Известия Оренбургского Государственного Аграрного Университета 2020 № 4 (84)

УДК 633:631.559:551.5:57.045:519.25

Влияние глобальных изменений в климатической системе планеты на погодно-климатические условия Оренбуржья и продуктивность растений*

А.А. Неверов, канд. с.-х. наук

ФБГНУ ФНЦ БСТ РАН

«Климат» в переводе с древнегреческого означает «наклон», т.е. наклон солнечных лучей относительно поверхности Земли. Приоритетная роль Солнца в управлении климатом на Земле бесспорна. Наряду с влиянием на климат солнечной активности в последнее время обнаружена связь климатических изменений с потоком галактических космических лучей (ГКЛ).

«Сегодня наблюдается естественный переход от моделей климата, целью которых является воспроизведение и прогноз чисто термогидродинамических характеристик, к моделям Земной системы. Термин «Земная система» расширяет понятие «климатическая система» как введением в рассмотрение дополнительных геосфер (литосфера, гелиосфера и др.), так и за счёт описания более широкого круга физических, химических, биологических (а также социальных) взаимодействий» [1].

На сегодняшний день причины глобального потепления достоверно не установлены. В одной из версий рассматривается возможный механизм солнечной модуляции ГКЛ, объясняющий причины изменения климата на планете: в периоды усиления солнечной активности ослабевает поток галактичесих космических лучей, и наоборот – ослабление солнечной активности приводит к усилению потока ГКЛ. Известно, что ГКЛ образуются в результате взрыва сверхновых звёзд. По гипотезе датского учёного Хенрика Свенсмарка [2], ГКЛ ионизируют нижние слои атмосферы, в результате формируется облачность, происходит понижение глобальной температуры на планете, ледники в Северном полушарии наступают на юг. В периоды снижения потока ГКЛ наблюдается противоположная ситуация, глобальная температура растёт. К сожалению, предсказать активность Солнца и динамику ГКЛ пока никому не удаётся.

Последние три десятилетия были самыми тёплыми в ряду инструментальных наблюдений за глобальной приповерхностной температурой с середины ХIX в. [3].

С глобальными изменениями климата связаны региональные, причём в России, и особенно в Оренбургской области, потепление происходит более высокими темпами, чем на Земле в целом.

На проявление региональных погодных аномалий существенное влияние оказывают колебания регионального и глобального климата, проявляющиеся на фоне долгопериодных изменений. Достоверно установлена связь межгодовых вариаций региональных погодно-климатических изменений во многих странах мира, в том числе и в России, с явлением Эль-Ниньо и Ла-Ниньо, характеризующимися температурными аномалиями поверхностных вод экваториальной части Тихого океана. На климат отдельных регионов Евразии большое влияние оказывают наряду с Эль-Ниньо квазициклические процессы Северного полушария: североатлантическое колебание (САК), тихоокеанская десятилетняя осцилляция (ТДО), атлантическая долгопериодная осцилляция (АДО) и т.д.

Климатологами [1] обнаружены региональные связи квазидвухлетних колебаний (КДК) зонального ветра в экваториальной стратосфере с процессами в тропиках, в частности с длительностью сезонных дождей и активностью ураганов в Атлантике. Оказалось, что ключевую роль в становлении периода КДК и амплитуды в нижних слоях атмосферы играют планетарные волны.

В.М. Лебедева с соавторами выявила устойчивые временные связи между характеристиками циркуляции атмосферы и теплового состояния поверхности океанов в предшествующий периоду вегетации осенне-зимний период и урожайностью яровой пшеницы по федеральным округам [4]. На основании этих связей разработан метод синоптико-статистического моделирования для прогноза урожайности зерновых культур по округам РФ.

Установлено, что в период глобального потепления произошёл резкий переход от восточной и меридиональной форм циркуляции к западной форме, что приводит к росту осадков в Санкт-Петербурге [5].

Б.Г. Шерстюков ( 2019) доказывает несостоятельность сезонных прогнозов погоды, основанных на преемственности атмосферных процессов при переходе от сезона к сезону, таких связей не было обнаружено на различных метеостанциях [6].

В отличие от слабой преемственности атмосферных процессов между месяцами и сезонами нами, выявлены хорошие корреляционные связи (r ≥ 0,5 – 0,68) температурных аномалий океана и суши с урожаем кукурузы в Оренбургском регионе, благодаря которым была разработана синоптико-статистическая модель прогноза урожайности, подтверждённая полученным результатом в 2019 г. [7].

