диссертация. Диссертация к защите
 Скачать 1.55 Mb.
|
|
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Сою Анастасия Валерьевна Агроклиматические условия Ленинградской области при современных изменениях климата Магистерская диссертация «К ЗАЩИТЕ» Научный руководитель: к.г.н., доц. П.Н. Священников «16 » мая 2016 Заведующий кафедрой: к.г.н., доц. П.Н. Священников
«16 » мая 2016 Санкт-Петербург 2016 СодержаниеВведение Глобальное изменение климата и его влияние на окружающую среду является одной из главных проблем ХХΙ в. Особое место в этом ряду занимает проблема соответствующих изменений и адаптационных ресурсов сельского хозяйства - важнейшей отрасли экономики, обеспечивающей выживание растущего населения Земли и продовольственную безопасность отдельных стран и крупных регионов. Значение агроклиматической информации трудно переоценить, поскольку сфера её применения исключительно широка. Агроклиматическая информация повсеместно и регулярно используется для агроклиматического обеспечения сельского хозяйства, в любых агроклиматических расчетах, анализах и обобщениях. А также она используется при агроклиматическом районировании территории и отдельных сельскохозяйственных культур, в оперативных оценках текущих агрометеорологических условий сельскохозяйственного производства, в том числе при оценке особенностей роста, развития и продуктивности сельскохозяйственных культур. Агроклиматическая информация находит свое применение при прогнозировании урожайности сельскохозяйственных культур, оценке хода полевых работ, перезимовки и т. д. Только при использовании агроклиматических сведений можно научно обосновать перспективы развития сельскохозяйственного производства, оценить целесообразность и возможность возделывания новых и традиционных сельскохозяйственных культур на той или иной территории, сформировать их оптимальный набор, рассчитать вероятность получения определенного количества и качества сельскохозяйственных продуктов, оценить биоклиматический потенциал (сельскохозяйственный потенциал климата) среды и т. д. В 2013 году вышел 5-ый доклад МГЭИК (Доклад первой…, 2013), в котором ряд авторов предполагают, что потепление климата приведет к увеличению повторяемости опасных явлений, а также будет больше аномально жарких периодов и меньше дней с сильными морозами (как отдельных дней, так и средних сезонных значений). Жаркие периоды будут чаще и продолжительнее. Самые последние исследования указывают на вероятность незначительных благоприятных последствий для урожайности зерновых культур в температурных зонах средних и высоких широт из-за незначительного повышения температуры (на 1–2 °C) (Хебебранд, 2009). В связи со сказанным выше, возникает необходимость в проведении исследования влияния современных изменений климата на агроклиматические условия отдельного региона, такого как Ленинградская область. Целью данной работы является получение оценки изменений агроклиматических условий (агроклиматических показателей) Ленинградской области при современных изменениях климата. Поставленные задачи: 1.Создание электронного архива данных наблюдений метеорологических станций на территории Ленинградской области, ориентированного на агроклиматические исследования. 2. Анализ временных тенденций продолжительности вегетационного периода. 3. Оценка условий увлажнения и оценка термических ресурсов сельскохозяйственных территорий. 4. Оценить изменения биологической продуктивности земель Ленинградской области. 5. Исследование изменения повторяемости заморозков на территории Ленинградской области. Необходимость подобного агроклиматического исследования обусловлена тем, что последнее проведенный анализ для территории Ленинградской области был проведен более 30 лет назад. Глава 1. Агроклиматология и агроклиматические показатели Общие сведения об агроклиматологии Агроклиматология - наука, изучающая метеорологические и почвенные условия в их взаимодействии с процессами роста, развития, формирования урожая сельскохозяйственных культур, сенокосно-пастбищной растительности и агротехническими мероприятиями(Грингоф, 2005). Важнейшие задачи агрометеорологии (Грингоф, 2005): Изучение количественных и качественных причинно-следственных связей между погодными (гидрометеорологическими) условиями и состоянием, ростом, развитием и формированием урожайности сельскохозяйственных культур и сенокосно-пастбищной растительности. Изучение закономерностей формирования гидрометеорологических условий сельскохозяйственного производства в пространстве и времени. Разработка методов количественной и качественной