УДК 551.50 (470.56)

РИТМИЧНОСТЬ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ И БИОКЛИМАТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ В СТЕПНОЙ ЗОНЕ УРАЛА

 

В.Е. Тихонов

Институт степи УрО РАН 460000 Оренбург, ул. Пионерская, 11, Россия

 

Для современных представлений о структуре окружающего мира характерно все более глубокое понимание того факта, что ритмичность природных процессов является одним из наиболее важных свойств устойчивого существования всей иерархии естественных систем Вселенной, в том числе и такого всё ещё загадочного явления, как жизнь [5, 18, 19, 22, 23, 26].

По A.M. Чечельницкому [23], в рамках волновой концепции Вселенной Солнечную систему можно рассматривать как волновую динамическую систему, т.е. как некоторый нетривиальный аналог атома - известной волновой динамической системы микромира. В таком случае спектроскопия Солнечной системы, в которой волновые периоды характеризуются сутками и годами, по его мнению, может быть представлена фундаментальным волновым спектром Солнечной системы; следовательно, тогда этому спектру принадлежит и спектр доминирующих частот астрофизики, геофизики, биосферы и биоритмологии.

Физические агенты, переносящие энергию на пути из космоса к биосфере и механизм их воздействия на физические поля нашей планеты, рассматриваются в работах многих авторов [3, 8, 10, 11]. Таким образом, есть все основания процессы солнечной активности считать внешними проявлениями ротационно-гравитационных взаимодействий в Солнечной системе, где ритмозадающими «первоисточниками» являются планеты [7, 13, 14, 21]. Это подчёркивает правомерность построения цепочки связей «динамика планет - солнечная активность - земные процессы».

Лишь в 70-х годах было дано определение понятия климата как совокупности статистических свойств климатической системы за достаточно длительный, но ограниченный (10-30 лет) промежуток времени [2].

Состояние изученности данной проблемы наталкивает на поиск колебаний и циклов в гидрометеорологических процессах большой длительности, присущих климатической системе региона. Для описания динамики этих процессов лучше использовать комплексные характеристики, такие, как циклические колебания водного режима рек, отражающие колебания климата, что хорошо демонстрируется в работе А.А. Соколова [17].

Для решения поставленной задачи использованы данные многолетних колебаний водоносности р. Урал у г. Оренбурга (рис. 1). Особое место в графическом исследовании данного временного ряда занимает определение длины отрезка скользящего осреднения для построения тренда, который рассчитывался методом гармонических весов [12]. Испытывались отрезки длиной от 5 до 25 лет.

В нашем понимании, именно по динамике тенденций, рассчитанных с использованием различных фаз скользящего осреднения, можно обнаружить долгопериодные циклы.

На рис. 1 показаны два тренда: с 11 - и 22-летней фазой скользящего осреднения. Остальные отрезки осреднения дают промежуточные формы кривой тренда. Хорошо видно, что при использовании 22-летнего отрезка в качестве фазы скользящего осреднения четко вырисовывается цикл, период которого, очевидно, составляет 60 лет с границей начала около 1943 г. и окончанием, по всей вероятности, в 2002 году. Напротив, обнаружить какую-либо закономерность в тренде, построенном с использованием 11 -летней фазы, не удаётся.

Выбор нами 11 - и 22-летнего отрезков скользящего осреднения для расчета тенденций никак не связан с фазами солнечной активности. Присутствует чисто техническая процедура. Можно на равных основаниях использовать фазы и менее, и более 22-х лет. В первом случае кривая тренда будет менее выровненной, приближаясь к тренду с 11-летней фазой скользящего осреднения; во втором - более выровненной. Однако начало цикла с 1943 года отчетливо обозначается на тренде при использовании уже 16-летнего отрезка для осреднения временного ряда.

