Оценка теплого периода для определения оптимальных условий ведения сельского хозяйства на территории юга Западной Сибири 
Формула для расчета ГТК
имеет вид (по [5]):
(1)
ΣR - сумма осадков
за месяцы;
ΣT- сумма среднесуточных
значений температуры воздуха больше 10 °С.
Индекс ГТК является
безразмерным коэффициентом. В этом случае суммирование в формуле для вычисления
ГТК производится для летних месяцев, т. е. для периода июнь – август.
3.1 Данные
исследовательской работы
Для настоящего
исследования была создана база данных за 45-летний период с 1960 по 2005 г., из среднесуточной температуры воздуха и среднесуточной суммы осадков за теплый период. Общий
объем за 45 летних (теплых) периодов составил 203130 значений. Расчет
выполнялся на основе рядов значений гидрометеорологических величин по станциям
Красноярск, Минусинск, Рубцовск, Барнаул, Барабинск и Омск. А также число
Вольфа за исследуемый период.
Данные были взяты из
электронного каталога метеорологических данных международного обмена [9] .
Данные представлены в виде выборки летних месяцев с учетом среднесуточной
температура >10 ºС. таблицы А1, А2, А3 из приложения А, в которых
размещены полученные статистические характеристики индекса ГТК по территории
юга Западной Сибири по месяцам и общие за период исследования, а также значение
ГТК по станциям. В целях сравнения осредненного индекса ГТК по югу Западной
Сибири был предложен показатель солнечной активности (число Вольфа). Данные
показателя были взяты из электронной базы данных Национального агентства по
аэронавтике и исследованию космического пространства (National Aeronautics and Space
Administration) NASA. Число Вольфа
представляется в виде осредненных значений за летние месяцы в период с 1960 по
2005 год. Таблица Б1 показывает сравнение ранжированных рядов данных индекса ГТК
и числа Вольфа из приложения Б. Данные сумм среднесуточных температур >10ºС
и сумм осадков представлены в таблицах В1 и В2 из приложения В, в которых
размещены статистические характеристики температуры воздуха и осадков по
территории юга Западной Сибири.
3.2 Анализ температурно–влажностного
режима по территории юга Западной Сибири
Исследования температурно
– влажностного режима территорий очень важен для многих отраслей экономики
страны, особо важной отраслью является сельское хозяйство. Сельскохозяйственные
культуры полностью зависят от температурного и влажностного режима, особенно в
период роста и созревания. Западная Сибирь является зоной рискованного
земледелия, потому что, возможны заморозки в любой летний месяц, за исключением
самых южных районов Западной Сибири. Так же возможны сильнейшие атмосферно – почвенные
засухи и суховеи. Все эти проблемы сказываются на урожайности
сельскохозяйственной продукции, а это в свою очередь влияет на социально –
экономическую сферу Российской Федерации, приводящие к росту цен на основные
продукты питания. Таким образом, оценка температурно – влажностного режима
территории Западной Сибири очень важна.
На рисунке 1 приводится
временной ход сумм температур за период >10 ºС, осредненных по
исследуемой территории, а также линия осреднения полиномом второй степени,
которая аппроксимирует изменение сумм температур во времени.
Рисунок 1 – Изменение
сумм температур воздуха по территории юга Западной Сибири
При анализе рисунка 1 за
последние 30 лет происходит увеличение сумм температур. В целом для территории
юга Западной Сибири среднее значение суммы активных температур равняется 1661,9
ºС. Это говорит о том, что территория юга Западной Сибири получает большое
количество тепла, что, следовательно, приводит к благоприятным условиям ведения
сельского хозяйства в летнее время. Линия тренда нам показывает, что за 45
летний промежуток времени происходит увеличение суммарной температуры. Как
видно из таблицы 5, больший рост суммарной температуры приходятся на Красноярск,
Барнаул и Рубцовск. Максимальные суммы 2076,6 ºС наблюдаются в Рубцовске,
а минимальные 1380,2 ºС в Барабинске, это говорит о том, что
прослеживается зональность распределения температур на земном шаре, и
следовательно более северные территории южной части Западной Сибири получают
меньшее количество тепла.
