УДК 551.577.38+631.559(470)
Статистика осадков и засух в противоположные фазы квазидвухлетней цикличности атмосферных процессов и ее связь с урожайностью на европейской территории
России
Е. А. Черенкова*, М. Ю. Бардин*' **, А. Н. Золотокрылин*
На основе анализа данных метеостанций и значений индекса суровости засухи Палмера (РББГ) выявлены территориальные закономерности распределения декадных сумм осадков, частоты сильных атмосферных засух в мае и июне и урожайности яровой пшеницы на территории Европейской России в зависимости от фазы квазидвухлетней цикличности экваториального стратосферного ветра (КДЦ) в период 1953—2010 гг. Показано, что изменения могут быть объяснены различиями статистики синоптических циклонических и антициклонических вихрей в разных фазах КДЦ. Установлено, что пространственная структура различий декадных осадков и частоты сильных засух на европейской территории России в противоположные фазы КДЦ согласуется с различиями в урожайности яровой пшеницы. Включение в рассмотрение КДЦ при моделировании урожайности яровой пшеницы на территории Ростовской области позволило улучшить прогнозируемые значения урожайности на 14%. Результаты моделирования урожайности яровой пшеницы с учетом квазидвухлетней цикличности стратосферного экваториального ветра как предиктора, обладающего относительной пространственно-временной стабильностью значений, могут быть использованы для разработки новых прогностических методик урожайности сельскохозяйственных культур.
Ключевые слова: осадки, засуха, квазидвухлетняя цикличность, потенциальная эвапотранспирация, урожайность, европейская территория России.
Введение
В Пятом оценочном докладе МГЭИК 2014 г. (www.ipcc.ch/report/ar5/ wg1/) по сравнению его предыдущей версией 2007 г. высказываются более осторожные оценки относительно увеличивающейся частоты засух. Однако проблема остается по-прежнему актуальной, ведь среди проявлений глобального изменения климата наиболее важными являются изменения статистики экстремальных событий.
Выявлению причин возникновения засух, описанию их генезиса и установлению механизмов прямой (обратной) связи в настоящее время во всем
* Институт географии Российской академии наук; e-mail: lcherenkova@marketresearch.ru.
** Институт глобального климата и экологии Росгидромета и Российской академии наук.
мире уделяется повышенное внимание. С этой целью проводятся исследования процессов, инициирующих засуху, в результате чего выявлен ряд факторов, которые могут оказывать влияние на возникновение засухи, в их числе крупномасштабные атмосферные механизмы, связанные с режимами климатической изменчивости и аномалиями температуры поверхности океана [2, 24, 25]. Комбинированное влияние глобальных циркуляционных факторов на изменчивость осадков изучалось многими исследователями (например, [16, 22]). Однако среди прочих факторов выделяется несезонное колебание атмосферной циркуляции — квазидвухлетняя цикличность ветра в экваториальной стратосфере (КДЦ), механизмы действия которого до конца еще не изучены. Систематические наблюдения за скоростью ветра в стратосфере и сменой его направления, происходящей в среднем через 28 месяцев (имеются сбои цикличности), осуществляются в разных точках экваториальной зоны с 1953 г. [10].
Сигнал КДЦ был обнаружен не только в изменчивости высотных полей ветра, температуры и давления, но и в приземных метеорологических параметрах: температуре воздуха [12, 20], осадках [6, 11, 21], характеристиках снежного покрова [15, 17]. В предыдущих исследованиях статистически значимый сигнал КДЦ был обнаружен в полях осадков в сентябре и октябре в период с 1953 по 1980 г. в регионе Британских о-вов, в Центральной Европе и Беларуси; в восточных областях Украины и близлежащих регионах России значимый сигнал КДЦ выявлен в осадках в мае [13]. Ранее предпринимались попытки изучения изменчивости урожайности пшеницы и колебания сезонных осадков на европейской территории России под воздействием квазидвухлетней цикличности атмосферных процессов и определения реакции урожайности зерновых на короткопериодическую изменчивость климата [3, 4].
Относительная пространственно-временная стабильность квазидвухлетнего колебания является основанием для разработки новых востребованных прогностических методик, повышающих оправдываемость агрометеорологических прогнозов урожайности сельскохозяйственных культур. Осознавая многофакторность влияния на урожайность, авторы попытались применить современные методы математической статистики при моделировании урожайности яровой пшеницы на территории Ростовской области с учетом КДЦ.
Цель статьи состоит в изучении влияния квазидвухлетней цикличности атмосферных процессов на осадки и частоту весенне-летней засухи на фоне статистики циклонической и антициклонической активности в разные фазы квазидвухлетнего колебания и, как следствие, на урожайность яровой пшеницы на европейской территории России.