И всё же интересно проследить наличие каких-либо хотя бы внешних связей изучаемого процесса с солнечной активностью. Используя в качестве репера 1943 год, можно легко установить искомые 60-летние циклы: 1763-1822 гг.; 1823-1882 гг.; 1883-1942 гг.; 1943-2002(7) гг. Все они начинаются и заканчиваются при минимальных значениях солнечной активности (имеются в виду числа Вольфа), включая в себя целое число 11-летних солнечных циклов. При этом первые два обозначенных 60-летних периода состоят каждый из пяти, а третий - из шести 11-летних циклов солнечной активности. В сумме это даёт с одной стороны 180 лет, с другой -шестнадцать 11-летних циклов солнечной активности (или восемь 22-летних).

Следует учитывать, что названия 11 - и 22-летний цикл являются условными. Реальные 11-летние циклы изменяются по длине между минимумами солнечных пятен от 9 до 14 лет, между максимумами от 7 до 17 лет. Длительность 22-летних циклов изменяется от 18 до 26 лет.

Текущий 60-летний период, заканчиваясь, по всей вероятности, в 2002, году, будет, очевидно, также состоять из целого числа 11-летних циклов солнечной активности. Предполагается, что 60-летняя ритмичность временных рядов может быть обусловлена циклом движения центра масс Солнца, Юпитера и Сатурна [3].

Как подойти на основании полученных результатов к расчету климатической нормы? Если использовать для этой цели 20-летние периоды на временном интервале с 1943 по 2002 год, то вне поля зрения остаётся структура этих изменений. Так, например, 20-летние отрезки в начале и в конце линии тренда могут показать отсутствие различий в климатических нормах (создаётся впечатление, что климат на данном протяжении лет не меняется), хотя это не соответствует реальной картине.

Для решения этой проблемы, очевидно, следует воспользоваться возможностью, которую предлагает В.Ф. Логинов [9] - учет циклических колебаний в гидрометеорологических процессах длительностью более 20 лет. Если природа показанного на рис. 1 цикла будет установлена, то его использование для вычисления климатических норм метеорологических элементов сможет удовлетворять как требованиям статистики (60-летний временной ряд вполне достаточен для получения устойчивых статистических моментов), так и физическим принципам. Но к этому следует добавит важный фактор - необходимость анализировать и интерпретировать структуру тренда метеорологических элементов внутри детерминированного цикла. Следовательно, климатическая система характеризуется не только климатической нормой в данный момент, но и структурой тренда временного ряда.

На рис. 2 представлены тенденции среднегодовой температуры воздуха и годовой суммы осадков по г. Оренбургу. На ось абсцисс штриховой линией опущены перпендикуляры, показывающие границы 60-летних циклов. Хорошо видно совпадение этих границ с отличительными особенностями линий трендов, относящихся к разным циклам, чередующимся во времени. Всё сказанное относится к линии тренда, рассчитанной с использованием 22-летней фазы скользящего осреднения.

Анализ структуры тенденции среднегодовой температуры воздуха с 1844 по 1997 годы показывает устойчивое потепление в той климатической системе, которая характеризуется данными метеостанции г. Оренбурга. Особенно четко это видно за последний 60-летний цикл. При наличии такой структуры тренда можно проанализировать среднюю многолетнюю за любой отрезок времени внутри границ цикла. Тенденция же годовых сумм осадков не носит однонаправленного характера, а скорее отражает цикличность внутри уже самих 60-летних периодов.

Тренды среднегодовой температуры воздуха, вычисленные по данным метеостанций Бузулук и Бугуруслан (Предуралье), а также метеостанций Домбаровский и Айдырля (Зауралье), расположенных на расстоянии 300-400 км от г. Оренбурга, имеют аналогичную структуру. Это говорит об идентичной динамике изменений обсуждаемого метеорологического фактора на обширной территории Южного Урала. Причем и на указанных пунктах бесспорно фиксируется начало современного долгопериодного цикла в районе 1943 года.