На рисунке 2 приводится
временной ход сумм осадков, осредненных по исследуемой территории, а также
линия осреднения также полиномом 2й степени, которая показывает
изменение сумм температур во времени.
Рисунок 2 - Изменение
сумм осадков по территории юга Западной Сибири
При анализе рисунка 2, за
период 45 лет происходит незначительное увеличение сумм осадков. В целом для
территории юга Западной Сибири среднее значение суммарных осадков равняется 164,4 мм. Это говорит о том, что территория юга Западной Сибири получает оптимальное количество осадков
в теплый период. Линия осреднения нам показывает, что за 45 летний промежуток
времени происходит некая эпизодичность изменения сумм осадков. Как видно из
таблицы В2 (приложение В), небольшой рост сумм осадков приходится на район
станции Барнаул. Максимальные суммы 382 мм наблюдаются в Красноярск, а минимальные 30,9 мм в Рубцовске.
Таким образом, территория
Западной Сибири находится в сравнительно оптимальных условиях
тепло-влагообеспеченности в летний период. Большое количество выпадающих
осадков, около половины годовой нормы (400 мм), компенсируются большим количеством поступающего тепла, что в свою очередь приводит к высокому уровню испарения,
а также транспирации растений, что в свою же очередь является благоприятным условием
произрастания сельскохозяйственных культур на территории Западной Сибири. В
свою очередь, соотношение сумм температур и осадков явно описывает индекс
тепловлагообеспеченности ГТК.
3.3 Анализ индекса ГТК по
территории юга Западной Сибири
По станциям, выбранным
для настоящего исследования по выше описанной методике был проведен расчет
индекса ГТК. На рисунке 3 приводится временной ход индекса ГТК, осредненный по
исследуемым станциям, а также линия полиномиального тренда, которая показывает
изменение индекса во времени.
Рисунок 3 – Индекс ГТК,
осредненный по станциям юга Западной Сибири
При анализе рисунка 3,
использовалась шкала классификации уровней тепловлагообеспеченности по ГТК [5].
Согласно шкале, оптимальные условия тепло-влагообеспеченности по индексу ГТК в
пределах от 1,1 до 1,4 являются наиболее благоприятными для ведения сельского
хозяйства, а так же развития биогенных процессов в летние месяцы. Низкое
значение индекса ГТК<1, говорит о том, что для летних месяцев было
характерно увеличение доли сумм температур по сравнению с долей осадков.
За последние 30 лет
происходит увеличение повторяемости экстремальных высоких температур и
экстремально малого количества выпавших осадков. Такие значения ГТК могут
привести к опасным гидрометеорологическим явлениям, таким как суховеи и
атмосферная засуха, переходящая в почвенную засуху. В результате происходит
увеличения числа пожаров, а так же наносится большой ущерб сельскому хозяйству,
связанный с увеличением транспирации растений, которое приводит к ссыханию
культурной растительности.
В целом для территории
юга Западной Сибири среднее значение коэффициента ГТК равняется 1,01. Это
говорит о том, что для территории юга Западной Сибири складываются оптимальные
условия для разведения кукурузы, подсолнечников, картофеля, рапса, а также сои.
Следовательно, приводит к благоприятным условиям ведения сельского хозяйства в
летнее время. Линия
осреднения нам показывает, что за 45 летний промежуток времени происходит
незначительное уменьшение индекса ГТК. В Западной Сибири, наблюдается
уменьшение значений индекса ГТК, по критерию "сухости" (ГТК< 0.76)
[5] в Омской и Новосибирской областях; и некоторое увеличение в южных районах
Алтайского края.