оценки влияния гидрометеорологических факторов на состояние почвы, растений, на рост, развитие и распространение вредителей и болезней сельскохозяйственных культур. Разработка всех видов агрометеорологических прогнозов. Разработка методов оценки, прогноза неблагоприятных и опасных для сельского хозяйства гидрометеорологических явлений и методов активного воздействия на эти явления. Изучение проблемы устойчивости сельскохозяйственного производства в зависимости от складывающихся гидрометеорологических условий, влияния глобального изменения климата и воздействия человеческого сообщества на агрофитоценозы. Совершенствование всех видов агрометеорологических наблюдений и создание комплексного агрометеорологического мониторинга. Изучение и прогнозирование спроса на агрометеорологическую информацию в условиях перехода к рыночной экономике, популяризация агрометеорологических знаний. Эти и другие задачи решаются агрометеорологической наукой и практикой с целью проведения и усовершенствования всех форм оперативного агрометеорологического обеспечения информацией аграрного сектора страны (Грингоф, 2005). Агроклиматический показатель - количественное выражение агроклиматических условий, характеризующих потребность сельскохозяйственных растений. А.П. может быть безразмерным (напр., ГТК Селянинова), размерным (напр., сумма активных температур за период) или интегральным. Учитывающим совместное воздействие физических условий и биологических особенностей с.-х. культур; обычно это эмпирические коэффициенты увлажнения, представляющие собой отношение величины «прихода» влаги к ее возможному расходу конкретной с.-х. культурой или ее сортом (например, показатели увлажнения Шашко, Алпатьева и др) (Толковый словарь, 2002). Показатели должны удовлетворять следующим требованиям (Шульгин, 1978): Быть интегральными Иметь биологический и физический смысл Быть относительно простыми в употреблении Обеспечивать возможность проводить количественные расчеты преимущественно на основе массовых данных наблюдений Интегральность показателей состоит в том, что они должны быть результатом совместного действия нескольких или многих климатических, биологических и других элементов (Шульгин, 1978). Показатели можно подразделить на основные, дополнительные и региональные. Все они в свою очередь делятся на четыре основные группы, характеризующие:1) тепло- и светообеспеченность, 2)влагообеспеченность, 3) условия перезимовки, 4) бонитет или общую оценку комплекса всех условий (Шульгин,1978). 1.2.Система агроклиматических показателей для мониторинга изменений климата Климат для решения агрометеорологических задач может рассматриваться как стохастический процесс, компоненты которого, - температура, влажность воздуха, атмосферные осадки, солнечная радиация, скорость ветра, а также температура и влажность почвы,- совместно определяют состояние и продуктивность экосистем, а через них непосредственно влияют на технологические процессы и эффективность хозяйственной деятельности в целом. Связи между климатом, экосистемами и результатами хозяйственной деятельности, как правило, многомерны, не линейны и не аддитивны, им свойственны инерционность и адаптивность. Все это делает проблему экономической и экологической интерпретации наблюдаемых изменений климата достаточно сложной, и в определенной мере, неоднозначной. Вместе с тем наличие тесных корреляционных связей внутри системы климатических переменных позволяет уменьшить число учитываемых параметров, что упрощает решение прикладных задач (Сиротенко,2007). Существует перечень агроклиматических показателей для комплексной оценки влияния изменений климата на сельское хозяйство и землепользование (табл.1). Предлагаемые показатели делятся на 2 группы: характеристики теплообеспеченности и увлажненности (Труды ВНИИСХМ, 2007). Характеристики термического режима включают агроклиматические показатели: суммы активных температур за период с температурой выше 10°С и 5°С, продолжительность основного периода вегетации (число дней с температурой выше 10°С и 5°С), даты перехода температуры через кардинальные пределы - 5°С и 10°С. В состав показателей для мониторинга изменений климата включены: средняя температура самого холодного месяца (января), как интегральный показатель условий зимовки, средняя температура наиболее теплого месяца (июля), как показатель напряженности термического режим (Труды ВНИИСХМ, 2007). Перечень основных показателей для мониторинга включает характеристики одной из важнейших особенностей климата - степени его континентальности. В качестве показателя континентальности климата обычно используется годовая амплитуда температуры воздуха, выраженная в процентах максимальной или средней для данной широты температуры. Для оценки степени континентальности может быть использован и ряд других показателей. Для умеренного пояса может использоваться продолжительность вегетационной весны (начало периода приходится на переход средней суточной температуры воздуха через 5°С, заканчивается переходом через 15°С) и вегетационной осени, интервал между переходом через 15° в сторону меньших значений, до перехода средней суточной температуры воздуха через 5° (15-5°) , а также общая их продолжительность, т.