Если сравнивать форму кривой, описывающую динамику тенденции годового стока р. Урал у г. Оренбурга (рис. 1) с трендом годовых осадков (рис.2), то напрашивается вывод, что количеством осадков, выпадавших за год, невозможно обосновать указанную тенденцию водоносности данной реки. Для ответа на этот вопрос исследовалась роль в этом процессе осадков каждого месяца, начиная с апреля предыдущего половодью года до апреля в год половодья. Использовались наблюдения метеостанций Айдырля, Энергетик и Домбаровский, расположенных в зоне естественного формирования стока. Анализировались различные сочетания сумм месячных осадков с целью достижения максимальной величины корреляции их трендов с трендом объёма годового стока р. Урал. Оказалось, что динамика суммы осадков за май, сентябрь и октябрь предшествующего половодью года метеостанций Айдырля и Энергетик обусловливает тип тенденции водного режима р. Урал у г. Оренбурга в рамках последнего долгопериодного цикла. Обе тенденции (суммы осадков обозначенных месяцев и годового стока р. Урал) связаны между собой коэффициентом корреляции r=0,974 (R2=0,945). Следует подчеркнуть, что речь идёт о взаимосвязи между трендами. Фактические же колебания годового стока в створе у обозначенного гидропоста детерминированы суммой осадков указанных месяцев в 44,6% случаев.

Для оценки сельскохозяйственной значимости климатических ресурсов важно выявить особенности тенденций показателей температуры и количества осадков за тёплый период года, когда проходит вегетация основных культур в агроэкосистемах.

Как видно из рис. 3, однонаправленных изменений гидротермических факторов не наблюдается. Напротив, динамика рассмотренных элементов погоды носит четко выраженный циклический характер, а сами показатели температуры и осадков в этих колебаниях находятся в антифазе друг к другу. Следовательно, положительный тренд среднегодовой температуры, отмеченный нами ранее, обусловлен общим потеплением климата в холодный период года.

Сама по себе периодичность погодных факторов летнего периода, выявленная в длительных временных рядах, уже несет важную информацию, а относительная устойчивость этой периодичности позволяет, опираясь на структуру трендов, экстраполировать (прогнозировать) направление изменчивости (тенденцию) основных компонентов погоды на ближайшие десятилетия. Так, например, период колебания тенденций изучаемых факторов, представленных на рис. 3, составляет 22-24 года.

Природные степные экосистемы функционируют, в значительной степени следуя этой ритмике. При трансформации целинных экосистем в агроценозы последние приобретают существенные особенности, отличающие их от естественных экосистем: сокращённый примерно в 2 раза вегетационный период; предельно простая структура; изменение соотношения надземной и подземной фитомассы в пользу первой; исчезновение дернины, а вместе с ней животного населения, способствующего переработке растительных остатков и оструктуриванию почвы [6]. В целом, по данным А.А. Титляновой с сотрудниками [20], а также Н.И. Базилевич и Е.М. Шмаковой [1], резкое отличие агросистем от природных экосистем во всех зонах состоит в том, что запасы органического вещества в агроценозах заметно снижаются по сравнению с природной экосистемой; превращение природной экосистемы в агроценоз приводит к уменьшению замкнутости биологического круговорота. Вследствие этого агросистемы для создания урожая неполно используют ресурсы тепла и влаги по сравнению с их целинными степными аналогами.

Естественная биологическая продуктивность территорий Оренбургской области, выраженная через урожайность зерновых культур, показана в таблице.

Относительные величины биоклиматического потенциала (БКП) характеризуют совместное влияние тепла и влаги на биологическую продуктивность [15, 24, 25]. В условиях неполивного земледелия для оценки влагообеспеченности используется показатель годового атмосферного увлажнения (КУ) в форме отношения осадков к испаряемости (возможному испарению).

Коэффициент роста Кр представляет собой отношение урожая в данных условиях увлажнения к максимальной его величине. Максимальная величина урожая определяется при сравнимой агротехнике в условиях оптимального увлажнения (при КУ = 0,45...0,50).

