ДИНАМИКА ШИРОТНОЙ КОНТРАСТНОСТИ КЛИМАТА И СТЕПНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ

DYNAMICS OF ZONAL KONTRAST OF CLIMATE AND STEPPE VEGETATION


А.Н.Золотокрылин

A.N.Zolotokrylin

Федеральное государственное бюджетное учреждение Институт географии Российской академии наук (ИГРАН)
(РФ, 109017 Москва, Старомонетный пер.,29)
Institute of Geography RAS
(RF. 119017 Moscow, Staromonetny, 29)
e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.


Анализ изменения широтой средних показателей Восточно-Европейской ветви полярного фронта, полей градиентов показателей климата и NDVI в заданных меридиональных секторах свидетельствует о наличии сигнала полярного фронта в степной растительности. Он выражается в том, что обусловленные полярным фронтом осадки сезона активной вегетации, играют заметную роль в формировании устойчивого широтного контраста NDVI (51-52°с.ш.) в степных районах Европейской России. Слежение за этой контрастной полосой с помощью NDVI–данных может быть полезным для понимания динамики степной растительности в ситуации глобального потепления.

East European polar front’s branches distribution has been studied; its manifestation into precipitation and NDVI gradients fields has been retraced. Shifts in polar front’s average indices, in climate indices gradients fields and in NDVI, as on latitude changes, have been evaluated. Because of this method, latitude belt of polar front’s signal manifestation has been identified. Strong impact of polar front generated summer precipitation on NDVI zonal contrasts formation (51-52 NL) in steppe regions of European Russia has been demonstrated. Monitoring of this contrast belt by the use of NDVI data could be useful for better understanding potential shifts in steppe zones in the context of global warming.


Введение. В работах [1, 2] было выявлено сходство изменений меридиональных градиентов июльских значений температуры, осадков и спутникового индикатора зеленой фитомассы-NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) в степных районах Восточно-Европейской России. Оно означает, что на фоне увеличения осадков и NDVI с широтой наблюдался резкий рост их градиентов в отдельных узких широтных полосах. Для объяснения этого роста была предложена гипотеза, что усиление контрастности NDVI вызвано положением полярного фронта в это время. Контрастность – это резкое изменение показателей растительного покрова (фитомассы, проективного покрытия), связанное с уменьшением степени аридности с широтой.

В этой связи, гипотеза о зависимости контрастности степной растительности от размещения полярного фронта становится полезной для понимания механизма ее динамики в ситуации глобального потепления.

Данная работа направлена на обоснование довода в пользу выше приведенной гипотезы, что размещение полярного фронта летом и обусловленные им осадки поддерживают контрастность степной растительности. Для решения этой задачи представляется важным на новом материале определить положение Восточно-Европейской ветви полярного фронта и исследовать его проявления в динамике градиентов температуры и осадков, индикатора растительного покрова – NDVI.

Методы и материалы. Для изучения вопроса о существовании полярного фронта и возможного изменения его положения в различные климатические эпизоды на территории в пределах 40-65?с.ш. 25-60?в.д. использовались данные реанализа Университета Восточной Англии (http://www.cru.uea.ac.uk/cru/data/ncep/). Они представлены двухмерными массивами значений различных метеоэлементов в узлах географической сетки размером 2,5? по широте и 2,5? по долготе для 4-х метеорологических сроков за все дни в период с 1948 по 2007 годы. С целью исследования возможных изменений положения полярного фронта были выбраны следующие периоды осреднения: 1) 1948 – 1960 годы; 2) 1961 – 1990 годы; 3) 1991 – 2007 годы.

При рассмотрении вопроса о географическом положении полярного фронта мы исходили из определения, что этот фронт проходит в районе наиболее часто повторяющихся синоптических фронтов, а, следовательно, в районе максимальных значений модуля горизонтального градиента приземной температуры [4]. В то же время, поскольку фронты формируются в зонах пониженного давления, то район повышенной повторяемости центров циклонов также могут указывать на климатологический фронт. Исходя из приведенных выше соображений, для анализа положения полярного фронта были использованы средние летние поля следующих величин: 1) модуль температурного градиента на высоте изобарической поверхности АТ-1000; 2) повторяемость центров циклонов по данным о геопотенциальной высоте АТ-1000. Предпочтение данных на поверхности АТ-1000 приземным данным о температуре и давлении обусловлено меньшим влиянием орографии (более однородные поля). (Из-за краткости изложения расчетные формулы не приводятся).

