Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 494, № 1, стр. 91-96
Оценка тенденций изменения засушливости для территории Южного Урала в период 1960–2019 гг. с использованием различных методов
Д. Ю. Васильев 1, 2, *, В. В. Водопьянов 1, член-корреспондент РАН В. А. Семенов 2, 3, академик РАН А. А. Чибилев 4
1 Уфимский государственный авиационный технический университет
Уфа, Россия
2 Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской академии наук
Москва, Россия
3 Институт географии Российской академии наук
Москва, Россия
4 Институт степи Уральского отделения Российской академии наук
Оренбург, Россия
* E-mail: vasilevdy@ugatu.su
Поступила в редакцию 01.07.2020
После доработки 03.07.2020
Принята к публикации 03.07.2020
Аннотация
Выполнен статистический анализ экстремальных эпизодов засушливости и увлажненности для территории Южного Урала. Базой для расчетов послужили данные среднесуточной температуры воздуха и суточных сумм атмосферных осадков по 11 станциям за период 1960–2019 гг. На основе станционных наблюдений и вычисленных количественных показателей были исследованы пространственно-временные характеристики летних засух. Установлено, что за последние 19 лет частота проявления засух на территории Южного Урала увеличивается, при этом максимальное распространение явления происходит в июле месяце.
Глобальные климатические изменения за последние несколько десятилетий привели к дисбалансу гидротермических условий в природных экосистемах во многих регионах Земли. Как следствие такого дисбаланса засухи [1], вызванные недостатком влаги, становятся все более частыми [2]. С увеличением интенсивности, частоты и продолжительности засух такая тенденция стала одной из самых серьезных проблем для многих стран мира [3–5]. Согласно официальной статистке Всемирной метеорологической организации (https://public.wmo.int/ru), гидрометеорологические катастрофы составляют 70% всех стихийных бедствий, при этом на засухи приходится половина всех этих бедствий. Рост числа и продолжительности засух приводит к существенному изменению в пространственно-временном распределении увлажненности территорий. Целью настоящего исследования является изучение пространственно-временных тенденций изменения засушливости на примере Южного Урала.
При анализе пространственно-временной специфики засух/увлажненности может использоваться большое количество показателей, которые обычно делятся на две группы: однофакторные и многофакторные. Первые характеризуют динамику засух на основе одного основного фактора, который, как правило, является атмосферными осадками, а вторые учитывают большее количество физических параметров, когда помимо атмосферных осадков также учитываются данные по испарению, температуры воздуха, влажности почвы и т.д.
В гидрометеорологической практике наиболее часто используются следующие индексы засушливости, индекс атмосферной засушливости или индекс Педя S [6], представляющий собой разность стандартизированных значений аномалий температуры воздуха t и атмосферных осадков P:
где σ – среднеквадратичное отклонение средних значений температуры и осадков.Гидротермический коэффициент увлажнения (ГТК) или индекс Селянинова [7], в общем виде вычисляется как отношение сумм осадков R, к сумме активных температур T (показатель, характеризующий период активной вегетации сельскохозяйственных культур) уменьшенное в 10 раз, за идентичные периоды времени:
(2)
${\text{ГТК}} = {R \mathord{\left/ {\vphantom {R {0.1\sum {T.} }}} \right. \kern-0em} {0.1\sum {T.} }}$Индекс Палмера (Palmer Drought Severity Index или PDSI) [8], итоговая формула для вычисления значений этого индекса имеет следующий вид:
где i – временной интервал, как правило, месяц; Z – индекс аномалии влажности Палмера, который рассчитывается как: K – весовой климатический показатель, d – параметр, представляющий собой разность между значениями сумм атмосферных осадков и уравнением водного баланса.Стандартизированный индекс осадков (Standardized Precipitation Index – SPI), вычисление которого состоит в том, что данные по атмосферным осадкам трансформируются в нормальное (гауссово) распределение, где среднее значение индекса в рассматриваемый временной период равно нулю, а среднеквадратичное отклонение – единице [9].
Вычисление индексов осуществлялось с использованием среднесуточных данных по приземной температуре и суточных сумм атмосферных осадков за период 1960–2019 гг., полученных из единого государственного фонда ФГБУ “ВНИГМИ-МЦД” Росгидромета (http://www.meteorf.ru), по 11 метеорологическим станциям, расположенным на территории Южного Урала. Основные характеристики используемой в работе станционной сети представлены в табл. 1. Сопутствующие вычислительные процедуры по индексам засушливости были реализованы в [10]; после чего были сформированы массивы данных индексов засушливости для территории Южного Урала [11] и осреднены по искомой площади аналогично тому, как это было сделано в [12, 13].