Кроме того, в каждой природной зоне при сравнительно однородных климатических условиях вследствие перераспределения факторов почвообразования формируется большое разнообразие почвенных разностей, для которых характерен соответствующий уровень плодородия. Поэтому, учитывая сложную структуру почвенного покрова области, при расчёте Бк необходимо брать во внимание качество почв по агроэкологическим группам (типам) земель.

Несмотря на то, что БКП является расчетной величиной, базируется он на сугубо эмпирических данных, полученных за многолетний период наблюдений на государственных сортоучастках (ГСУ), расположенных во всех природно-сельскохозяйственных районах бывшего СССР, в том числе и в Оренбургской области.

БКП, определяющий урожайность зерна 23 ц с 1 га (или равный 100 баллам) соответствует 1-процентному использованию фотосинтетически активной радиации (ФАР). Отсюда и цена балла составляет 0,23 ц зерна с 1 га. Поэтому чем менее благоприятно сочетание количеств тепла и влаги, тем ниже естественная биологическая продуктивность территории и, следовательно, ниже к.п.д. использования ФАР. Для сухостепной зоны Казахстанской провинции, например, он составляет 0,55%.

Достижение даже такого уровня использования ФАР в производственных условиях уже является нелёгкой задачей и требует при равных с ГСУ почвенных и климатических условий такого же уровня технологий. На ГСУ это достигается не только за счёт оптимизации минерального питания растений, борьбы с сорняками, болезнями и вредителями, но и за счет минимальных (4-5 дней) сроков проведения посевных и уборочных мероприятий. Последний фактор выступает на ГСУ в качестве основного, решающего момента, обеспечивающего реализацию БКП.

Кроме того, при организации государственной сортоиспытательной сети основная часть ГСУ располагалась на плакорно-выровненных территориях, обусловливающих их оптимальный для данной местности естественный водный режим, чего практически невозможно добиться в большинстве хозяйств товаропроизводителей.

На рис. 4 даны примеры достижения уровня использования БКП в опытно-производственных хозяйствах (ОПХ) научно-производственного объединения (НПО) «Южный Урал». БКП для почвенно-климатических условий ГСУ показан горизонтальной линией, параллельной оси абсцисс. На рисунке видно, что в ОПХ «Урожайное» (метеостанция Чебеньки) этот уровень урожайности достигнут к середине 70-х годов; в ОПХ «Советская Россия» (метеостанция Адамовка) это произошло к началу 90-х годов; в ОПХ им. 50-летия ВЛКСМ (метеостанция Абдулино) этот уровень остаётся не достигнутым.

К числу причин, объясняющих более низкий, чем на ГСУ в этой зоне, уровень урожайности зерновых культур в ОПХ им. 50-летия ВЛКСМ (по тренду к началу 70-х годов он достиг 17 ц с 1 га) можно отнести сравнительно низкий бонитет почв. По данным работ [4, 16], - он составляет 86-94 балла для ОПХ и ГСУ соответственно. Поэтому требуется уточнение величины БКП, т.е. введение поправки на качество почв. Действительно, расчеты показали, что для данного хозяйства БКП составляет 20,4 ц зерна с 1 га.

Другой причиной может быть несоблюдение технологических приёмов, особенно по срокам выполнения работ, что ведёт как к недоиспользованию климатических ресурсов, так и к потерям уже выращенного урожая. В этом случае требуются организационно-финансовые решения.

Из всего выше сказанного можно сделать вывод, что уровень интенсификации земледелия следует оценивать не по абсолютной величине достигнутой урожайности, а по степени использования БКП. Так, в ОПХ «Урожайное» и «Советская Россия» по тренду достигнута урожайность зерновых культур, несколько превышающая или равная БКП для ГСУ соответствующей природно-сельскохозяйственной провинции, Только в первом ОПХ это произошло на 20 лет раньше. Кроме того, надо принять к сведению, что качество почв в этих хозяйствах и на ГСУ, их обслуживающих, оцениваются следующими показателями (в баллах): ОПХ «Урожайное» - 77, ГСУ - 80; ОПХ «Советская Россия» - 57 и ГСУ - 65. Следовательно, БКП для ОПХ «Урожайное» составляет 18,9, а для ОПХ «Советская Россия» - 12,9 ц зерна с 1 га. Только тогда можно объективно оценить усилия коллективов хозяйств.

