Методика оценки агроклиматических условий для мониторинга изменений современного климата на территории РФ

Технология мониторинга агроклиматических условий на территории РФ разработана в ФГБУ «ВНИИСХМ». На основе этой технологии готовятся материалы к ежегодному докладу Росгидромета об особенностях климата на территории РФ, выпускаются сезонные и годовой бюллетени мониторинга климата России и СНГ и другие материалы.

Предлагаемая методика включает:
- регулярно пополняемую базу данных, поступающую из ФГБУ «ИГКЭ Росгидромета и РАН»,
- средства восстановления пропусков в рядах наблюдений за температурой воздуха и суммами осадков,
- средства расчета значений агроклиматических показателей,
- средства расчета агроклиматических аномалий, индексов и статистик,
- средства расчета региональных обобщений станционных данных,
- средства подготовки выходных материалов мониторинга.

В основу информационной базы положены временные ряды месячных данных по температуре воздуха и атмосферным осадкам на станциях сети гидрометеорологических наблюдений. Массив данных представляет собой подмножество базы данных «КЛИМАТ», созданной в ФГБУ «ИГКЭ Росгидромета и РАН» и используемой в рамках действующего мониторинга приземного климата РФ. Исходный массив содержит ряды месячных данных для 1383 станций Земного шара. Наиболее длинные ряды начинаются с 1886 г. Используемое подмножество содержит данные 455 станций на территории России и СНГ из этого массива за период с 1951 г. по настоящее время. Из них 198 станций расположены на территории земледельческой зоны РФ.

Массив пополняется ежемесячно данными «КЛИМАТ», получаемыми из ИГКЭ, где эти данные подвергаются нескольким этапам контроля качества (логический, статистический и горизонтальный контроль) и отбраковке ошибочных и сомнительных данных.

Расчеты выполняются в системе «Климат – Почва – Урожай», разработанной ФГБУ «ВНИИСХМ». Система позволяет рассчитывать агроклиматические показатели тепло- и влагообеспеченности территории, характеризующие условия формирования урожайности сельскохозяйственных культур, а также рассчитывать показатели продуктивности – климатически обусловленную урожайность и биоклиматический потенциал территории.

Для расчета агрометеорологических показателей в системе «Климат – Почва – Урожай» пропуски в рядах среднемесячных значений температуры воздуха и месячных сумм осадков восстанавливаются. Число пропусков в исходных временных рядах температуры воздуха и атмосферных осадков составляет примерно 7% от общего числа данных. Пропуски восстанавливаются по индивидуальным уравнениям регрессии для каждого случая (пропуска).

Для оценки продуктивности климата и его изменений в качестве важнейшего показателя предлагается климатически обусловленная биологическая продуктивность агроэкосистем или биоклиматической потенциал (БКП), который позволяет оценить вегетационный период в целом.

Расчет значений биоклиматического потенциала (суммарной сухой массы, синтезируемой за теплый период года) начинается с даты перехода температуры воздуха через 5°С весной и продолжается до достижения посевом стандартного состояния (листового индекса равного 5). Затем посев «скашивается», после чего на следующие сутки рост продолжается вплоть до достижения очередного стандартного состояния или снижения температуры воздуха ниже 5°С осенью. Суммарный урожай сухой надземной биомассы, полученный в результате имитации, представляет собой искомую оценку биоклиматического потенциала.

Для оценки благоприятности климата для производства зерна рассчитывается климатически обусловленная урожайность зерновых культур, которая представляет собой урожайность, рассчитанную по модели «Климат – Почва – Урожай» при заданном уровне агротехники и заданном уровне почвенного плодородия. В данной методике значения биоклиматического потенциала и климатически обусловленной урожайности рассчитываются для четырех вариантов интенсификации земледелия.

Используется комплекс показателей для оценки влияния наблюдаемых изменений климата на продуктивность сельскохозяйственных культур. Выбор агроклиматических показателей основан на методиках агроклиматического и климатического районирования, которые разрабатывались Г.Т. Селяниновым, Ф.Ф. Давитая, Д.И. Шашко, С.А. Сапожниковой, Ю.И. Чирковым, а также М.И. Будыко и А.И. Будаговским. Список показателей дополнен оценками показателей продуктивности, которые определяются с помощью имитационной системы «КЛИМАТ – ПОЧВА – УРОЖАЙ» (Сиротенко О.Д., Абашина Е.В., Павлова В.Н.).

Агроклиматические показатели делятся на три группы:
- теплообеспеченности сельскохозяйственных культур,
- увлажненности территории,
- продуктивности (биоклиматический потенциал и климатически обусловленная урожайность).


Характеристики термического режима:

- продолжительность вегетационного периода;
- даты всходов (или возобновления вегетации) и уборки (или прекращения вегетации), число дней от 1 января;
- средняя температура вегетационного периода;
- сумма температур выше 5°С и 10°С за период вегетации.


Характеристики увлажненности территории:



Характеристики продуктивности климата:

– биоклиматический потенциал,
– климатически обусловленная урожайность.

Показатели продуктивности климата, а также испарение, испаряемость и влагозапасы почвы определяются на основании динамической модели «Климат – Почва – Урожай», разработанной в ФГБУ «ВНИИСХМ» для земледельческой зоны РФ (198 станций). Расчет значений биоклиматического потенциала и урожайности яровых зерновых культур по модели «Климат – Почва – Урожай» ведется при заданном уровне агротехники и отражает влияние на продуктивность только климатических факторов.


