VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Проведена агроклиматическая оценка биологической продуктивности территории запада Белгородской области. Проанализированы данные об изменении температурного режима и осадков на метеостанции Готня, расположенной на западе Белгородской области в связи с изменениями атмосферной циркуляции, наблюдаемыми в последние десятилетия. Проанализированы данные об опасных гидрометеорологических явлениях, влияющих на продуктивность сельскохозяйственных культур.

Ключевые слова: вегетационный период, температурный режим, осадки, биоклиматический потенциал, биологическая продуктивность, опасные гидрометеорологические явления, циркуляционные процессы.

Значительное влияние на климат оказывает характер циркуляции атмосферы, изменение которого в существенной мере определяет формирование погодных условий, которые, в свою очередь, определяют успешность возделывания сельскохозяйственных культур.

Комплекс климатических факторов, которые определяют возможную биологическую продуктивность земли на данной территории, является её биоклиматическим потенциалом. Важнейшим фактором увеличения эффективности сельскохозяйственного производства является точное определение биоклиматического потенциала исследуемой территории. Сдерживающим фактором увеличения продуктивности сельскохозяйственных культур, является воздействие экстремальных значений метеорологических характеристик. В связи с этим были проанализированы изменения тепло- и влагообеспеченности сельскохозяйственных культур и характера атмосферной циркуляции в последние десятилетия, проведена оценка причин возникновения гидрометеорологических явлений с интенсивностью соответствующей критериям опасного явления на территории Белгородской области.

Для определения величины биоклиматического потенциала использовались метеорологические данные ст. Готня ежесуточной размерности за период 1971-2012 гг. Метеостанция Готня расположена на западе Белгородской области, наблюдения на ней ведутся с 1928 года. Выбор этой станции определялся тем, что в условиях недостаточного увлажнения, характерного для Белгородской области здесь отмечается наибольшее годовое количество осадков, а, следовательно, полученные значения биоклиматического потенциала будут характеризовать максимальные значения указанной характеристики в регионе при естественном увлажнении.

Материалами для исследования послужили календарь последовательной смены элементарных циркуляционных механизмов по классификации Б.Л. Дзердзеевского и данные суточного разрешения Белгородского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды на станциях региона за период с 1998 по 2012 гг.

По данным Белгородского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды за последние 30 лет среднегодовые значения температуры воздуха выросли (в среднем на 0,4°С/10 лет) [2]. Наиболее теплыми за исследуемый период были: 1999, 2007 и 2010 годы, а наиболее холодным оказался 1987 год.

Следствием роста температурного режима за последние десятилетия на исследуемой территории явилось увеличение вегетационного периода (табл.1). Наиболее продолжительный вегетационный период с температурой выше 5°C, наблюдался в 2000, 2008 и 2010 годах, а наименее продолжительные отмечались в 2002 и 2003 годах.

Таблица 1

Средние значения суммы активных температур (⁰С) и продолжительности вегетационного периода за различные периоды осреднения

Период	t>10°	t>5°	Продолжительность вегетационного периода с t>10°, дни	Продолжительность вегетационного периода с t>5°, дни
1971-2000 гг.	2525	2950	158	196
1998-2010 гг.	2817	3108	167	205

По исходным временным рядам были рассчитаны характеристики описательной статистики, выполнен трендовый анализ. Статистические характеристики временных рядов температуры воздуха приведены в табл.2.

Таблица 2

Статистические характеристики временных рядов температуры воздуха ст. Готня за период 1971-2010гг.