Устойчивость производства зерна в приведенных ОПХ характеризуется формой кривой тренда урожайности, т.е. как непрерывном её повышением, так и выходом на плато.

Таблица

Оценка продуктивности зерновых культур по естественным биоклиматическим показателям природно-сельскохозяйственных провинций Оренбургской области

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Базилевич Н.И., Шмакова Е.И. Изменчивость геосистем луговой степи при её хозяйственном использовании // Строение и функционирование геосистем. - М.: Ин-т географии АН СССР, 1986. - С. 123-142.
  2. Борисенков Е.П. Климат и деятельность человека. - М.: Наука, 1982. - 128 с.
  3. Васильева Г.Я., Красногорская Н.В., Сазеева Н.Н. Космобиосферные взаимодействия и некоторые аспекты их реализации // Современные проблемы изучения и сохранения биосферы и её внешние связи. - С. Петербург: Гидрометеоиздат, 1992. - Т. 1. - С. 57-66.
  4. Земля любит порядок. Под общей редакцией А.И. Климентьева. - Челябинск. 1980. -140 с.
  5. Идлис Г.М. Революция в астрономии, физике и космологии. - М.: Наука, 1985. - 230 с.
  6. Казанская Н.С. Земледельческое освоение территории и трансформация биоты // Степи Русской равнины. - М.: Наука, 1994. - С. 29-49.
  7. Коваленко В.Л., Кизим Л.Д., Николаев В.Г., Пашестюк A.M. Модель влияния гравитационного поля Солнца на климат Земли // Современные проблемы изучения и сохранения биосферы и её внешние связи. - С. Петербург: Гидрометеоиздат, 1992. - Т. 1.-С. 192-207.
  8. Красногорская Н.В., Пархомова А.Г. Космическая природа ритмов в биосфере // Современные проблемы изучения и сохранения биосферы и её внешние связи. - С. Петербург: Гидрометеоиздат, 1992. - Т. 1. - С. 237-246.
  9. Логинов В.Ф. Прогнозирование погоды и изменений климата // Агроэкологические ресурсы. - Новосибирск, 1990. - С. 36-62.
  10. Мизун Ю.Г. Космос и погода. -М.: Наука, 1986. - 144 с.
  11. Мизун Ю.Г. Процессы в геосфере. - М.: Знание. Сер. Физика. - 1990. -N 9. - С. 24-35.
  12. Полевой А.Н. Прикладное моделирование и прогнозирование продуктивности посевов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 319 с.
  13. Понько В.А. О природе циклов погоды и климата // Цикличность увлажнения юга Западной Сибири / Науч.-техн. бюлл. СО ВАСХНИЛ. - Новосибирск, 1983. - N 45. - С. 2-20.
  14. Понько В.А. Геокосмические связи как информационная основа долгосрочного прогнозирования // Вопросы агроэкологического прогнозирования / Науч.-техн. бюлл. СО РАСХН. - Новособирск, 1991.-Вып. 5.-С. 19-32.
  15. Природно-сельскохозяйственное районирование и использование земельного фонда СССР. - М.: Колос, 1983. - 336 с.
  16. Результаты оценки сельскохозяйственных угодий колхозов и совхозов Оренбургской области. - Оренбург, 1980. - 78 с.
  17. Соколов А.А. Вода: проблемы на рубеже XXI века.-Л.: Гидрометеоиздат, 1986. -168 с.
  18. Сухонос СИ. Космическая пыль стимулирует эволюцию? // Химия и жизнь. - 1988. –N 1.-С. 91-93.
  19. Сухонос СИ. Структура устойчивых уровней организации материального мира //. Современные проблемы изучения и сохранения биосферы и её внешние связи. - С. Петербург: Гидрометеоиздат, 1992.-Т. 1. - С. 30-39.
  20. Титлянова А.А. и др. Агроценозы степной зоны. - Новосибирск, 1984. - 246 с.
  21. Усманов Р.Ф. Ротационно-гравитационный механизм циркуляции атмосферы // Вопросы агроэкологического прогнозирования / Науч.-техн. бюлл. СО РАСХН. -Новосибирск, 1991.-Вып. 5.-С 3-18.
  22. Фролов Ю.А. Системный подход к проблеме взаимодействия биосферы и космоса // Современные проблемы изучения и сохранения биосферы и её внешние связи. - С. Петербург: Гидрометеоиздат, 1992. - Т. 1. - С. 82-88.
  23. Чечельницкий A.M. Волновая структура Солнечной системы и ритмы биосферы // Современные проблемы изучения и сохранения биосферы и её внешние связи. - С. Петербург: Гидрометеоиздат, 1992. - Т. 1. - С. 66-72.
  24. Шашко Д.И. Агроклиматическое районирование СССР. - М.: Колос, 1967. - 335 с.
  25. Шашко Д.И. Учитывать биоклиматический потенциал // Земледелие, 1985. - N 4. - С. 19-26.
  1. Шило Н.А. Вихри - Колыбель Солнечной системы // Гипотезы, прогнозы / Будущее науки. Ежегодник. -М.: Знание, 1988.-Вып. 21. - С. 89-111.