Для анализа осадков использованы данные ВНИИГМИ МЦД: среднемесячные значения по станциям за период 1986-2009 гг. (http://www.meteo.ru/climate/precip.php). Осадки по 181 станциям аппроксимированы в узлы регулярной сетки 1х1°на территории в пределах 45-60? с.ш. и 30-90? в.д. Дополнительно были вычислены важные для растительности суммы осадков с мая по август, с ноября по август, с ноября по апрель и приведены к среднему по пятилетиям: 1986-1990, 1991-1995, 1996-2000, 2001-2005, 2006-2009 гг.

Прежде чем перейти к описанию данных NDVI, отметим, что восточно-европейская ветвь полярного фронта летом локализуется преимущественно над степными районами. Степная растительность представлена здесь широкой компактной полосой (зоной) и объединяет сообщества ксерофильных микротермных дерновинных травянистых растений. Господствующей биоморфой в степях являются дерновинные злаки. Распространение степных сообществ, связано с черноземами и каштановыми почвами. В настоящее время геоботаники выделяют на карте три подзоны степей: северные, средние и южные, вместо традиционно используемых категорий, таких как настоящие, сухие и опустыненные. Северные и часть средних степей - распаханы. Остальные степи используются как пастбища.

С 1986 г. по 2000 г. вегетационный индекс вычислялся по данным Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR), установленных на спутниках серии NOAA. Данные этого вегетационного индекса обозначают как NDVI AVHRR. С 2001 г. вегетационный индекс вычисляется по измерениям Medium Resolution Imaging Spectrometer (MODIS), установленного на спутнике Terra (далее NDVI MODIS). Данные представлены на сайте https://lpdaac.usgs.gov/lpdaac/products/modis_products. Рассматривалась модель MOD13C2 (варианта-5) где использовалась географическая сетка моделирования климата (CMG) – спроектированная на 0,05х0,05° (в среднем 5600-метров). Дискретность данных по времени составляет 1 месяц. Значения NDVI рассчитывались в среднем по пятилетиям 2001-2005, 2006-2010 и месяцам.

Следует отметить, что NDVI MODIS в степной зоне возрастает с широтой от 0.25 до 0.6. Хотя дерновинные злаки (степной тип растительности) доминируют во всех трех подзонах, увеличение NDVI происходит за счет роста их проективного покрытия и участия разнотравья. В северных степях разнотравье обильное, в средних степях оно уже беднее, а в южных совсем бедное. Там, где разнотравье приближается к обильному, отмечается резкий рост фитомассы и, следовательно, увеличение градиента NDVI. Возможным смещением максимума градиента NDVI может быть изменение количества фитомассы, но не типа степной растительности.

В заключение были рассчитаны модули градиентов осадков и NDVI с дискретностью 1х1°, а также их средние значения по широте в пределах долготных полос: 30-45в.д.; 45-60 в.д.

Результаты. Исследование географического размещения Восточно-Европейской ветви полярного фронта над равнинами России летом в заданные периоды показало, что она достоверно выделяются по всем показателям и отличается от карты полярного фронта в июле С.П.Хромова только деталями. Локализация полярного фронта не выходит за пределы степной и лесостепной зон во все месяцы лета, а миграция фронта в течение лета малозаметна. Осреднение показателей по долготе в пределах Восточно-Европейской равнины свидетельствует, что максимальный градиент температуры летом локализуется преимущественно на 51-52? с.ш., а максимум повторяемости центров циклонов на 50-51?с.ш.

