Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

PRECIPITATION DYNAMICS IN AGRICULTURAL LANDSCAPES OF DRY STEPPE ZONE IN CENTRAL CISCAUCASIA REGION DURING WORLD METEOROLOGICAL ORGANIZATION PERIODS AT THE «MOZDOK» METEOROLOGICAL STATION

Aylarov A.E. 1 Tebieva D.I. 2 Dobronosov V.V. 3
1 North Caucasian research institute of mountain and foothill agriculture – the Vladikavkaz scientific center RAS
2 North Ossetian State University of K.L. Khetagurov
3 Federal State Budgetary Institution National Park Alania
В статье устраняется пробел в анализе осадков по месячным, сезонным и годичным интервалам 1961–2017 гг. на метеостанции (м/с) «Моздок»: зона сухих степей Центрального Предкавказья (Юг Европейской части России), 136 м н.у.м., индекс Всемирной метеорологической организации (ВМО) 37145. В зоне действия м/с «Моздок» находятся сельскохозяйственные земли, используемые в основном для земледелия. Представлены результаты по многолетним нормам осадков стандартного периода 1961–1990 гг. С рассчитанными нормами сравнивается постбазовый (1991–2017 гг.) период ВМО для месячных, сезонных и годовых интервалов в условиях роста сумм активных температур, индекса континентальности климата и дефицита осадков за период вегетации. Средствами статистического анализа данных постбазового периода определены основные тенденции в изменчивости осадков: критерий Кокса – Стюарта с учетом взвешенной скользящей средней для трехлетнего шага, метод наименьших квадратов (МНК) и критерий Аббе – Линника. Показана относительная нестабильность периодов ВМО по значениям коэффициента вариации (CV): изменяется от 0,0 до 6,7 (за счет зимних месяцев и марта). Значения ẑфакт критерия Кокса – Стюарта подтвердили отсутствие трендов (за исключением июля, ноября и декабря), что соответствовало величинам МНК. При высоком значении CV и низком ẑфакт характер тенденции уточнялся МНК и Аббе – Линником. С использованием указанного инструментария установлено отсутствие трендов у большинства анализируемых временны́х интервалов постбазового периода ВМО (за исключением августа, ноября и теплого периода). Выявлено, что в условиях роста температур в климатической системе происходит межсезонное перераспределение осадков: нарастание недостатка в летний период и рост осадков осенью.
In article the lack in the analysis of long-term ranks of monthly, seasonal and annual rainfall (1961-2017) on the meteorological station (m/s) Mozdok: 136 m above sea level, index of the World Meteorological Organization (WMO) 37145. The modern data on the calculated climatic normals basic are provided to 1961-1990 and changes of nature of humidification post-basic the WMO periods of 1991-2017. Results are received based on statistical methods of the analysis of long-term ranks of dynamics. At identification of trends in changes of rainfall Cox-Stuart’s criterion taking into account, weighted moving average for a three-year step, the method of ordinary least squares (OLS) and criterion to Abbe-Linnik was used. The relative instability of the periods of World Meteorological Organization on values of a coefficient of variation (CV) is shown: changed from 0 to 6,7. Values ẑ Cox-Stuart’s criterion confirmed lack of trends (except for July, November and December) that corresponded to OLS values. At high value CV and low value ẑact the nature of a trend was specified to OLS and Abbe-Linnik. With use of the specified tools the lack of trends at the majority of the analyzed time frames of a period of WMO 1991-2017 is determined (except for August, November and the warm period). It is revealed that in the conditions of body height of temperatures in a climatic system there is an intra annual redistribution of rainfall between seasons: increase of deficiency of humidification during the summer period and body height of rainfall in the fall.
climatic normal
standard period
post-basic period WMO
weighted moving averages (WMA)
trend
Cox-Stuart’s criterion
ordinary least squares (OLS)
criterion to Abbe-Linnik

Для сухостепной зоны Юга Европейской России по м/с Моздок отсутствует анализ массива данных осадков за постбазовый период ВМО (1991–2017 гг.), как и рассчитанных климатических норм стандартного периода ВМО 1961–1990 гг. Вследствие этого мы не имеем объективной картины изменений в динамике осадков на м/с «Моздок» (индекс ВМО 37145, 136 м н.у.м.) и их агроклиматической оценки.