Материалы и методика исследования
В качестве данных, характеризующих квазидвухлетнюю цикличность ветра в экваториальной стратосфере, рассмотрен ряд значений его скорости на изобарической поверхности 30 гПа в период с 1953 по 2011 г. (данные Свободного университета Берлина, https://climatedataguide.ucar.edu).
Декадные суммы осадков рассчитаны по суточным данным наблюдений за осадками из климатического архива ВНИИГМИ-МЦД (http://www. meteo.ru) на метеостанциях в пределах европейской территории России.
Даты засухи были определены на основе анализа значений повсеместно применяемого в мире, но все еще недостаточно хорошо известного в России количественного показателя засухи — индекса суровости засухи Палмера (Palmer Drought Severity Index, PDSI). Индекс Палмера рассчитывается по метеорологическим данным (месячным значениям температуры и осадков), а также по локальным константам влагоемкости почвы. Данные используются для оценки составляющих водного баланса на поверхности почвы по упрощенной схеме влагопереноса в почве. При этом потенциальная эвапотранспирация определяется в оригинале по методу Торнтвейта. Для учета кумулятивного эффекта продолжительных периодов дефицита влаги используется рекурсивная двухэтапная процедура построения индекса, т. е. его значение на определенном временном интервале зависит от его значения на предыдущем шаге. Полученный в итоге стандартизованный индекс Палмера оценивает 11 градаций увлажнения выбранной территории — от экстремальных засух до избыточного увлажнения. Значения индекса суровости засухи Палмера от -1 до 1 соответствуют нормальным условиям увлажнения. Засуху характеризуют отрицательные значения индекса: от -1 до -2 — слабая засуха, от -2 до -3 — умеренная, от -3 до -4 — сильная, менее -4 — экстремальная. В работе подробно рассмотрены сильные засухи в мае и июне, наносящие наибольший ущерб зерновому хозяйству. Частота засухи была рассчитана как отношение числа лет с засухой к общему числу рассмотренных лет.
Индекс суровости засухи Палмера критиковали в основном из-за определения в нем потенциальной эвапотранспирации по методу Торнтвейта на основе лишь температуры воздуха. Поэтому при расчете индекса PDSI в последнее время для получения испаряемости используется метод Пен-мана [23], в котором кроме приземной температуры воздуха учитывается радиационный баланс, а также скорость ветра и дефицит водяного пара на высоте 2 м. Другой недостаток традиционного расчета индекса Палмера — применение в первоначальных уравнениях параметризованных констант. Для его устранения в современных версиях уравнений используются полуэмпирические константы (в том числе вычисленные на основе спутниковых данных), характерные для локальной местности. С учетом устранения вышеперечисленных недостатков был получен глобальный архив данных ежемесячных значений так называемого самокалибрующегося индекса Палмера с 1890 по 2010 г. пространственного разрешения 2,5 х 2,5° [14], который использован в настоящем исследовании.
Очевидным является тот факт, что осадки, выпадающие в период активной вегетации, играют определяющую роль в развитии растения и, следовательно, являются одним из значимых факторов его продуктивности. На стадии созревания растения становятся менее чувствительны к засухе. В данной статье рассматриваются атмосферные засухи весной и в начале лета, к которым наиболее восприимчивы яровые сельскохозяйственные культуры (в том числе яровая пшеница), что нашло подтверждение в работах ученых-агрометеорологов еще в 1950-е годы ([5, 8] и многие другие). Несмотря на то, что преобладающей зерновой культурой на европейской территории России является озимая пшеница, важность возделывания яровой пшеницы (особенно твердых сортов) несомненна.
В статье использован формальный подход к определению фаз квазидвухлетней цикличности стратосферного ветра, когда направление ветра в период с апреля по июнь берется за основу при отнесении года к западной (положительная скорость) или восточной фазе (отрицательная скорость). В результате за период 1953—2010 гг. западная фаза КДЦ отмечена для 27 лет, восточная фаза — для 31 года. В соответствии с этим разделением на фазы рассмотрены ежегодные значения индекса засухи, частота сильной засухи, суммы декадных осадков и данные об урожайности яровой пшеницы, а также исследованы различия их статистических характеристик для выборок лет, отнесенных к разным фазам КДЦ.
Известно, что влияние КДЦ распространяется на атмосферную циркуляцию умеренных широт вплоть до поверхности земли. В работе [10] приведена карта (рис. 31 из этой статьи) разности композитов геопотенциальной высоты изобарической поверхности 1000 гПа в противоположные фазы КДЦ для зимы, где явно выделяется, в частности, структура североатлантического колебания, т. е. имеется связь между фазой североатланти-чес ко го коле ба ния и КДЦ.
Ранее были рассмотрены статистические характеристики циклонической и антициклонической активности в разных фазах североатлантического колебания [1]. Выявлено, что географическое распределение характеристик вихревой активности над Атлантико-Европейским сектором существенно различается в противопол
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.