Все показатели размещения полярного фронта свидетельствуют о его стабильности в периоды 1948-1960 и 1961-1990 гг. Но в период 1991-2007 гг. максимальная повторяемость центров циклонов на Восточно-Европейской равнине сместилась на 47-48? с.ш., в то время как в 1948-1990 гг. она была примерно на 50? с.ш. Это смещение повторяемости к югу подтверждается значимым расширением полосы максимального градиента осадков.

С локализацией полярного фронта связано усиление градиента месячных сумм осадков сезона активной вегетации на территории. Рост градиента отмечается во все месяцы сезона в среднем на широтах 51-52°. На рис.1 изображено изменение суммы осадков (май-август) с широтой на территории 47-55° с.ш. и 45-60° в.д. за период 1986-2009 гг. На рисунке отчетливо просматривается на фоне увеличения осадков с широтой появление значимого максимума градиента на широтах 51-52° во все пятилетия. Характерно, что значимый максимум градиента на широтах 51-52° сохраняется также при учете осадков холодного сезона. Так как вклад осадков сезона активной вегетации в годовую сумму превалирует, то он становится значимым в формировании контрастности NDVI на исследуемой территории. В качестве иллюстрации на рис.2. приведено изменение осредненного градиента NDVI с широтой на территории между 45 и 60° в.д. в июле. Как видно из рисунка, усиление контрастности отмечается между широтами 48 и 49° и 51 и 52°.

Согласно современным представлениям, на данной территории между 48 и 49° с.ш. проходит граница между степной и пустынной растительными зонами [3]. Точнее, граница разделяет южные (опустыненные) степи (полукустарничково-дерновиннозлаковые) на светлокаштановых почвах и северные пустыни (полынные и фитоценохоры с их преобладанием) на бурых почвах. Переход от пустынной растительности к степной с более высокой фитомассой отражен в росте градиента NDVI.

Второй и наибольший по величине контраст NDVI отмечается в полосе 51-52° с.ш., на которой происходит переход от подзоны южной (сухой) степи к подзоне средней степи. Южные степи маркируются участием в качестве полукустарничков содоминантов в типчаково-ковыльных сообществах. Более продуктивные средние степи характеризуются господством типчаково-ковыльных степей с участием ксерофильного разнотравья.

Следует отметить, что формирование контрастности растительности происходит под влиянием не только осадков теплого периода, но и осадков холодного. Роль осадков холодного периода возрастает в пустынных районах, где их количество становится больше осадков теплого периода. В северной части пустыни происходит резкое увеличение годовых осадков и осадков холодного периода, что проявляется в увеличении их градиента на широтах 47-49°. Осадки холодного периода определяют начальную фазу вегетации и ответственны за формирование контраста NDVI в полосе 48-49° с.ш.

Заключение. Исследование географического размещения Восточно-Европейской ветви полярного фронта в заданные периоды показало, что она достоверно выделяются по всем показателям и отличается от карты полярного фронта в июле С.П.Хромова только деталями.

Климатические изменения в положении полярного фронта по всем показателям проявляются в современном смещении к югу примерно на один-два градуса.

Размещение полярного фронта влияет на распределение осадков сезона активной вегетации, особенностью которого становится возникновение устойчивого максимума горизонтального градиента осадков в степной зоне в полосе 51-52° с.ш. Этот максимум сохраняется и в случае учета осадков холодного периода.

Размещение полярного фронта имеет значение в формировании контрастности растительного покрова на юго-востоке Восточно-Европейской равнины (51-52°с.ш.).

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 10-05-00407-а).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Золотокрылин А.Н., Титкова Т.Б. Климатический фактор динамики растительности засушливых земель. Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Том XXII.- Москва ИГКЭ, 2009. С. 79-81.

2. Золотокрылин А.Н., Титкова Т.Б. Климатообусловленная динамика лесостепной, степной и полупустынной растительности России и Казахстана // Изв. РАН. Сер. геогр. 2010. №2. С. 40-68.

3. Сафронова И.Н. Фитоэкологическое картографирование Северного Прикаспия. Геоботаническое картографирование.2001-2002. С.-П., 2002. С. 44-65.

4. Хромов С.П. Географическое размещение климатологических фронтов // Изв. Всесоюзн. географ. общ-ва. 1950. №2. С.126-137.


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