Данные авторов Ю.А
Израэль, О.Д Сиротенко [4], распределения трендов ГТК за период 30 лет
свидетельствуют о том, что увлажненность летнего периода за последние 30 лет
уменьшалась на большей части ЕТР и в южных районах Западной Сибири. Уменьшение
увлажненности летнего периода, наблюдалось также в южных районах Восточной
Сибири. Было замечено, что с уменьшением индекса ГТК связано увеличение числа
неблагоприятных агрометеорологических явлений, такие как самые сильные засухи в
Омской области, на юге Красноярского края, Хакасии и Алтайском крае в 1975,
1982 и 1991 годах. В результате этих катастрофических засухах недоборы урожая
составили по югу Западной Сибири 30%.
При анализе изменения ГТК
во времени, можно заметить, что выявляются некоторые периодичности хода индекса.
По произведенному спектральному анализу можно сказать, что индекс ГТК имеет 11-летний
цикл, и менее выражены 6 и 9-летние циклы. Этот вывод наводит на мысль о том,
что, вероятно, существует связь периодичности ГТК с солнечной активностью. В
качестве характеристики, которая дает представление о солнечной активности
наиболее часто используют числа Вольфа. Данная ранжированная зависимость
представленная на рисунке 4.
Рисунок 4 – Сравнение
ранжированных рядов среднегодовых значений ГТК и чисел Вольфа
При построении рисунка 4,
были использованы ранжированные ряды данных по индексу ГТК и числа Вольфа за
соответствующий период времени. Было замечено, что прослеживается некое
сходство экстремумов значений в ходе ГТК и чисел Вольфа. Возрастание солнечной
активности приводит к увеличению влагосодержания. Это может заключаться в
увеличении выпадения осадков, а так же уменьшению суммарных температур летом. В
минимумы солнечной активности мы видим, что ранги индекса ГТК также имеют
минимальные значения, а, следовательно, низкое влагосодержание почвы. Можно отметить,
что на это время приходится большее количество засух на территории Западной
Сибири в 1982 и 1975 годах. В период спада и роста солнечной активности можно
проследить, что наблюдаются второстепенные всплески индекса ГТК. Можно
пронаблюдать, что существует некая связь между ранговыми значениями ГТК и числа
Вольфа по ранговому коэффициенту Спирмана. Формула для расчета имеет вид (по [6]):
(2)
Rx – значения по массиву данных х
Ry – значения по массиву данных y
n – объем выборки
Коэффициент Спирмана
равный 0,27 показывает, что в целом влияние солнечной активности в 30% случаев
оказывает влияние на индекс ГТК. В других случаях наблюдаются отдельные
аномалии года, т.е. выбивания из совместного ритма. Так же немало важным
аспектом является, что в период обработки данного массива данных попадает на 3 циркуляционные
эпохи до 1968 меридиональная (С), 1969-1981 форма восточной циркуляции (Е), а с
1991 началась эпоха западного переноса (W) [7].
Рассматривая построение
рисунка 4, ранжированных
рядов среднегодовых значений ГТК и чисел Вольфа, можно предположить, что
отдельные аномалии связаны не только с фактором циркуляционного режима, но и с воздействием
других немало важных факторов. Одним из таких фактором являются вулканические
извержения, они могут воздействовать на многие процессы, проходящие в атмосфере.
Особо сильные извержения воздействуют на общепланетарные масштабы, что может
вызвать "вулканические зимы", существенно изменяющие температурный и
влажностный режим всей планеты Земля на период времени от 2 до 7 лет.