Цель исследования: устранить отсутствие анализа для месячных, сезонных и годичных рядов осадков по м/с «Моздок» за временно́й интервал 1961–2017 гг. (1961–1990, 1991–2017) на основе статистических методов исследования массива метеоданных и выявления новых агроклиматических параметров изучаемой территории.

Материалы и методы исследования

При выполнении работы задействован статистический инструментарий анализа и оценки режима осадков за многолетний период, применяемый в метеорологии и климатологии.

Общие и специальные вопросы статистики по рядам динамики изложены в работах И.И. Елисеевой, И.И. Егоровой и др. [1], А.Н. Кобзаря [2], Б.Б. Лемешко и др. [3]. Среди зарубежных авторов специальные вопросы статистики раскрыты в работе Л. Закса [4], методологии климатической статистики – в изданиях и руководствах Н.А. Дашко [5], ВМО [6–10].

Оценка рисков для сельского хозяйства на Северном Кавказе с учетом роста температур и неоднозначности динамики осадков дана в монографии Отделения сельскохозяйственных наук РАН [11], а также исследованиях Ульяновского НИИ сельского хозяйства [12].

С целью идентификации временно́го периода, следующего за базовым (1961–1990), и мониторинга изменений климата нами предложено квалифицировать временно́й интервал начиная с 1991 г. как «постбазовый период ВМО» [13].

Данное понятие естественным образом предполагает рассматривать этот временно́й отрезок как «постбазовый период ВМО» в русле рекомендаций саммита ВМО в 2014 г. [6, 7].

При выполнении работы использованы массивы данных специализированных интернет-ресурсов [14] и Гидрометцентра Российской Федерации [15].

Обоснованность использования критерия Кокса – Стюарта для выявления трендов по средним величинам с точки зрения мощности и надежности, а также его свойствами быстроты вычислений, оценивается как достаточно высокая, наряду с критерием Аббе – Линника [3, с. 23]. При оценке значений критерия Кокса – Стюарта бралась величина ẑфакт не менее критической 1,96, статистически подтверждающая наличие / отсутствие тренда для двустороннего табличного значения при 95 % доверительной вероятности и уровне значимости 0,05 [4, с. 355–356].

При сглаживании многолетних рядов динамики применялась взвешенная скользящая средняя (3-летний интервал) с коэффициентами бинома Ньютона (1*2*1) для повышения надежности расчетов по периодам ВМО, так как простые скользящие средние в ряде случаев не дают надежного результата [1, с. 180]. Степень стабильности базового периода ВМО 1961–1990 гг. оценивалась по CV, с которым сопоставлялась динамика постбазового периода ВМО 1991–2017 гг., согласно принятым рекомендациям ВМО [6] и предшествовавшей дискуссией о применимости новых климатических норм и введении скользящего периода ВМО (rolling period) через каждое десятилетие по моделям 30/30 и 30/10 [8–10].

Проведено сопоставление значений ẑфакт критерия Кокса – Стюарта и результатов количественных показателей линейного тренда по методу наименьших квадратов (МНК) и критерию Аббе – Линника [3, 4]. Сравнение показало высокую степень достоверности результатов по установлению трендов для оцениваемых интервалов 1991–2017 гг. Расчеты проведены на основе ПП Excel.

Результаты исследования и их обсуждение

Суммы осадков по месячным интервалам на м/с «Моздок» репрезентируют структурную динамику процесса увлажнения территории, как в течение года, так и стандартных периодов ВМО.

Проведенный анализ цикла осадков, как видно из табл. 1–2, показал их активную изменчивость: снижение в летние месяцы и увеличение в холодный период. Соответственно, определялось наличие/отсутствие трендов.

Таблица 1

Суммы осадков по месяцам на м/с «Моздок» за временные интервалы ВМО*

Месяцы года

Периоды ВМО

Сравнение 1991–2017 с 1961–1990

Месяцы года

Периоды ВМО

Сравнение 1991–2017 с 1961–1990

1961–1990

1981–2010

1991–2017

1961–1990

1981–2010

1991–2017

I

24

25

27

3

VII

54

44

46

–8

II

26

24

25

–1

VIII

51

41

36

–15

III

32

29

29

–3

IX

32

36

39

7

IV

38

41

46

8

X

29

34

37

8

V

54

54

53

–1

XI

28

37

32

4

VI

72

68

65

–7

XII

31

30

31

0

Таблица 2

Величины коэффициента вариации (CV), критерия Кокса – Стюарта (ẑфакт), эмпирического Аббе – Линника (А-Л) и МНК по месячным показателям осадков по периодам ВМО на м/с «Моздок» (для А-Л: n = 25, qкрит = 0,684)

Месяцы

года

CV

А-Л: эмпир.