В 2018 г. нами была опубликована работа, посвящённая кросскорреляционному анализу и подготовке предикторов для долгосрочного прогнозирования урожайности подсолнечника в Оренбургской области, в которой показана межгодовая периодичность колебаний метеофакторов и их связь с урожаем [8].

В 2019 г. опубликованный долгосрочный прогноз урожайности полевых культур: озимой ржи, яровой пшеницы, ячменя, кукурузы и подсолнечника с использованием связей урожайности с параметрами климатической системы планеты полностью подтверждён фактической урожайностью всех культур [9].

Таким образом, работами учёных по проблеме долгосрочного прогнозирования погодных условий и урожайности сельскохозяйственных культур в регионах страны показана необходимость учитывать изменения, происходящие в глобальной климатической системе планеты.

Цель исследования – создание синоптико-статистической модели для долгосрочного прогнозирования урожайности ячменя в центральной зоне Оренбургской области.

Материал и методы исследования. Объектами исследования были многолетние временные ряды (1979 – 2019 гг.):

– среднерайонной урожайности зерна ячменя в Оренбургском районе Оренбургской области;

– факторов погодных условий за период с 1-й декады сентября года, предшествующего году наблюдений, по 3-ю декаду января: температура воздуха средняя, максимальная и минимальная, среднесуточный дефицит влажности воздуха, осадки (по данным Оренбургского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, проведённому филиалом ФГБУ «Приволжское управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды»);

– аномалии температуры: воздуха нижней тропосферы в Северном и Южном полушариях над сушей и океаном, поверхностных вод океана, площади морского льда, индексы североатлантического колебания (данные получены с сайта Национального центра климатических данных США и Всероссийского научно-исследовательского института гидрометеорологической информации–Мирового центра данных (ВНИИГМИ–МЦД) в г. Обнинске РФ) [10].

Для изучения влияния глобальных параметров климатической системы на урожайность сельскохозяйственных культур в Оренбургской области нами использовались принципы синоптико-статистического моделирования В.М. Лебедевой, разработанные в ФГБУ «ВНИИСХМ» [4]. Особенностью этого подхода является использование данных с карт барической топографии (АТ-500), значений температуры поверхности воды Тихого и Атлантического океанов, данных о центрах действия атмосферы, индексах южного и североатлантического колебаний в осенне-зимний период.

Выбор предикторов и построение прогностических моделей осуществлялось с помощью корреляционно-регрессионного анализа в программах: Statistica 6.1, NCSS-2000.

Результаты исследования. Основные требования к моделям долгосрочного прогнозирования каких-либо событий – это их хорошая оправдываемость и заблаговременность, т.е. время, позволяющее принять необходимые управленческие решения для максимального воздействия на процесс и извлечения наибольшей выгоды от этого.

За последние 10 лет в условиях аридизации климата степного Оренбуржья ранние яровые зерновые культуры – пшеница, ячмень и овёс в наибольшей степени пострадали от проявления неблагоприятных погодных условий. Экстремальные условия в период вегетации растений – высокая температура и сухость воздуха, отсутствие осадков, недостаточные начальные запасы продуктивной влаги в почве в совокупности с низкими ценами на зерновую продукцию определили низкую экономическую эффективность растениеводства в степных районах Оренбуржья.

В последние три десятилетия происходит ускоренное изменение климата, существенно изменились атмосферные процессы, которые в предшествующее столетие были крайне редким явлением или не наблюдались совсем.

Существовавшие до сих пор методы прогнозирования продуктивности растений на основе цикличности атмосферных процессов дают сбой в силу того, что они в основном учитывают прошлый опыт, который в современных условиях не даёт надёжных результатов. Созданная нами синоптико-статистическая модель демонстрирует влияние параметров климатической системы планеты и региона в современный период на основе инерции атмосферных процессов (табл. 1).

1. Модель регрессии урожайности ячменя на погодные факторы региона и аномалии глобальных параметров климатической системы планеты

Наибольший отклик и значимость в модели прогноза урожайности ячменя показали два фактора: аномалия температуры нижней тропосферы над океаном в Северном полушарии в январе текущего года и среднесуточная температура воздуха третьей декады этого же месяца г. Оренбурга с долей влияния 38,7 и 17,4 % соответственно. Ещё четыре фактора – осадки декабря 2019 г., предшествующего году урожая, аномалия температуры приземного слоя воздуха над сушей Океании, аномалия температуры нижней тропосферы полярного региона в ноябре и индекс северо-атлантического колебания в сентябре 2019 г. обеспечивают от 3,6 до 6,7 % дисперсии результативного признака, а в совокупности 19,9 %. Коэффициент множественной корреляции регрессионного уравнения достаточно высокий – R = 0,87, соответственно данными факторами детерминируется 76 % изменчивости урожайности ячменя в Оренбургском районе Оренбургской области.