Вулканические зимы возникают из-за взвешенных частиц пепла в тропосфере и
стратосфере, которые образуют экран, задерживающий поступающую солнечную
радиацию. Хотелось бы заметить, что в годы аномалии наблюдается рост числа
Вольфа, а индекс ГТК испытывает понижение. Таким образом, в годы роста
ранжированного значения числа Вольфа наблюдаются засухи или недостаточное
значение индекса ГТК. Такими периодами являются с 1980 по 1982 и с 1992,
которые изображены на рисунке 4. На эти два периода приходятся три сильнейших
извержения вулканов, с выбросами вулканического аэрозоля более 10 Мт. Такими
являются: вулканы Сент-Хеленс (США) 1980 год,
Эль-Чичон (Мексика) 1982 год и Пинатубо (Филиппины) 1991 год [11]. Абсолютной
связи извержений и аномалий нет, но как любой процесс в атмосфере имеет инерцию.
Выбрасываемые из вулканов частицы пепла и другие химические соединения долгое
время находятся в атмосфере во взвешенном состоянии, благодаря незначительному
размеру, могут служить ядрами конденсации. Возможно, что при этом процессе
большое количество водяного пара конденсируется на гигроскопических частицах
вулканического происхождения, а также на более крупных частицах происходит
смачивание. В глобальном масштабе районы вулканической деятельности можно
назвать, как огромными сорбентами атмосферной влаги. Так, например, извержение
вулкана Пинатубо способствовало усилению тропического тайфуна, который затопил
восточную часть острова Лусон (Филиппинские острова). Следовательно, где
вызывается избыток, возникает недостаток атмосферной влаги. Об этом, наглядно
говорит факт засухи, наблюдающийся на территории Западной Сибири в 1982 году. К
тому же, года начала извержений вулканов связаны с началом возникновения
выбиваний хода двух ранжированных характеристик. Можно сделать вывод, что
выдвинутая гипотеза имеет место взаимосвязи с аномалиями связи индекса ГТК и
числом Вольфа. Так же рисунок 4 показывает, что существующие аномалии хода
числа Вольфа и индекса ГТК для юга Западной Сибири могут быть связаны с
климатическими аномалиями Эль-Ниньо. Процесс возникновения Эль-Ниньо связан с
тем, что происходит процесс аномального распределения давления. В теории
циркуляции говориться, что над Южной Америкой формируется зона высокого
давления, а в юго-восточной Азии формируется зона низкого давления, под
действием летнего муссона формирует обильные осадки на территории Индии. В годы
Эль-Ниньо происходит обратный процесс распределения давления в этих областях
земного шара. Благодаря кардинальному изменению барического поля, происходит
ослабление пассатной циркуляции в районах побережья Южной Америки из-за
ослабления зоны высокого давления. Таким образом, теплая вода из Индонезии
начинает перемещаться в зону Южной Америки. Язык теплой воды вызывает
катастрофические явления на Перу, Колумбию и Чили. Происходит резкое уменьшение
морских видов животных, возникают сильнейшие ливни и вследствие наводнения в
южноамериканских странах. Этот феномен воздействует и на весь Земной шар,
благодаря изменению циркуляции, в Евразии, Австралии возникают сильнейшие
засухи, которые приводят к неурожаям. Можно предположить, что феномен Эль-Ниньо
наблюдается в периоды аномалии хода индекса ГТК и числа Вольфа [11].
В заключении можно
сказать, что территория Западной - Сибири имеет огромный потенциал развития
аграрного комплекса, который зависит по большому счету от характера развития
сценария изменения климата. По произведенному анализу можно сказать, что за 45
лет произошло небольшое увеличение сухости климата в летнее время. Это связанно
с увеличением числа повторяемости экстремальных высоких температур к количеству
выпавших осадков. Возможно, что индекс имеет определенную цикличность в большом
периоде данных и работа требует дальнейшего исследования рядов данных в современной
циркуляционной эпохе (W-западная),
в которой подобные исследования еще не проводились.
Более глубокое изучение индекса ГТК по югу Западной Сибири
является рассмотрение изменения ГТК внутри вегетационного периода, а именно по
летним месяцам (июнь, июль и август). Данные изображений изменения индекса ГТК по
югу Западной Сибири для июня, июля и августа приведены на рисунках 5, 6 и 7.