е. сумма двух этих периодов (продолжительность вегетационной весны N5-15 и осени N15-5, измеряется в сутках). Чем континентальнее климат, тем больше годовая амплитуда температуры воздуха (АТ), тем быстрее нарастание температуры весной и падение ее осенью и тем короче вегетационная весна и осень (Труды ВНИИСХМ, 2007). В таблице 1 приведены перечни основных агроклиматических показателей для мониторинга изменений климата для сельского хозяйства (Труды ВНИИСХМ, 2007). Таблица 1. Перечень основных агроклиматических показателей
Глава 2. Методика обработки агроклиматических данных 2.1.Общие вопросы агроклиматической обработки материалов наблюдений Важнейшим разделом проблемы изучения климата и агроклиматических условий, их изменчивости является сбор и накопление информации о природной среде за весь период инструментальных наблюдений и получение обобщенных данных о режиме изменений климатических параметров. Оценки статистических характеристик, вычисляемых по данным метеорологических наблюдений, публикуются в форме различных справочно-климатических пособий, атласов, различающихся большим разнообразием по набору расчетных параметров и объему обработки исходной информации (Грингоф, Павлова, 2013). Обработка массивов метеорологических, агрометеорологических, фенологических и других наблюдений проводится для получения числовых агроклиматических характеристик, которые могут быть использованы при решении разнообразных задач в системе «климат-почва-сельскохозяйственная» культура. Например, контроль наблюдений, вычисление средних величин, устранение неоднородности в рядах наблюдений, приведение данных к многолетнему периоду и другие действия осуществляются на основе принятой методологии обработки общих метеорологических данных. Основной целью такой обработки данных является получение средних многолетних агроклиматических величин, их изменчивости, повторяемости, вероятностных характеристик проявления какого-либо природного события в исследуемом ряду данных (Грингоф, Павлова, 2013). Теория климатологической обработки многолетних рядов наблюдений разрабатывалась многими климатологами и агроклиматологами, работавшими в ХΙХ-ХХ вв.: А.А. Каминским, Е.С. Рубинштейн, О.А.Дроздовым, Г.Т.Селяниновым, Ф.Ф. Давитая, С.А. Сапожниковой, И.А. Гольцберг, Л.Н.Бабушкиным, З.А. Мищенко и многими другими. В частности, вопросам обработки материалов наблюдений посвящены монография О.А. Дроздова « Основы климатологической обработки метеорологических наблюдений»(1961), методическое пособие Л.С. Кельчевской «Методы обработки наблюдений в агроклиматологии» (1971) и учебное пособие для студентов гидрометеорологических техникумов Н.В. Гулиновой «Методы агроклиматической обработки наблюдений» (1974). Применению статистических методов в агроклиматологии посвящены также специализированные монографии (Уланова Е.С., Сиротенко О.Д., 1968, Уланова Е.С. Забелин В.Н.,1990). В климатологии и агроклиматологии обычно используются средние многолетние значения х, рассчитываемые путем осреднения измеренных величин  за ряд лет n. Средняя арифметическая величина может быть средней во времени или в пространстве. Например, средней арифметической величиной во времени является средняя суточная температура воздуха, вычисленная по данным наблюдений за все сроки наблюдений в течение суток в одном пункте. Или средней арифметической величиной в пространстве может служить средняя районная (областная) сумма осадков за какой-либо период (декада, месяц, вегетационный период), полученная по всем станциям, расположенным в исследуемой территории (Грингоф, Павлова, 2013).Для агроклиматической оценки тепловых ресурсов вегетационного периода (или его отдельных подпериодов) обычно используют такие показатели, как суммы температур, продолжительность (в сутках) со средней температурой выше величины биологического минимума конкретной культуры, средней декадной, месячной температуры, их амплитуды, экстремальных температур, их повторяемости и т.