Описательная статистика предикторов и пределов работоспособности модели показана в таблице 2.

2. Описательная статистика предикторов модели и пределов её работоспособности

Прогноз урожайности возможен лишь в случае, если количественные значения предикторов модели не выходят за указанные ограничения, т.е. в границах от минимума до максимума этих значений. По мере накопления новой информации модель должна быть пересмотрена.

Поскольку данное условие соблюдалось, нами рассчитан прогноз возможной урожайности зерна ячменя в 2020 г. (табл. 3).

3. Прогноз урожайности зерна ячменя в 2020 г.

Предсказанная урожайность ячменя в 2020 г. возможна на уровне 13,2 ц с 1 га при вариациях от 10,3 до 16,0 ц с 1 га, что выше или на уровне средней урожайности в Оренбургском районе–10,7 ц с 1 га за последние 30 лет.

Урожайность ячменя хорошо коррелирует (R = –0,57) с аномалией температуры нижней тропосферы Северного полушария (рис. 1).

Рис. 1 – Связь урожайности ячменя с аномалией температуры нижней тропосферы Северного полушария

Чем выше аномалия температуры, тем ниже урожайность ячменя в центральной степной зоне Оренбуржья. При аномалии температуры в 90-е годы прошлого века, равной –0,5 °С, урожайность ячменя по тренду достигала 16 ц с 1 га, рост аномалии в настоящее время достиг 0,4 – 0,5 °С, при этом урожайность снизилась до 6 – 8 ц с 1 га.

К сожалению, тенденция роста температуры нижней тропосферы над океаном Северного полушария сохраняется в настоящее время (рис. 2).

Рис. 2 – Динамика аномалии температуры нижней тропосферы над океаном Северного полушария в январе временного периода (1979 – 2019 гг.)

Пик аномалии температуры пришёлся на 2016 г., в последующие три года наблюдался спад роста температуры, однако говорить о тенденции снижения аномалии преждевременно.

О том, что условия для вегетации и формирования урожая ячменя в центральной части Оренбуржья ухудшаются, свидетельствует динамика снижения урожайности во времени за последние четыре десятилетия (рис. 3).

Рис. 3 – Тенденция изменения урожайности ячменя во времени (1979 – 2019 гг.)

Однако прямолинейной зависимости между урожаем зерновых культур и ростом температуры в Северном полушарии над океаном не существует и не должно существовать, поскольку изменчивость урожайности зависит от множества других факторов.

Аномалия температуры нижней тропосферы над океаном Северного полушария оказывает влияние на формирование урожайности ячменя в локальном регионе Оренбуржья косвенно через изменения атмосферных процессов (рис. 4).

Рис. 4 – Связь аномалии температуры нижней тропосферы Северного полушария над океаном с количеством осадков июня по г. Оренбургу

Установлена обратная связь (R = –0,30) между потеплением нижних слоёв атмосферы Северного полушария и снижением количества атмосферных осадков июня в Оренбургском регионе.

В предыдущих исследованиях нами установлено, что погодные условия июня являются одним из основных погодных факторов с долей влияния порядка 40 % на урожайность ячменя в степном Оренбуржье [11]. В июне протекают процессы от кущения до начала формирования молочной спелости зерна, что во многом определяет уровень продуктивности растений.

Выводы. Создана синоптико-статистическая модель для долгосрочного прогнозирования урожайности ячменя в центральной зоне Оренбургской области.

Наибольший отклик и значимость в модели показывают два фактора: аномалия температуры нижней тропосферы над океаном в Северном полушарии в январе текущего года и среднесуточная температура воздуха третьей декады этого же месяца в г. Оренбурге с долей влияния 38,7 и 17,4 % соответственно. Ещё четыре фактора–осадки декабря 2019 г., предшествующего году урожая, аномалия температуры приземного слоя воздуха над сушей Океании, аномалия температуры нижней тропосферы полярного региона в ноябре и индекс северо-атлантического колебания в сентябре 2019 г. обеспечивают в совокупности 19,9 % изменчивости результативного признака.

________________

* Исследование выполнено в соответствии с планом НИР на 2019 – 2021 гг. ФГБНУ БСТ РАН по теме № 0761-2019-0004.

DOI 10.37670/2073-0853-2020-84-4-19-25

Аннотация

Опубликовано Известия Оренбургского Государственного Аграрного Университета 2020 № 4 (84), стр. 19-25