным стандартизированного индекса осадков Standardized Precipitation Index (SPI) (а) и пространственное распределение значений 2-х месячного SPI в июне в 1998 г. на юге ЕТР (б). Заливкой серого цвета на рис. (а) отмечены регионы роста частоты засух, значимые изменения - точками.
Засухи с мая по июнь в Оренбургской области в период 1961-2018 гг. наблюдались в течение пяти лет из 26-ти лет с отрицательными отклонениями областной урожайности яровой пшеницы от линейного тренда. Крупномасштабные засухи с мая по июнь на юге ЕТР, охватившие и Оренбургскую область, наблюдались в 1975 г., 1987 г., 1991 г., 1998 г. (рисунок 1 б), 2010 г. и 2013 г. (таблица 1). Каждая из засух приводила к недобору урожая, что подтверждается отрицательными отклонениями урожайности яровой пшеницы от тренда (в среднем 4.8 ц/га для Оренбургской области) [5]. При этом наибольшее снижение урожайности яровой пшеницы было зафиксировано в 1975 г., 1987 г., 1998 г. и 2010 г.: отклонения областной урожайности составили -8,5 ц/га, -5,7 ц/га, -5,9 ц/га и -4,7 ц/га соответственно. Согласно данным индекса SPI, самые интенсивные засухи поздней весной - в начале лета на территории области в 1975 г., 1998 г. и 2010 г. относятся к категории экстремальных засух. Отметим, что значения SPI формально «не дотянули» до того, чтобы диагностировать в Оренбургской области засухи 1972 г. и 2018 г. (таблица 1), занимавшие значительную часть территории юга ЕТР. Полученные результаты согласуются с выводами, приведенными в работе [4].
Выявленная связь между засухами с мая по июнь и урожайностью в современный период позволила экстраполировать результаты на будущие периоды. Согласно данным ансамбля моделей, к середине XXI в. по сравнению с 30-летием во второй половине прошлого века ожидается уменьшение частоты аналогичных засух в Оренбургской области (таблица 2). В предположении сохранении этой связи в ближайшие несколько десятилетий и сохранении сроков сева яровой пшеницы, ожидаемые изменения количества атмосферных осадков поздней весной и в начале лета свидетельствуют о возможном увеличении влагообеспеченности посевов на исследуемой территории в начале активной вегетации в 2041-2060 гг.
Таблица 1.
Значения 2-х месячного индекса SPI в июне в 1961-2018 гг., осредненные в границах Оренбургской области. Значения индекса <=-1, сигнализирующие о наблюдении засухи с мая по
июнь, выделены курсивом.
<ч m «4 sn 00 Os о (N m «4 sn r-- 00 Os О (N m un sn 00 Os
чо sn sn sn sn sn sn sn sn r-- r-- r-- r-- r-- 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
OS OS ^ OS OS OS OS OS OS OS OS OS OS OS OS OS
os о <N m о m Os <N <N <N so о <N m m m
т О 1 о о о 1 О о о о о О о 1 О О О О i О О i о 1 О i О i О О i О О i о
о <N m sn 00 о (N m un sn r-- 00 О <N m un sn 00
os OS OS OS OS о о О о О о о о о о ^H
ОN OS OS OS OS OS о о О о О о о о о о О О О О О О О О о
<N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N
00 SO <N so ОС "О 00 Os МП <N oo SO SO m <N m Os
т о О 1 о о 1 о 1 о <N О О О О 1 О О О О О i <N О О i О i О О О О i
Таблица 2.
Изменения частоты засух с мая по июнь (число событий /100 лет) в периоды: 1991-2018 гг. по данным SPI (I) и в 2041-2060 гг. по данным ансамбля МОЦАО согласно сценариям SSP 126 (II), SSP 245 (III) и SSP 585 (IV), по сравнению с 1961-1990 гг., а также относительная ошибка
I II III IV V
8* -18* -10* -15* 133
Примечание: * - статистически значимые изменения.
Таким образом, частота атмосферных засух в мае-июне в степях Оренбуржья возросла в период 1991-2018 гг. по сравнению с 1961-1990 гг. Наблюдаемые в последние декады изменения были неблагоприятными для роста посевов в период их активной вегетации. Модельные проекции будущего климата свидетельствуют об увеличении ресурсов влагообеспеченности посевов в мае-июне в Оренбургской области к середине XXI в., обусловленном снижением частоты атмосферных засух в регионе.
Исследование выполнено в рамках научной темы ИГ РАН №0127-2019-0010 (АААА-А19-119102890091-1).
Список литературы
1. Вильфанд Р.М., Страшная А.И., Береза О.В. О динамике агроклиматических показателей условий сева, зимовки и формирования урожая основных зерновых культур // Труды Гидрометцентра России. 2016. Вып. 360. С. 45-78.
2. Второй оценочный доклад Росгидромета об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Москва: Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, 2014. 1003 с.
3. Золотокрылин А.Н., Титкова Т.Б., Черенкова Е.А. Характеристики весенне-летних засух в сухие и влажные периоды на юге Европейской России // Аридные экосистемы. 2020. Т. 26. № 4(85). С. 76-83.
4. Максютов Н.А., Зоров А.А. Засуха в Оренбуржье: причины и прогнозы // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2016. № 6 (62). С. 11-13.
5. РОССТАТ, 2021. Федеральная служба государственной статистики. Регионы России. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://eng.gks.ru/
6. Страшная А.И., Береза О.В., Павлова А.А. Агрометеорологические условия и прогнозирование урожайности зерновых и зернобобовых культур на основе комплексирования наземных и спутниковых данных в субъектах Приволжского федерального округа // Труды Гидрометцентра России. 2020. № 3(377). С. 71-91.
7. CEDA: Архив результатов численных экспериментов с климатическими моделями. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://data.ceda.ac.uk.
8. Edwards D.C., McKee T.B. Characteristics of 20th century drought in the United States at multiple time scales/ Climatology Report 97 - 2 Colorado State University Fort Collins Colorado. 1997.155 p.
9. Guttman N.B. Accepting the standardized precipitation index: a calculation algorithm // J. Am. Water Resour. Association. 1999. Vol. 35(2). P. 311-322.
10.Harris I., Jones P.D., Osborn T.J., Lister D.H. Updated high-resolution grids of monthly climatic observations-the CRU TS3. 10 Dataset // Int. J. Climatol. 2014. Vol. 34(3). P. 623-642.
11.Riahi K. and Coauthors, The Shared Socioeconomic Pathways and their energy, land use, and greenhouse gas emissions implications: An overview // Global Environmental Change. 2017. Vol. 42. P.153-168.
12.Vicente-Serrano S.M., Begueria S. Comment on 'Candidate distributions for climatological drought indices (SPI and SPEI)'by James H. Stagge et al. // Int. J. Climatol. 2016. Vol. 36 (4). P. 2120-2131.