п. (Грингоф, Павлова, 2013). Рассмотрим по отдельности: методы обработки тепловых ресурсов, методы обработки влагообеспеченности, методы расчета биоклиматического потенциала и основные понятии и методы прогноза заморозков. Начнем с тепловых ресурсов. 2.2.Теплообеспеченность вегетационного периода. Теплообеспеченность - показатель обеспечения потребности сельскохозяйственных растений в тепле (Толковый словарь,2002). Потребность культур в тепле выражают обычно суммами активных или эффективных температур воздуха за весь период вегетации или за отдельные фазы развития. Сравнивая термические ресурсы территории и потребность культур в тепле (в сопоставимых единицах), вычисляют обеспеченность растений теплом (Грингоф,1987). Г.Т.Селяниновым, а позже и другими исследователями подсчитана сумма активных температур (температур выше 10°) за вегетационный период различных сельскохозяйственных культур (табл.2.) (Венцкевич, 1958). Таблица 2. Потребность культур в тепле за вегетационный период (Венцкевич, 1958).
1.Методика расчета средней многолетней даты устойчивого перехода средней суточной температуры воздуха через определенные пределы весной и осенью. Средняя многолетняя дата устойчивого перехода средней суточной температуры воздуха через определенные пределы рассчитывается в два этапа. На первом этапе рассчитываются даты устойчивого перехода температуры воздуха через определенные пределы за каждый год. На втором этапе рассчитываются средние многолетние даты перехода температуры. Этап 1). Даты устойчивого перехода температуры воздуха через определенные пределы весной и осенью определяются по средним суточным температурам воздуха за каждый конкретный год периода 1986 – 2015г. Весной и осенью часто бывает, что периоды с температурой выше определенного предела (например, 5°С) сменяются периодами с температурой ниже этого предела. Даты устойчивого перехода температур через тот или иной предел определяются путем сопоставления положительных и отрицательных отклонений сумм средних суточных температур от того или иного предела. Положительным отклонение считается тогда, когда средняя суточная температура превышает заданный предел. Если температура ниже данного предела – отклонение отрицательное. Например, температура 3,5°С по отношению к пределу 0 °С имеет положительное отклонение, равное +3,5°С, температура 8,7°С по отношению к пределу 10°С имеет отрицательное отклонение, равное –1,3°С. Анализируя средние суточные температуры воздуха в таблицах ТМ-1 за месяцы с середины зимы до начала лета (при определении дат устойчивого перехода температуры весной) и за месяцы с середины лета до начала зимы (для определения перехода температур осенью), находят все периоды с положительными и отрицательными отклонениями. Затем вычисляют по каждому периоду сумму соответственно положительных и отрицательных отклонений. Полученные результаты записывают в рабочую таблицу (табл.3). Затем полученные суммы положительных и отрицательных отклонений сопоставляют и находят периоды и дни, которые можно принять за начало (весной) или конец (осенью) устойчивого перехода температуры через тот или иной предел (0, 5, 10, 15°С) (Методическое указание,2010). Таблица 3. Для определения даты перехода температуры воздуха через 10°С весной (Методическое указание,2010).
Этап 2). Расчет средней многолетней даты перехода температуры воздуха через определенные пределы весной. Полученные на этапе 1 данные записываются в рабочую таблицу 4. В графе 3 даты выражаются в виде числа дней от условно выбранного начала. За начало отсчета принимается самая ранняя дата из всего ряда наблюдений. В нашем примере это 10 апреля. В этом случае дата устойчивого перехода средней суточной температуры воздуха через 10°С весной в каждом году будет отсчитываться от 10 апреля. Дата 10 апреля в расчет не входит. Например, в 1986 г. дате 16 апреля соответствует число дней 6 (16 - 10=6), в 1987 г. дате 10 мая соответствует число дней 30 (20 дней апреля + 10 дней мая) и т.д. Полученное число дней суммируется (в нашем примере 247 дней) и делится на число лет наблюдений (20). Среднее число дней (12) переводится в дату, для чего число дней нужно прибавить к дате начала отсчета, т.е. 10 апреля: 10+12=22. В результате получаем, что средняя многолетняя дата устойчивого перехода средней суточной температуры воздуха через 10°С весной приходится на 22 апреля (Методическое указание,2010) . Таблица 4. Для определения средней многолетней даты перехода температуры воздуха через 10°С весной (Методическое указание,2010).