Временной период	Стандартное отклонение (°С)	Коэффициент тренда (°С/10 лет)	Вклад тренда в дисперсию (%)
Январь	3,7	1,2	78,3
Февраль	3,7	1,1	56,0
Март	3,0	0,8	69,4
Апрель	2,3	0,5	65,5
Май	2,1	-0,05	1,6
Июнь	2,1	0,1	16,7
Июль	1,9	1,0	89,0
Август	1,9	0,7	84,7
Сентябрь	1,7	0,2	28,9
Октябрь	1,7	0,5	85,6
Ноябрь	2,8	0,3	6,7
Декабрь	3,2	-0,5	22,1
Год	1,2	0,50	86,9

Одной из причин наблюдаемых изменений температурного режима являются изменения характера атмосферной циркуляции. Согласно исследованиям, проведенным в институте географии РАН в 1981-1997 гг. отмечался быстрый рост продолжительности выходов южных циклонов, который сменился с 1998 года её уменьшением. В это же время начинается рост продолжительности блокирующих процессов, чья суммарная продолжительность превышает 250 дней в году (в основном зимой и летом) [1, 103].

В конце XX века в связи с ростом суммарной продолжительности блокирующих процессов наметилась тенденция увеличения годовой амплитуды температуры воздуха – в основном за счет повышения температур июля.

Анализ данных об осадках показал, что за последние 13 лет наблюдается незначительное сокращение количества осадков, что при росте среднегодовых значений температуры приводит к увеличению испарения. За исследуемый период наиболее увлажненным был 2004 г.(840 мм), а 2011 г. ознаменовался, как самый засушливый, поскольку годовое количество осадков в этом году было в два раза меньше [3, 63].

Таким образом, изменения, наблюдаемые в последних десятилетиях сводятся к следующему: увеличение суммы активных температур за июнь – август определяет рост испарения, который не компенсируется выпадающими осадками; особенной засушливостью отличаются июль и август.

Сдерживающим фактором для оптимального развития большого числа сельскохозяйственных культур в исследуемом районе являются ресурсы увлажнения, о чем свидетельствуют значения гидротермического коэффициента (ГТК) за период активной вегетации, приведенные в табл. 3.

Таблица 3

Средние значения ГТК на ст. Готня за период активной вегетации (1998-2010гг.).

месяц	май	июнь	июль	август	июнь-август
ГТК	1,5	1,2	1,2	0,6	1

Величина ГТК за период с июня по август равна 1 и характеризует условия увлажнения как недостаточные. Это следствие расположения исследуемого района в лесостепной зоне и преобладания антициклональной погоды. За весь исследуемый период лишь в мае ГТК близок к оптимальному и равен 1,5.

От анализа отдельных показателей перейдём к комплексной оценке агроклиматических условий, складывающихся в исследуемом регионе в последнем десятилетии. Биоклиматический потенциал – важнейший показатель оценки природных условий территорий, синтезирующий в себе влияние на биологическую продуктивность основных факторов – тепла и влаги. Оценка биологической продуктивности территории запада Белгородской области выполнена на основе модели расчета БКП Д.И. Шашко [4, 338]. Значения БКП рассчитаны по приходу и соотношению тепла и влаги. Результаты сведены в табл.4.

Таблица 4

Агроклиматическая оценка БКП при естественном увлажнении

Годы		∑d	Коэффициент увлажнения		∑tак	БКП	Бк, баллы
			КУ=P/∑d	КР(КУ)
1998	634	1540	0,4	0,9	2862,2	1,4	74
1999	496	1825	0,3	0,8	3096,5	1,3	68
2000	578	1304	0,4	0,9	2370,8	1,1	58
2001	683	1485	0,5	1,0	2999,5	1,5	79
2002	637	1710	0,4	0,9	2874,4	1,4	74
2003	565	1423	0,4	0,9	2699,7	1,3	68
2004	842	1149	0,7	1,1	2565,2	1,5	79
2005	651	1567	0,4	0,9	2809,7	1,3	68
2006	605	1361	0,4	0,9	2750	1,3	68
2007	589	1798	0,3	0,8	2889,8	1,2	63
2008	467	1642	0,3	0,8	2671,6	1,1	58
2009	621	1674	0,4	0,9	2754,8	1,3	68
2010	552	2295	0,2	0,6	3281,5	1	53
2011	439	1589	0,3	0,8	3046,9	1,3	68
2012	657	1728	0,4	0,9	3256	1,5	79

Для расчета биоклиматического потенциала применяется формула следующего вида:

БКП= КР(КУ) , (1)

где БКП – относительные значения биоклиматического потенциала; КР(КУ – коэффициент роста по годовому показателю атмосферного увлажнения; ∑tак– сумма средних суточных температур воздуха за период активной вегетации в данном месте; ∑tак(баз) – базисная сумма средних суточных температур воздуха за период активной вегетации. В качестве базисной температуры принята 1900°C – для сравнения со средней по стране продуктивностью, характерной для южно-таежной зоны.