Подготовка материалов мониторинга

1. Ежегодно рассчитываются агроклиматические показатели для двух списков – 455 станций (территория РФ и СНГ) и 198 станций (земледельческая зона РФ). Результаты расчетов хранятся в виде таблиц (текстовых файлов) за период с 1951 по текущий год.

2. Определяются средние значения, среднеквадратическое отклонение и оценки линейных трендов a и b (X(t)=at+b) для всех агроклиматических показателей. Статистические характеристики рассчитываются для периодов: 1951-1975 гг., 1961-1990 гг., с 1976 по текущий год.

3. Осреднение агроклиматических показателей проводится по областям, краям, республикам и федеральным округам.

4. Иллюстративный материал представлен в виде карт. Карты строятся с использованием графического пакета SURFER.

На основе полученных оценок агроклиматических показателей готовится текстовый материал с анализом особенностей агроклиматических условий текущего года на территории РФ.

Методика апробирована на практике в регулярном мониторинге климата в 2008 - 2012 гг. В соответствии с данной методикой готовится раздел «Агроклиматические условия» в ежегодном докладе Росгидромета об особенностях климата на территории РФ.

В качестве примера ниже представлены материалы по оценке агрометеорологических условий на территории земледельческой зоны РФ в 2012 г.

Распределение весенних осадков по территории земледельческой зоны РФ в 2012 г. в целом повторяли условия средние за период с 2006 по 2010 гг., за исключением отдельных регионов юга-востока ЕТ РФ и южных областей Уральского ФО.

Одной из характеристик режима увлажнения посевов сельскохозяйственных культур является величина гидротермического коэффициента (ГТК), представляющего собой отношение суммы осадков к сумме среднесуточных температур воздуха выше 10°С, умноженной на 0,1. На рисунке 1 представлены значения ГТК за вегетационный период (от даты перехода температуры воздуха через 5°С весной до даты перехода через 5 °С осенью) и за май-июнь. Величина ГТК за период с мая по июнь характеризует условия увлажнения за наиболее критический период роста и развития растений и тесно связана с урожайностью ранних яровых культур.

Данные, представленные на рис. 1, показывают, что засухой в 2012 г. были охвачены значительно меньшие площади, чем в 2010 г. Основные площади сельскохозяйственных культур, которые подверглись действию засушливых явлений, находятся на юго-востоке ЕТ России, на Северном Кавказе, в Алтайском крае и в Западной Сибири (май-июнь). Сравнение со средними значениями ГТК показывает, что агрометеорологические условия 2012 г. на Европейской части РФ, в Восточной Сибири и Дальнем Востоке сформировались на уровне средних за 2006–2010 гг., а на территории южного Урала и Западной Сибири – менее благоприятными, чем в 2010 г. и в среднем за пятилетие.




Рис. 1.
Распределение гидротермического коэффициента вегетационного периода
(от 5°С весной до 5°С осенью) и за май-июнь в 2012 г.,
средних за период 2006–2010 гг., в 2010 и 2008 гг.

Динамику развития засухи в 2012 г. иллюстрируют карты запасов почвенной влаги, представленные на рис. 2. Можно видеть, что в 2012 г. засушливые явления наблюдались на территории Северного Кавказа, Нижней Волги, южного Урала и на юге Сибири.




Рис. 2.
Запасы продуктивной влаги в пахотном слое почвы в июне, июле 2012 г.,
в среднем за период 2006–2010 гг., в 2010 и 2008 гг.

Интегральным показателем агрометеорологических условий вегетационного периода является климатически обусловленная урожайность. Климатически обусловленная урожайность зерновых культур рассчитана с помощью динамической модели «Климат – Почва – Урожай» на основании метеорологических данных, что дает возможность исключить влияние факторов, не связанных с погодными условиями (удобрения, сроки сева, условия уборки урожая и т.д.). На рисунке 3 приведены карты распределения расчетной климатически обусловленной урожайности яровых зерновых культур в 2012 г. в виде отклонений от средней расчетной урожайности за 2006 – 2010 гг. и расчетной урожайностей за 2010 и 2008 гг.

Агрометеорологические условия 2012 г. в целом были несколько хуже, чем в среднем за период 2006–2010 гг. (рис. 3а). Положительные отклонения климатически обусловленной урожайности от ее средней величины за последние пять лет наблюдались в Северо-Западном, Центральном и на юге Приволжского ФО. Условия вегетационного периода на территории Южного, Северо-Кавказского и на большей части Приволжского ФО, а также практически на всей азиатской части России были менее благоприятными для роста и развития сельскохозяйственных культур, чем в среднем за период с 2006 по 2010 гг. Сравнение климатически обусловленной урожайности в 2012 г. с соответствующими величинами 2010 г. (неурожайный год) показывает, что агрометеорологические условия 2012 г. были существенно лучше практически на всей Европейской части России (рис. 3б). Отрицательные отклонения отмечались на территории Уральского, Сибирского и в отдельных регионах Дальневосточного ФО, которых практически не коснулась сильнейшая засуха 2010 г. В целом для всей земледельческой зоны РФ сложившиеся агрометеорологических условий 2012 года были менее благоприятными, чем в урожайном 2008 г. (рис. 3в).




Рис. 3.
Отклонения климатообусловленной урожайности яровых зерновых культур (%)
в 2012 г. от уровня:
a) среднего за 2006 – 2010 гг.,
б) 2010 г.,
в) 2008 г.


Авторы

О.Д. Сиротенко, В.Н. Павлова, Е.В. Абашина
отдел математического моделирования продуктивности агроэкосистем
ФГБУ «ВНИИСХМ»


© Методический кабинет Гидрометцентра России