МНК – уравнение

1961–1990

1991–2017

1961–1990

1991–2017

1991–2017

I

1,0

1,15

1,21

1,63

0,425

y = 0,5422x + 19,734, R² = 0,2

II

1,1

1,81

2,52

0,24

0,390

y = 0,06x2 – 1,694x + 33,62, R² = 0,1

III

0,9

0,42

–0,55

–1,63

0,587

y = –0,024x2 + 0,48x + 27,70, R² = 0,1

IV

0,2

0,16

2,52

–0,24

0,347

y = 0,0047x3 – 0,2058x2 + 2,4084x + 23,128, R² = 0,1

V

0,1

0,09

–0,55

0,93

0,331

y = –0,0324x3 + 1,3391x2 – 14,372x + 80,432, R² = 0,4

VI

0,1

0,07

1,21

0,93

0,132

y = –0,0265x3 + 1,0256x2 – 9,7363x + 77,544, R² = 0,1433

VII

0,1

0,05

2,52

0,24

0,492

y = –0,002x4 + 0,1023x3 – 1,629x2 + 7,7148x + 43,36, R² = 0,1

VIII

0,1

0,07

1,21

2,32

0,337

y = –0,0074x3 + 0,3279x2 – 3,7831x + 44,451, R² = 0,1

IX

0,1

0,09

1,86

0,93

0,387

y = 0,0628x2 – 0,982x + 38,35, R² = 0,1

X

0,2

0,13

0,55

1.63

0,504

y = 25,452x0,137, R² = 0,1

XI

0,3

0,6

–1,86

–3,01

0,007

y = 50,446e-0,041x, R² = 0,4

XII

4,4

6,7

–0,1

–0,24

0,667

y = 29,165x1E-05 R² = 9E-106

Для всех периодов ВМО, в том числе вновь принятого за 1981–2010 гг. по модели 30/10 [6, 9], наблюдается неравномерный ход осадков.

Так, например, август 1991–2017 гг., несмотря на положительное значение ẑфакт критерия Кокса – Стюарта (2,32), показывает затухающий тренд отрицательной направленности, поскольку сумма осадков была меньше, чем по стандартному периоду ВМО 1961–1990 на 15 мм. Сложная конфигурация ряда отражается графиком полинома 3 степени.

За период 1991–2017 гг., в сравнении с климатическими нормами 1961–1990 гг., произошли структурные изменения. Из табл. 2 видно, что наблюдаются тенденции, но с разными знаками трендов: отмечены для августа (плюс) и ноября (минус).

Соответственно, критерий Аббе – Линника подтверждает наличие трендов, как и МНК, где использовались различные графики трендов с оптимально возможной аппроксимацией R2 = 0,1–0,4 (табл. 2), в зависимости от характера разброса значений многолетнего ряда осадков на точечной диаграмме.

Основная часть массива данных характеризуется незначительными величинами положительного или отрицательного знака критерия Кокса – Стюарта в интервале 1–8 мм. Однако для оценки хозяйственно важных параметров это весомый фактор, так как в случае недостатка увлажнения прирост осадков на 1 мм способствует увеличению урожая сельскохозяйственных культур на 10 кормовых единиц в зерновом эквиваленте [12].

Динамика осадков по сезонам года. Осадки по сезонам демонстрируют обобщенные внутригодовые различия при фоновом росте тепловых ресурсов и стабильности суммы осадков за год.

Из табл. 3–4 следует, что, с учетом климатических норм 1961–1990, наблюдается тенденция межсезонного смещения сумм осадков между летом, теплым периодом, с одной стороны (тенденция снижения), весной, осенью и за холодный период – с другой (тенденция роста), за постбазовый период 1991–2017 (табл. 3).