Таблица 1.
Метеорологическая станция (синоптический индекс) | Географические координаты | Высота метеоплощадки, м | |
---|---|---|---|
Янаул (28419) | 56°16' с.ш. | 54°58' в.д. | 98 |
Кушнаренково (28624) | 55°05' с.ш. | 55°20' в.д. | 98 |
Аксаково (28719) | 54°01' с.ш. | 54°08' в.д. | 358 |
Уфа (28722) | 54°42' с.ш. | 54°48' в.д. | 104 |
Тукан (28823) | 53°50' с.ш. | 57°29' в.д. | 551 |
Стерлитамак (28825) | 53°36' с.ш. | 55°56' в.д. | 136 |
Сорочинск (35011) | 52°26' с.ш. | 53°08' в.д. | 102 |
Зилаир (35026) | 52°14' с.ш. | 57°27' в.д. | 522 |
Оренбург (35121) | 51°45' с.ш. | 55°06' в.д. | 109 |
Акбулак (35127) | 51°01' с.ш. | 55°38' в.д. | 143 |
Домбаровский (35223) | 50°47' с.ш. | 59°32' в.д. | 276 |
В качестве основного результата исследования можно отметить аридизацию территории Южного Урала за последние десятилетия. При анализе всех четырех индексов засушливости в летний сезон отчетливо проявляются два наиболее ярких случая экстремальной засухи в 1975 и 2010 гг. На рис. 1 бордовым цветом обозначены периоды экстремальной засушливости, синим – области экстремальной влажности. Главными причинами этих катастрофических событий были блокирующие антициклоны, под влиянием которых на территории Южного Урала наблюдалась жаркая и сухая погода, а также предшествующая аномально холодная зима, глубокое промерзание почвы и, как следствие, бóльшая часть выпавших атмосферных осадков зимне-весеннего периода трансформировалась в речной сток, что и усугубило начавшуюся засуху. Наблюдающиеся в последние 19 лет продолжительные засушливые периоды связаны с изменением во внутригодовом распределении атмосферных осадков, а именно увеличением доли осадков осенне-зимнего сезона по сравнению с осадками весенне-летнего периода.
Для пространственной оценки всех четырех индексов была произведена площадная визуализация, представленная на рис. 2. Очевидно сходство ареала распространения засушливых и переувлажненных областей на Южном Урале по всем четырем индексам. Переувлажненными являются горнолесная область и некоторые части лесостепной зоны, а более засушливые – это бóльшая часть лесостепной и степная зоны, а также Зауралье. Такое распространение ареалов засушливости/увлажненности объясняется физико-географическими особенностями территории Южного Урала, прежде всего барьерным эффектом Уральских гор, наличием крупных возвышенностей, а также в целом широтной поясности на Земле.
При объективном анализе важно установить, какой из четырех вычисленных индексов наиболее лучше подходит для исследуемой территории. Для этого был произведен сравнительный и корреляционный анализы; результаты последнего представлены в табл. 2. Наибольшее значение коэффициента линейной корреляции Пирсона отмечено у ГТК (индекс Селянинова) со всеми тремя остальными индексами засушливости. Сравнительный анализ заключался в сопоставлении экстремальных значений индексов засушливости и инструментальных данных приземной метеорологии и дал схожие с корреляционным анализом результаты. Поэтому дальнейший частотно-временной анализ производился только по индексу Селянинова. Сам частотно-временной анализ осуществлялся на базе вычисления основных статистических характеристик и вейвлет-преобразования (рис. 3), аналогично работам [14, 15].
Доминирующим и статистически значимым циклом на представленном временном интервале является квазидесятилетняя гармоника, что наглядно показано на периодограмме индекса – глобальный спектр мощности анализируемого сигнала (рис. 3б). С учетом этого результата, в целях выявления тенденции вариации ГТК, дальнейшие сравнения изменчивости производились по десятилетиям. В нашем случае, 60-летний ряд данных индекса Селянинова был разделен на шесть квазидесятилетних периодов (I – 1960–1970 гг., II – 1971–1980 гг., III – 1981–1990 гг., IV – 1991–2000 гг., V – 2001–2010 гг. и VI – 2011–2019 гг.). Затем на основе общепринятой в гидрометеорологической практике градации ГТК [7], представленной в табл. 3, было произведено ранжирование вычисленных значений индекса Селянинова. При этом отбирались значения ГТК, равные 0.6, и менее – эквивалентные экстремально засушливым условиям, по летнему сезону в целом и по отдельным трем теплым месяцам. Результаты этого отбора представлены в виде диаграмм на рис. 4. Из данных на рис. 4 видно, что для территории Южного Урала отмечается уменьшение засушливости в июне, августе и рост засушливости в июле. В целом за летний сезон наблюдается тенденция увеличения количества происходящих засух.