2.Расчет устойчивого перехода средней суточной температуры воздуха через определенные пределы весной и осенью ранее указанных дат различной обеспеченности Для расчета устойчивого перехода средней суточной температуры воздуха через определенные пределы весной и осенью ранее указанных дат различной обеспеченности строятся интегральные кривые распределения. Для их построения используются материалы наблюдений по станциям за отдельные годы (1986–2005 гг.). Для расчета возьмем данные из примера 1. Для каждой станции нужно построить рабочую таблицу 5 на основании рабочей таблицы 3. Таблица 5. Расчет эмпирической интегральной кривой обеспеченности перехода средней суточной температуры воздуха через 10°С весной ранее указанных дат (Методическое указание,2010).
Даты перехода в убывающем порядке записываются, начиная с самой ранней (10 апреля) и кончая самой поздней (20 мая). Для определения обеспеченности каждого порядкового номера членов статистического ряда (M) в зависимости от числа лет наблюдений (n) можно воспользоваться таблицей для расчета обеспеченности различных показателей (по формуле Г.А. Алексеева) (Методическое указание, 2010). По данным в таблице 5 строится интегральная кривая обеспеченности для каждой станции. На графике вероятности по оси ординат наносятся даты перехода средней суточной температуры воздуха через определенные пределы, на оси абсцисс — значение обеспеченности (рис.1). По имеющимся на графике точкам интерполяцией проводится плавная линия – интегральная кривая обеспеченности. Затем с этой кривой снимаются данные, соответствующие 10, 25, 50, 75, 90 %-ной обеспеченности, которые заносятся в таблицу справочника (Методическое указание, 2010).  Рисунок 1. Интегральная кривая распределения дат перехода средней суточной температуры воздуха через 10˚С весной (Методическое указание,2010). Расчет сумм активных и эффективных температур воздуха за вегетационный период Подсчет сумм температур в среднем многолетнем разрезе производится по средней месячной или средней декадной температуре, снятой с графика годового хода температур. С графика снимаются даты начала и конца периода с температурами выше какого-либо предела. Затем подсчитываются суммы активных температур за каждую декаду или месяц и суммируются за определенный период нарастающим итогом. Суммы температур по декадам или за месяц получают умножением средней декадной или месячной температуры, снятой с гистограммы, на число дней декады или месяца. За неполные декады или месяцы (в начале и конце периода) сумма температур подсчитывается по площади трапеции графика годового хода температуры (гистограмме). Площади трапеции отсекаются ординатами температур на дату перехода ее через определенный предел и на последний день декады или месяца весной и, наоборот, от первого дня декады или месяца до даты перехода температуры воздуха через этот предел осенью. Число дней неполного месяца на графике служит высотой трапеции (Методическое указание,2010).  Рисунок 2. Расчет сумм активных температур выше 10° по многолетним средним месячным температурам (Методическое указание,2010). Сумма эффективных температур воздуха рассчитывается путем умножения средних температур данного периода (за вычетом биологического нуля – температуры, при которой начинается активный рост) на число дней периода (Методическое указание, 2010):  где:  – средняя суточная температура периода  , выраженного в днях; – нижний предел эффективных температур (жизненный нуль); – сумма эффективных температур исследуемого периода, a-начало исследуемого периода, b-конец исследуемого периода.Если при этом рост данного растения начинается при температурах, допустим, выше 5°С, то средняя суточная температура 5,1 °С считается как 0,1 °С, а 5,0 °С и ниже не считается (Методическое указание,2010). | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
5,