В применяемой формуле, коэффициент роста КР(КУ) равен отношению урожайности в данных условиях влагообеспеченности к максимальной урожайности в условиях оптимальной влагообеспеченности. Его значение рассчитывается с помощью выражения:

КР(КУ) = lg(20*КУ), (2)

где КУ – коэффициент годового атмосферного увлажнения, равный отношению количества осадков (P) к сумме средних суточных значений дефицита влажности воздуха (∑d).

Различные градации величины биоклиматического потенциала соответствуют определённым уровням биологической продуктивности, которая меняется от очень низкой (БКП3,4).

На территории России средняя продуктивность зерновых культур соответствует БКП ≈ 1,9, который принят в качестве базового (100 баллов).

Средние значение коэффициента увлажнения (КУ) установилось на отметке 0,4, что характеризует западную часть Белгородской области, как полувлажную лесостепную зону.

Относительный показатель продуктивности, за исследуемый период, равен 1,3, что соответствует 68 баллам. За период исследования минимальное значение БКП отмечено в 2010 году, что определяется влиянием блокирующего антициклона, который установившись во второй декаде июня на юге России и Восточной Украине, сначала вызвал там небывалую жару, затем к началу июля распространился и на средние широты России, закачивая раскалённый воздух из пустынь Туркмении. Необычно длительный срок существования этого антициклона (более 2 месяцев), привёл к длительному разогреву воздуха до рекордных значений.

Низкий БКП (со значением ниже 1,2) наблюдался в 20% лет, в 80% - БКП был пониженным. На основе данных расчетов, можно сделать вывод, о том, что биологическая продуктивность на западе Белгородской области пониженная, что связано с недостаточным увлажнением. Анализируя ежегодные данные биоклиматического потенциала из табл. 4, мы видим, что 2001, 2004 и 2012 год отличились повышенным уровнем БКП по сравнению с другими годами, и высокая урожайность зерновых культур в эти годы хорошо согласуется с полученными данными. Согласно полученным значениям БКП, на территории Белгородской области регулярно высокие урожаи сельскохозяйственных культур без искусственного орошения получить невозможно.

На процесс производства сельскохозяйственных культур существенно влияют неблагоприятные явления погоды. За последние 15 лет на метеостанциях Белгородской области был отмечен 231 случай опасных явлений. Из них 117 случаев метеорологических, а 114 – агрометеорологических. Наибольшее количество опасных явлений это «Сильная жара» (82 случая), затем идёт «Заморозок на почве» (53 случая) и «Заморозок в воздухе» (17 случаев).

За исследуемый период возросла доля процессов, связанных со стационарными антициклонами: это «Сильная жара» - температура воздуха ≥35ºС, «Сильный мороз» - температура воздуха ≤-35ºС, «Аномально-холодная погода» и «Аномально-жаркая погода». Из 82 случаев опасных явлений, 35 приходится на «Сильную жару» (июль-август 2010г.).

С 1998 по 2012 гг. впервые наблюдались такие агрометеорологические опасные явления, как «Почвенная засуха» (если в период вегетации сельскохозяйственных культур за период не менее 3 декад подряд запасы продуктивной влаги в слое почвы 0-20см составляют не более 10мм), «Атмосферная засуха», «Суховей», которые в предыдущие годы почти не наблюдались (рис.1).

Рис. 1. Повторяемость опасных явлений.

Оценка температурных рисков показала, что для исследуемой территории более характерны риски, связанные с положительными экстремальными температурами [5, 130]. Для изучения циркуляционных условий способствующих формированию тех или иных рисков для каждого случая опасных явлений были проанализированы отмечавшиеся в это время элементарные циркуляционные механизмы (ЭЦМ) по классификации Б.Л. Дзердзеевского, выбранные из календаря последовательной смены ЭЦМ [1].

