Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,736

ДИНАМИКА ОСАДКОВ В АГРОЛАНДШАФТАХ СУХОСТЕПНОЙ ЗОНЫ ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРЕДКАВКАЗЬЯ ПО ПЕРИОДАМ ВСЕМИРНОЙ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ ОРГАНИЗАЦИИ (ВМО) НА МЕТЕОСТАНЦИИ «МОЗДОК»

Айларов А.Е. 1, 2 Тебиева Д.И. 1 Доброносов В.В. 3
1 ФГБОУ ВО «Северо-Осетинский государственный университет им. К.Л. Хетагурова»
2 Северо-Кавказский научно-исследовательский институт горного и предгорного сельского хозяйства – Владикавказский научный центр РАН
3 ФГБУ «Национальный парк “Алания”»
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.
климатическая норма
стандартный период
постбазовый период ВМО
взвешенные скользящие средние
тренд
критерий Кокса – Стюарта
метод наименьших квадратов (МНК)
критерий Аббе – Линника
1. Елисеева И.И., Егорова И.И., Курышева С.В., Никифоров О.Н., Флуд Н.А., Бурова Н.В., Гордеенко Н.М. Статистика: учебник / Под ред. И.И. Елисеевой. М.: Проспект, 2011. 448 с.
Eliseeva I.I., Egorova I.I., Kurysheva S.V., Nikiforov O.N., Flud N.A., Burova N.V., Gordeenko N.M. Statistics: textbook / Ed. by: I.I. Eliseeva. M.: Prospekt, 2011. 448 p. (in Russian).
2. Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. 816 с.
Kobzar A.I. Applied Mathematical Statistics. For engineers and researchers. M.: PHIZMATLIT, 2006. 816 p. (in Russian).
3. Лемешко Б.Ю., Комиссарова А.С., Щеглов А.Е. Вопросы применения некоторых критериев проверки случайности и отсутствия тренда // Метрология. 2010. № 12. С. 3–25.
Lemeshko B.Yu., Komissarova A.S., Shcheglov A.E. Questions of application of some criteria of checking of randomness and absence of trend // Metrology. 2010. № 12. P. 3–25 (in Russian).
4. Закс Л. Статистическое оценивание / Пер. с нем. В.Н. Варыгина. Под ред. Ю.П. Адлера, В.Г. Горского. М.: Статистика, 1976. 598 с.
Sachs L. Statistical assessment / Translation from German by: V.N. Varygin. Edited by: Yu.P. Adler, V.G. Gorskiy. M.: Statistika, 1976. 598 p. (in Russian).
5. Дашко Н.А. Курс лекций по синоптической метеорологии. Часть 1. Владивосток: ДВГУ, 2005. 523 с.
Dashko N.A. Course of lectures on synoptic meteorology. Part I. Vladivostok: DVGU, 2005. 523 p. (in Russian).
6. Commission for Climatology. Sixteenth session. Heidelberg 3–8 July 2014. Abridged final report with resolutions and recommendations. WMO-No. 113. Geneva, 2014. 69 p. [Electronic resource]. URL: https://library.wmo.int/index.php?lvl=notice_display&id=16465 (date of access: 16.07.2019).
7. World Meteorological Organization, 2017. WMO. Guidelines on the Calculation of Climate Normals. 2017 edition. WMO-No. 1203. 29 p. [Electronic resource]. URL: https://library.wmo.int/index.php?lvl=notice_display&id=20130 (date of access: 16.07.2019).
8. The role of climatological normals in a changing climate. World Meteorological Organization. Geneva, March 2007. (Contributions by: B. Trewin). Edited by: Omar Baddour and Hama Kontongomde. 2007. WCDMP-No. 61. WMO-TD No. 1377. 46 p. [Electronic resource]. URL: http://www.wmo.int/pages/prog/wcp/wcdmp/GCDS_1.php.pdf (date of access: 14.07.2019).
9. Discussion paper on the standard Climate normals: a proposal for a dual system by W. Wright. May 2012. 8 p. [Electronic resource]. URL: https://www.wmo.int/pages/.../rev_discussion_papers.pdf (date of access: 16.07.2019).
10. New Two-Tier approach on «climate normal». WMO. 2015. [Electronic resource]. URL: https://public.wmo.int/en/media/news/new-two-tier-approach-«climate-normals» (date of access: 16.07.2019).
11. Глобальные изменения климата и прогноз рисков в сельском хозяйстве России. Под ред. академиков А.Л. Иванова и В.И. Кирюшина. М.: РАСХН, 2009. 518 с.
Global climate change and forecast of risks in agriculture of Russia. Edited by academics: A.L. Ivanov, V.I. Kiryushin. M.: RASXN, 2009. 518 p. (in Russian).
12. Немцев С.Н., Галиакберов А.Г., Шарипова Р.Б. Агроклиматические условия Ульяновской области и пути их рационального использования в земледелии. [Электронный ресурс]. URL: https://www.ulniish.ru (дата обращения: 16.07.2019).
Nemtsev S.N., Galiakberov A.G., Sharipova R.B. Agroclimatic conditions of the Ulyanovsk region and ways of their rational use in agriculture. [Electronic resource]. URL: https://www.ulniish.ru (date of access: 16.07.2019) (in Russian).
13. Айларов А.Е. Климатические сдвиги по данным базовых периодов Всемирной Метеорологической организации (ВМО) в агроландшафтах предгорной зоны РСО–Алания // Известия Горского ГАУ. 2013. Вып. 1. Т. 50. № 3. С. 29–36.
Aylarov A.E. Climate changes based on the data of the reference periods of the World Meteorological Organization (WMO) in the agricultural landscapes of the foothill zone of the Republic of North Ossetia–Alania // Journal of proceedings of the Gorsky SAU. 2013. Vol. 50. № 3. P. 29–36 (in Russian).
14. Погода и климат – прогнозы погоды, новости погоды, климатические данные. [Электронный ресурс]. URL: http://www.pogodaiklimat.ru/weather.php?id=37145 (дата обращения: 17.07.2019).
Weather and climate – weather forecasts, weather news, climatic data. [Electronic resource]. URL: https://www.pogodaiklimat.ru/weather.php?id=37145 (date of access: 17.07.2019) (in Russian).
15. Гидрометцентр России. О погоде из первых рук. Фактические данные. Климатические нормы. Климат городов мира: ежемесячные данные. [Электронный ресурс]. URL:https://meteoinfo.ru/climatcities (дата обращения 17.07.2019).
Hydrometcentre of Russian Federation. About the weather at first hand. Actual data. Climatic normal. Climate of the world’s cities: monthly data. [Electronic resource]. URL: https://meteoinfo. ru/climatcities (date of access: 16.07.2019) (in Russian).

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.


Библиографическая ссылка

Айларов А.Е., Тебиева Д.И., Доброносов В.В. ДИНАМИКА ОСАДКОВ В АГРОЛАНДШАФТАХ СУХОСТЕПНОЙ ЗОНЫ ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРЕДКАВКАЗЬЯ ПО ПЕРИОДАМ ВСЕМИРНОЙ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ ОРГАНИЗАЦИИ (ВМО) НА МЕТЕОСТАНЦИИ «МОЗДОК» // Успехи современного естествознания. – 2019. – № 8. – С. 39-43;
URL: http://www.natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37180 (дата обращения: 20.01.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074