ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ, 2015, № 4, с. 39-46
ПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ДИНАМИКА ГЕОСИСТЕМ =
УДК 551.582.2
КЛИМАТИЧЕСКИЕ ВАРИАЦИИ АРКТИЧЕСКОГО ФРОНТА В ТЕПЛЫЙ ПЕРИОД ГОДА И ИХ ПРОЯВЛЕНИЯ В ЛАНДШАФТАХ СЕВЕРА
© 2015 г. Т.Б. Титкова, В.В. Виноградова, А.Ю. Михайлов
Институт географии РАН, Москва, Россия; ttitkova@yandex.ru, vvvinog@yandex.ru
Поступила в редакцию 27.02.2014 г.
Анализируется продолжительность вегетационных сезонов и реакция растительного компонента ландшафтов Севера России в зависимости от положения Арктического фронта в разные климатические эпизоды по данным наблюдений в субарктических (тундровых и лесотундровых) и бореальных (северотаежных и среднетаежных) ландшафтах на европейской территории России и в Западной Сибири севернее 60° с.ш. Для оценки используется динамика таких показателей климата, как градиенты температуры и осадков, сумма активных температур, индекс климатических экстремумов (Satellite Climatic Extremes Index, SCEI), градиенты вегетационного индекса - NDVI AVHRR (1982-2000 гг.) и NDVI MODIS (2000-2012 гг.). Выявлены рост суммы активных температур и слабые колебания увлажнения, квазистационарность и увеличение интенсивности фронтальных процессов на Арктическом фронте в летний период. Эти процессы будут способствовать продвижению бореальных лесов на север.
Ключевые слова: Арктический фронт, градиенты температуры, динамика ландшафтов, индекс климатических экстремумов, сумма активных температур, вегетационный индекс (NDVI).
Введение. Режим тепла и увлажнения различных ландшафтных зон определяется положением и динамикой климатических фронтов и интенсивностью циклонической деятельности. Подавляющее число циклонов умеренных широт возникает на Арктическом фронте, что обусловлено высокими контрастами температур в его фронтальной зоне [2]. В период современного потепления климата с конца 1980-х гг. растет интенсивность циклонов в зимний и в особенности в летний период [3]. В связи с этим исследование реакции растительного покрова на такие изменения представляются актуальными.
В работе исследуется продолжительность вегетационных сезонов и реакция растительного компонента субарктических и бореальных ландшафтов Севера России на положение Арктического фронта (АФ) в разные климатические эпизоды (период до начала потепления - 1951-1980 гг. и период современного потепления - 1981-2012 гг.) по данным наземных и спутниковых наблюдений. Для оценки динамики изменения ландшафтов используются градиенты температуры и осадков, сумма активных температур, индекс климати-
ческих экстремумов (Satellite Climatic Extremes Index, SCEI), градиенты вегетационного индекса - NDVI AVHRR (1982-2000 гг.) и NDVI MODIS (2000-2012 гг.).
Материалы и методика. Определение географического положения АФ основывалось на том, что климатический фронт проходит в зоне пониженного давления, где формируются часто повторяющиеся синоптические фронты. То есть район с повышенной повторяемостью центров циклонов, максимальных значений модуля горизонтального градиента температуры может указывать на климатический фронт [6, 7]. В настоящей работе определение положения АФ оценивалось на основе: минимума поля приземного давления, области максимальной повторяемости центров циклонов Н 1000 гПа и максимальных величин горизонтальных градиентов температуры АТ 1000 гПа и среднесезонному модулю адвекции тепла, который характеризует величину скорости горизонтального обмена и область максимального фронтогенеза.
При рассмотрении вопроса о географическом положении Арктического фронта исходные данные реанализа были взяты с сайта Университета Восточной Англии (UEA CRU), которые разработаны в National Centers for Environmental Prediction в США [10]. Был взят массив значений различных метеоэлементов в узлах географической сетки, с разрешением 2.5 х 2.5°. Использовалось четыре метеорологических срока для Н 1000 и суточные значения для температуры на изобарической поверхности за все дни летнего периода с 1951 по 2012 г. Подробно методика определения повторяемости центров циклонов на АТ 1000, повторяемости максимума величины горизонтального температурного градиента на изобарических поверхностях AT 1000 и средне-сезонного модуля адвекции тепла изложена в работах [6, 7]. Климатическое положение АФ оценивалось за периоды 1951-1980 и 1981-2012 гг. в летний сезон.
Продолжительность вегетационных сезонов и реакция растительного компонента ландшафтов Севера России в зависимости от среднего положения вторичного АФ в разные климатические эпизоды исследовалась по данным наблюдений на метеорологической сети из архива ВНИИ-ГМИ-МЦД [11] и спутниковых данных для NDVI, альбедо, температуры поверхности [8, 9].
Исследование проводилось для субарктических (тундровых и лесотундровых) и бореальных (северотаежных и среднетаежных) ландшафтов на европейской территории России и Западной Сибири севернее 60° с. ш.