В начале ХХ века абсолютные максимумы температуры воздуха в исследуемом регионе были связаны с широтным западным переносом и распространением на ЦЧР гребней Азорского антициклона. Повторяемость Азорских антициклонов увеличивалась до середины столетия и в период с 1931 по 1960 гг. их было в 1,5 раза больше, чем в начале века (1901–1930 гг.) и в конце столетия (1971–2000 гг.).

Вторым по значимости процессом, обусловившим максимальные летние температуры на территории Белгородской области, был меридиональный процесс 10б, так называемые арктические антициклоны, которые способствовали выносу сухих воздушных масс в южные районы. Подобные процессы приводили к формированию экстремально-высоких летних температур в регионе и были наиболее частыми в период 1931–1960 гг., когда отмечались самые продолжительные засушливые явления и наиболее длительные периоды (до 10 дней) с максимальными температурами воздуха ≥ 30^оС.

В период повышения продолжительности блокирующих процессов наблюдались существенные положительные аномалии температуры летом и отрицательные аномалии зимой, что приводило к росту годовой амплитуды температуры воздуха. Минимум аномалии годовой амплитуды температуры воздуха был отмечен в 1990 (-6,5^о), максимальная аномалия (9,5^о) в 2010 г.

В начале XXI века растет повторяемости экстремальных летних температур, засух и природных пожаров. За последние 15 лет такое опасное явление как «атмосферная засуха» была отмечена в 2008, 2010–2012 гг. Учащение засушливых явлений произошло в период уменьшения продолжительности выходов южных циклонов и роста меридиональных северных (блокирующих) процессов и группы стационарного положения.

С 1998 г. начался рост меридиональной северной циркуляции и падение меридиональной южной циркуляции. Отмечается уменьшение продолжительности отдельных ЭЦМ (от 4–5 дней в первой эпохе до 2 дней в третьей эпохе), что свидетельствует о росте неустойчивости атмосферы в течение XX века, что отражается на повторяемости метеорологических экстремумов. Нами была просчитана суммарная повторяемость стационарных антициклонов над ЕТР (с непрерывной длительностью не менее 6 дней) в летний и зимний периоды с 1900 по 2011 гг. Полученные данные отчетливо свидетельствуют об увеличении повторяемости стационарных антициклональных процессов (рис. 2).

Рис. 2. Суммарная продолжительность ЭЦМ, определяющих положительные аномалии температуры летом в Белгородской области.

Данная схема развития циркуляционных процессов позволяет предположить, что в последующие 10 – 20 лет повторяемость опасных явлений будет только возрастать. Сельское хозяйство будет одним из наиболее уязвимых отраслей народного хозяйства.

Литература

1. Кононова Н.К. Классификация циркуляционных механизмов Северного полушария по Б.Л. Дзердзеевскому / отв. Ред. А.Б. Шмакин; Российская акад. наук. Ин-т географии. – М.: Воентехиниздат, 2009. – 372 с.

2. Фондовые материалы Белгородского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.

3. Решетникова Л.К. Оценка величины испарения с водной поверхности на юге Центрально-Черноземного региона / Л.К. Решетникова, М.Г.Лебедева, М.А.Петина, Г.А.Стаценко // Проблемы региональный экологи № 5. - 2010 г. -С. 60-64

4. Биоклиматический потенциал России: теория и практика Лосев / А.В. Гордеев, А.Д. Клещенко, Б.А. Черняков [и др.]. – М.: Т-во научных изданий КМК, 2006.- 512 с.

5. О. В. Крымская, С. Ю. Куралесина, М. Г. Лебедева. Роль блокирующих антициклонов в формировании опасных гидрометеорологических явлений на юге ЦЧР в начале XXI века// Проблемы региональный экологи №4. - 2013 г. – С.128-131

Код для цитирования: Скопировать