Таблица 3.
Тип засухи | ГТК |
---|---|
Избыточное увлажнение или зона дренажа | более 1.3 |
Обеспеченное увлажнение | 1.0–1.3 |
Засушливая | 0.7–1.0 |
Сухого земледелия | 0.5–0.7 |
Ирригации | менее 0.5 |
В заключение отметим, что проведенный пространственно-временной анализ с использованием индексов засушливости Селянинова, Педя, SPI и PDSI позволил произвести комплексную оценку в динамике увлажненности территории Южного Урала. Благодаря установленной высокой тесной связи ГТК с другими индексами засушливости, можно заключить, что ГТК можно использовать для решения задач анализа засух и увлажнения, а также для прогноза климатических изменений. Проведенный анализ показал, что индекс Селянинова адекватно представляет засушливость и увлажненность для территории Южного Урала в 1960–2019 гг. Установлено, что за последние девятнадцать лет число засух в июле месяце и за лето в целом увеличилось, в то время как аридизация в июне и августе найдена уменьшающейся. Результаты, полученные в данном исследовании, могут быть использованы при валидации климатических моделей и разработке схем долгосрочного прогнозирования.
Список литературы
Дроздов О.А. Засухи и динамика увлажнений. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 96 с.
МГЭИК, 2013: Изменение климата, 2013 г.: Физическая научная основа. Вклад рабочей группы I в Пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата / Под. ред. Стокера Т.Ф., Куина Д. МГЭИК, Кембридж, Нью Йорк, США. 1535 с.
Золотокрылин А.Н., Черенкова Е.А., Титкова Т.Б. // Известия РАН. Сер. геогр. 2020. Т. 84. № 2. 207–217.
Уткузова Д.Н., Хан В.М., Вильфанд Р.М. // Оптика атмосферы и океана. 2015. Т. 28. № 1. С. 66–75.
Li W., Duan L., Wang W., Wu Y., Liu T., Quan Q., Chen X., Yin H., Zhou Q. // Meteorology and Atmospheric Physics. 2020. https://doi.org/10.1007/s00703-020-00727-4
Педь Д.А. // Труды Гидрометцентра СССР. 1975. № 156. С. 19–38.
Селянинов Г.Т. // Труды по сельскохозяйственной метеорологии. 1928. № 20. С. 165–177.
Lloud-Hughes B., Saunders M.A. // International Journal of Climatology. 2002. V. 22. № 13. P. 1571–1592.
Standardized Precipitation Index. User Guide. WMO. 2012. V. 1090. P 18.
Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2020616448. Рос. Федерация. Статистический анализ климатических изменений по индексам засушливости / Д.Ю. Васильев, В.В. Водопьянов, А.К. Костецкий, В.А. Семенов; правообладатель Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. – № 2020615528; заявл. 02.06.2020.; зарегистр. 17.06.2020.
Свидетельство о государственной регистрации базы данных 2020620991. Рос. Федерация. Двумерные массивы индексов засушливости для территории Южного Урала / Д.Ю. Васильев, В.В. Водопьянов, А.К. Костецкий, В.А. Семенов; правообладатель Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. – № 2020620866; заявл. 02.06.2020.; зарегистр. 17.06.2020.
Васильев Д.Ю., Бабков О.К., Давлиев И.Р., Семенов В.А., Христодуло О.И. // Оптика атмосферы и океана. 2018. Т. 31. № 4. С. 294–302.
Васильев Д.Ю., Великанов Н.В., Водопьянов В.В., Красногорская Н.Н., Семенов В.А., Христодуло О.И. // Исследование Земли из космоса. 2019. № 2. С. 14–28.
Васильев Д.Ю., Лукманов Р.Л., Ферапонтов Ю.И., Чувыров А.Н. // ДАН. 2012. Т. 447. № 3. С. 331–334.
Васильев Д.Ю., Павлейчик В.М., Семенов В.А., Сивохип Ж.Т., Чибилев А.А. // ДАН. 2018. Т. 478. № 5. С. 588–592.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Доклады Российской академии наук. Науки о Земле