Для оценки изменения теплообеспеченности ландшафтов использовалась сумма активных температур (температур воздуха выше +10° С) и продолжительность периода с температурой воздуха выше +10° С. Сумма активных температур рассчитывалась как сумма среднесуточных температур за те дни, когда она превышала установленный порог +10° C. Суммы активных температур были рассчитаны по данным метеорологической сети климатического архива ВНИИГМИ-МЦД [11] для двух периодов 1951-1980 и 1981-2010 гг. Также было вычислено изменение суммы активных температур во второй период по сравнению с первым. По результатам расчетов были построены соответствующие карты.
Динамика увлажнения для современного периода (2000-2012 гг.) оценивалась при помощи спутникового индекса климатических экстремумов (SCEI), который представляет собой сумму отклонений от многолетнего среднего NDVI, аль-
бедо, температуры поверхности, нормированных на среднеквадратическое отклонение.
Спутниковый индекс климатических экстремумов (Satellite Climatic Extremes Index, SCEI) используется для оценки отклонений увлажнения территории от многолетнего среднего. Он представляет собой сумму отклонений от многолетнего среднего влажности почвы, NDVI, альбедо, температуры поверхности, нормированных на среднеквадратическое отклонение.
Этот индекс по физическому смыслу может быть как отрицательным (засуха), так и положительным (переувлажнение). В бореальных ландшафтах (где преобладает хвойная растительность) и в особенности в зонах лесотундры и тундры, где нет сплошного покрытия зеленой фито-массы, индекс SCEI является функцией аномалий биофизических параметров и показывает преобладание нормальных или повышенных условий увлажнения. В физическом аспекте на уровне растительной ассоциации это выглядит следующим образом: в условиях переувлажнения при разреженности растительного покрова прослеживается положительная аномалия влажности почвы, цвет растений продолжительно устойчивый, возникает положительная аномалия NDVI, вызывающая отрицательную аномалию альбедо поверхности. Энергия тратится на транспирацию и испарение влаги с почвы. Возникает отрицательная аномалия температуры поверхности. В этом случае индекс, как функция аномалий биофизических параметров, становится положительным.
Из-за неполноты данных о влажности почвы в работе использовался индекс в сокращенном виде [4, 5]:
SCEI,. = - (ДА,- /оA + Msi /oTs) +
+ ^NDVI, /oNDVI), (1)
где ДА, - аномалия альбедо за i год; оА - сред-неквадратическое значение альбедо за базовый период (2000-2013 гг.); ДТ. - аномалия температуры поверхности за i год; oTs - среднеквадратическое значение температуры поверхности за базовый период; ДNDVIi - аномалия NDVI за i год; oNDVI - среднеквадратическое значение NDVI за базовый период.
Для расчета индекса SCEI использовались данные NDVI, альбедо, температуры поверхности [9]. Все параметры имеют разрешение 0.05 х 0.05° (в среднем 5600 х 5600 м). Для альбедо бралась модель MCD43 C1 версии 005 (данные спутников MODIS/Terra + Aqua BRDF/Albedo) с дискретностью 16 дней. Значения индекса растительности NDVI были получены по данным MODIS/Terra мо-
20° Е 40° Е 60° Е 80° Е 80° N [Z__-:-т-:-;-I-
Рис. 1. Изменение суммы активных температур >10° С для периода 1981-2010 гг. по сравнению с 1951-1980 гг. и положение Арктического фронта (1951-2012 гг.) в летний период.
Линии: I - максимального числа центров циклонов Н 1000 гПа на вторичном Арктическом фронте, II - максимальных значений градиентов температуры АТ 1000 гПа на главной ветви Арктического фронта, III - максимальных значений среднесе-зонного модуля адвекции тепла Н 1000 гПа на главной ветви Арктического фронта. Границы природных зон: 1 - тундры; 2 - лесотундры; тайги: 3 - северной, 4 - средней, 5 - южной.
дели MOD13C1 - варианта 005 с шагом в 16 дней. Для среднемесячной температуры поверхности использовалась модель MOD11 C2 версии 005, по данным MODIS/Terra с периодичностью 8 дней. По двум 8-дневным срокам вычислялось среднее значение за период 16 дней и идентичным периодам для альбедо и NDVI.
Значения индекса показывают условия увлажнения: от -1 до 1 - условия увлажнения нормальные; от 1 до 2 - переувлажнение; более 2 - сильное переувлажнение; от -1 до -2 - засуха; менее -2 - сильная засуха. Сравнение индекса SCEI и традиционного ГТК было проведено для переходных ландшафтных зон в статье [1] и дало сопоставимые результаты.
По рассчитанным значениям индекса SCEI были построены карты для периодов 2000-2006 гг., 2007-2012 гг. и карты изменения индекса SCEI в 2007-2012 гг. по сравнению с 2000-2006 гг. Также была проведена оценка площадей с увлажнением выше и ниже среднего многолетнего в начале XXI в. и соотношения этих площадей.
Области возможных наибольших изменений климатических параметров оценивались на основании горизонтальных градиентов температуры, осадков и вегетационного индекса (NDVI). Использовались данные метеостанций, расположенных на Европейской территории России, интерполированные на сетку 1 х 1°.
Модуль горизонтального градиента 0( рассчитывался по формуле:
вг = У вх 2 + ву2 ; (2)
ву = (Ду+1 + ¿г+1,у+1 - ¿г,у - гг+1,у)/2; вх = (г,-у+1 + г1+1,у+1 - г,-,у - г1+1,7-)/(2оо8 {).
Зде
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.