Таблица 3

Суммы осадков по сезонам года для временных интервалов ВМО на м/с «Моздок», мм

Сезоны года

Референтные периоды

Отклонения 1991–2017 от 1961-1990, мм

1961–1990

1981–2010

1991–2017

Зимний

81

78

83

2

Весенний

124

124

127

3

Летний

177

154

147

–30

Осенний

89

105

108

19

Холодный период – ХП (XI–III)

141

143

143

2

Теплый период – ТП (IV–X)

330

318

321

–9

Год

471

463

464

–7

Таблица 4

Величины коэффициента вариации (CV), критерия Кокса – Стюарта (ẑфакт), эмпирического Аббе – Линника (А-Л) и МНК по значениям сумм осадков (сезоны и год) для периодов ВМО на м/с «Моздок» (по А-Л: n = 25, qкрит = 0,684)

Периоды ВМО

Сезон

CV

ẑфакт

А-Л: эмпир.

МНК – уравнение линии тренда

1961–1990

1991–2017

1961–1990

1991–2017

1991–2017

Зима

0,96

1,24

1,21

0,24

0,463

y = 0,0854x2 – 1,72x + 86,2, R² = 0,1

Весна

0,12

0,9

0,1

–0,24

0,353

y = 125,48x–4E–05, R² = 3E–08

Лето

0,06

0,05

1,86

0,93

0,360

y = –0,035x3 + 1,4754x2 – 16,397x + 181,54

R² = 0,075, R² = 0,1

Осень

0,08

0,12

0,1

–0,24

0,491

y = 0,0781x2 – 2,3505x + 123,2, R² = 0,2

ХП

0,0

1,54

0,55

–0,93

0,430

y = 0,0699x2 – 2,7388x + 164,6, R² = 0,02

ТП

0,06

0,05

2,52

2,32

0,254

y = –0,08x3 + 3,3991x2 – 37,866x + 401,51, R² = 0,2

Год

0,08

0,08

1,86

1,63

0,265

y = 465,46x–0,004, R² = 0,1

*Примечание. расчеты проведены при n = 28 по 1961–1990 и n = 25 для 1991–2017 по взвешенным скользящим средним (трехлетний шаг), согласно биному Ньютона (1*2*1) [1].

Наибольшие изменения в суммах осадков 1991–2017 гг. отмечены в летние месяцы. Здесь, по сравнению с нормами, их значения снизились на 30 мм, отражением чего является тренд со знаком минус и сдвиг ẑфакт критерия Кокса – Стюарта с 1,86 до 0,93. Направленность тенденции по Коксу – Стюарту соответствовала значениям МНК (полином 3 степени) и Аббе – Линника.

Осенью зафиксирован максимум прироста осадков в сравнении с 1961–1990 – +19 мм, а также небольшой рост весной – +3 мм. Для осени величина ẑфакт по Коксу-Стюарту равна 0,24 (отсутствие тренда), но с положительным знаком суммы осадков. За холодный период года установлен прирост осадков на 2 мм. По теплому периоду отмечено снижение количества осадков – –9 мм.

Годичный цикл осадков. Осадки по оцениваемым периодам ВМО отражают временну́ю стабильность в пределах 464–471 мм. Снижение годичных сумм осадков на 7 мм за период 1991–2017 не показало наличия трендов. При этом график осадков меняется от относительного роста до определенного снижения. Тем не менее сложная конфигурация ряда дала график степенной зависимости и соответствующую предрасположенность к снижению.

Заключение

1. На фоне годичной стабильности осадков по периодам ВМО в 1961–1990 и 1991–2017 гг. на м/с Моздок происходило их внутригодовое перераспределение между месяцами и сезонами при положительном тренде нарастания суммарных и среднегодовых температур на характеризуемой территории. В этих условиях происходит трансформация режима увлажнения в климатической системе региона.

2. Структурная перестройка режима увлажнения периода 1991–2017 при росте температур и стабильности годичных осадков заставляет перестраиваться климатическую систему в южно-российских степях Северного Кавказа за счет смещения в сторону роста осадков за весенний и осенний периоды (+22 мм) и заметного уменьшения в летний период (–30 мм).

3. Статистика динамики осадков на основе совместно использованных параметрических (МНК и Аббе – Линник), а также знакового непараметрического (Кокс – Стюарт) критериев показала высокую степень надежности произведенных расчетов и полученных результатов.

4. Выявленные тренды, их знаковость в уравнениях МНК, значения Аббе – Линника позволяют с высокой степенью достоверности судить о характере происходящих изменений климата на изучаемой территории.

5. Установленные тенденции в динамике агроклиматических ресурсов увлажнения исследуемого региона дают научную основу для проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия, где должны подбираться устойчивые к дефициту увлажнения культуры и современные агротехнологии с учетом развития новейших систем орошения.