Рисунок 5 – Изменение
индекса ГТК по станциям юга Западной Сибири за июнь
При анализе рисунка 5,
использовалась шкала классификации уровней тепловлагообеспеченности по ГТК [5].
Согласно шкале, оптимальные условия тепло-влагообеспеченности по индексу ГТК за
июнь месяц оказываются незначительными. За последние 45 лет, линия осреднения
показывает нам, что происходит увеличение индекса ГТК, что способствует собой
увеличение тепловлагообеспеченности. Рост индекса ГТК начал наблюдается с 1982
года и по сегодняшний день наблюдается положительная тенденция роста. Таким
образом, июнь месяц для юга Западной Сибири стал более влажным месяцем, где
количество выпавших осадков превышает сумму температур. А так же обильные
осадки, хорошо взаимодействуют с относительно высокими температурами, что
способствует собой хорошему произрастанию сельскохозяйственных культур.
Июнь месяц считается
очень важным месяцем в жизни зерновых культур, так как в это время происходит
процесс опыления озимой пшеницы на территории Западной Сибири. Чередование
осадков и высоких температур способствуют увеличению потенциального урожая
озимой пшеницы. Было установлено, что так же с 1982 года происходило увеличение
минимальных значений индекса ГТК, что способствовало собой сокращению засух в
июне месяце. В общем, можно отметить, что прослеживается определенная
цикличность для июня месяца. На рисунке 5, наглядно видно, что до 1982 года происходит
уменьшение индекса ГТК, а именно его минимумов, для периода с 1960 по 1982 года
включительно, приходится наибольшее количество засух в июне месяце. На этот
период приходится основное число неурожаев, по причине гибели 20-30% ожидаемого
урожая из-за ссыхания и невозможности при высоких температурах опыляться. Так
же на этот период времени приходится относительно высокое значение ГТК, что в
свою очередь вызывала избыточное увлажнение почвы. Это приводило к всевозможным
заболеваниям сельскохозяйственных культур (образование плесени, гниение и др.).
Рисунок 6 – Изменение
индекса ГТК по станциям юга Западной Сибири за июль
При анализе рисунка 6,
использовалась шкала классификации уровней тепловлагообеспеченности по ГТК [1].
Согласно шкале, оптимальные условия тепло-влагообеспеченности по индексу ГТК за
июль месяц оказываются существенными, по отношению к июню месяцу. За последние
45 лет, линия осреднения показывает нам, что особых изменений индекса ГТК не
происходит. Преобладание оптимального индекса ГТК способствуют тому, что на
территории Западной Сибири суммы положительных температур уравновешиваются с
количеством выпавших осадков. В свою очередь, это объясняет то, что
складываются благоприятные условия для дальнейшего роста и развития зерновых
культур, а так же выращивания тепло и влаголюбивых растений, такие как, вишня,
черешня и т.д. Оптимальные условия ГТК очень важны для сельскохозяйственных
культур Западной Сибири. Так, например, оптимальное количество осадков
способствует увеличению запасов влаги, а высокие температуры способствуют
повышению транспирации растений, следовательно, возможно увеличение будущего
урожая озимых культур. За период наблюдений по июлю месяцу индекс ГТК единично
превышал оптимальные условия, в 1972 и 1979 годах значения ГТК были избыточные.
Для Западной Сибири за июль месяц количество засух незначительно, но могут
наблюдаться особо сильные засухи, так например 1974 и 1999 года. Засухи в июле
могут наносить непоправимый вред сельскому хозяйству, так как эти засухи по
продолжительности в общем количестве превосходят июньские засухи. Могут
возникать возгорание зерновых культур, которые в свою очередь могут уничтожить
целые поля озимой пшеницы. Несмотря на это, для Западной Сибири складываются
благоприятные условия для жизни и развития сельскохозяйственных культур, в
особенности озимой пшеницы.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
|
|