Рис. 1. Колебания годового стока (А) и паводковых вод (Б) р. Урал у г. Оренбурга

Условные обозначения: 1 - фактический ряд наблюдений; 2 - тренд при 22-летней фазе скользящего осреднения; 3 -тренд при 11-летней фазе скользящего осреднения.

Рис. 2. Тенденция изменений среднегодовой температуры воздуха (А) и суммы годовых осадков (Б) по г. Оренбургу

Условные обозначения: 1 - тренд при 22-летней фазе скользящего осреднения; 2 - тренд при 11- летней фазе скользящего осреднения.

Рис. 3. Тенденция изменений среднем летней (май - август) температуры воздуха (1) и суммы летних осадков (2) по г. Оренбургу при 22-летней фазе скользящего осреднения

Рис. 4. Динамика урожайности зерновых культур в ОПХ НПО «Южный Урал»

Условные обозначения: «Урожайное» Оренбургского района (А), «Советская Россия» Адамовского района (Б), им. 50-летия ВЛКСМ Матвеевского района (В). 1 - фактический ряд урожайности; 2 - тренд.

RHYTHMICITY OF METEOROLOGIC FACTORS AND BIOCLIMATIC POTENTIAL IN STEPPE ZONE OF THE URALS

V.Ye. Tikhonov

Institute of Steppe of the Urals Branch of RAS 460000 Orenburg, Pionerskaya St., 11, Russia

Long-period cycles with periodicity of 60 years were revealed in climatic system of the Southern Urals. Their borders is being indentificated when the building trends of protracted temporal rows of volume of annual flow and spring flood level of Urals River. The method of harmonic scales with the use of 22-years stage of sliding averaging was used for calculation of the trend. The border of the beginning of current 60-years period is in limit of 1943 year.

It is offered to use revealed cyclic vibration in hydrological processes of large duration for decision of problem of definition of climatic quota. Climatic system is characterised not only by climatic quota in present moment, but structure of trend of temporal row unside every 60-years cycle. Thus, trend of average annual temperature in the Southern Urals from 1844 to 1997 shows the resistant getting wanner of climat at the expense winter monthes, especially in current 60-years period, trend of precipitation shows their cyclisity inside every such period.

The biological productivity of different natural zones of the Southern Urals, expressed through crop capacity, is shown for revealed rhythmicity of hydrotermal factors of summer period.

Examples of improvment of the level of use of bioclimatic potential in the farms of scientific-industrial union "The Southern Urals".


Для того чтобы оставить комментарий вы должны авторизоваться на сайте! Вы также можете воспользоваться своим аккаунтом вКонтакте для входа!