Гидрометеорологические исследования и прогнозы. 2025. № 4 (398). С. 144-152

144

DOI: https://doi.org/10.37162/2618-9631-2025-4-144-152

УДК 551.58

Сравнительный анализ

показателей засушливости

для оценки засух в сельскохозяйственных

районах Северной Евразии

С.В. Емелина^1,2, В.М. Хан^1,2

¹Гидрометеорологический научно-исследовательский центр

Российской Федерации, г. Москва, Россия;

²Институт вычислительной математики имени Г.И. Марчука

Российской академии наук, г. Москва, Россия

tkachukzn@gmail.com

Анализируются два подхода к оценке засушливых условий: широко используе-

мый в отечественной агрометеорологической практике гидротермический коэффици-

ент Селянинова (ГТК) и стандартизированный индекс осадков и испаряемости

(SPEI). Дается оценка повторяемости экстремальных засух в земледельческих райо-

нах Европейской территории России и Средней Азии в 1991‒2020 гг. Приводятся ре-

зультаты сопоставления временных рядов индексов с влагозапасами в почве. Стати-

стика засух по ГТК и по индексу SPEI за исследуемый период демонстрирует

похожие результаты, но индекс SPEI в среднем имеет незначительно более высокие

коэффициенты корреляции с данными наблюдений, чем ГТК. Даны рекомендации по

использованию индексов ГТК и SPEI в оперативной прогностической и исследова-

тельской практике в работе Северо-Евразийского климатического центра.

Ключевые слова: показатели засушливости, стандартизированный индекс осадков

и испаряемости, SPEI, гидротермический коэффициент, ГТК.

Comparative analysis of drought indices

to assess drought conditions in agricultural

regions of Northern Eurasia

S.V. Emelina^1,2, V.M. Khan^1,2

¹Hydrometeorological Research Center of Russian Federation, Moscow, Russia;

²Marchuk Institute of Numerical Mathematics

of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

tkachukzn@gmail.com

The paper analyzes two approaches to assessing drought conditions: the Selyaninov hy-

drothermal coefficient (HTC) widely used in Russian agrometeorological practice and

the Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI). The study evaluates the

frequency of extreme droughts in agricultural regions of the European part of Russia and

Central Asia from 1991 to 2020. The results of a comparison of the time series of these

indices with observed soil moisture data are presented. Statistical analysis of droughts based

on HTC and SPEI over the study period demonstrates similar results. However, SPEI gen-

erally exhibits slightly higher correlation coefficients with observational data than HTC.

Recommendations are provided for the operational and research use of HTC and SPEI in-

dices by the North Eurasian Climate Centre.

Емелина С.В., Хан В.М.

145

Keywords: drought indices, Standardized Precipitation Evapotranspiration Index

(SPEI), hydrothermal coefficient (HTC)

Введение

В связи с изменением климата и последствиями его изменений все

больше внимания уделяется вопросам развития специализированного про-

гнозирования для различных секторов экономики. Именно засухи явля-

ются наиболее сложными распространенными гидроклиматическими опас-

ностями, которые приводят к экономическим проблемам и финансовым

рискам. Засухи в совокупности затрагивают большее количество людей,

чем любые другие последствия, связанные с изменениями климата [1].

Для количественной оценки ключевых характеристик засух, включая

их частоту, продолжительность, интенсивность и пространственную выра-

женность, широко применяются индексы засушливости [9, 11, 12]. Однако

в настоящее время в исследовательской и оперативной практике не суще-

ствует единого количественного показателя засухи. Каждый используемый

показатель рассматривает ситуацию с засушливыми условиями с опреде-

ленной точки зрения [7].

Цель данной работы заключается в сопоставлении методик определе-

ния интенсивности засух по двум одобренным Всемирной метеорологиче-

ской организацией показателям засушливости ‒ стандартизированному ин-

дексу осадков и испаряемости (SPEI) и гидротермическому коэффициенту

Г.К. Селянинова (ГТК) для территории Северной Евразии.

Материалы и методы

В ФГБУ «Гидрометцентр России» для оперативного мониторинга

атмосферных засух используются два подхода: количество осадков в %

нормы [4] и гидротермический коэффициент Селянинова (ГТК) [12].

Гидротермический коэффициент увлажнения Г.К. Селянинова пред-

ставляет собой соотношение суммы осадков за период со среднесуточными

температурами выше 10 ºС к сумме осадков за этот же период:

Σ푅

>10

ГТК =

(1)

0,1Σ푇

>10

где Σꢀ_>10– сумма осадков за период со среднесуточными температурами

выше 10 °С; Σꢁ_>10– сумма среднесуточных температур за период со сред-

несуточными температурами выше 10 °С.

ГТК выражается в долях единицы, при этом чем ниже его значение,

тем ниже влагообеспеченность территории, ГТК, равный 1, соответствует

балансу выпадающих осадков и испаряемости.

Целесообразность использования ГТК обусловлена не только удоб-

ством применения в автоматизированных расчетах на основе регулярно

146

Агрометеорологические прогнозы

поступающих декадных агрометтелеграмм и возможностью классифици-

ровать засухи по интенсивности (сильная, средняя и слабая), но и доста-

точно тесной связью с урожайностью основных сельскохозяйственных

культур во многих районах, что позволяет использовать его в прогности-

ческих целях [3, 6]. При этом в [7] упоминается, что методика определения

интенсивности засухи по ГТК позволяет сравнивать соотношение тепла и

влаги в различных географических точках между собой, но при определе-

нии засухи ее градации меняются в зависимости от зональности увлажне-

ния и месяцев вегетационного сезона.

Однако подходы к оценке засушливых условий постоянно модернизи-

руются, и в настоящее время большую популярность приобрел стандарти-

зированный индекс осадков и испаряемости SPEI (Standardized Precipitation

Evapotranspiration Index) [8]. Этот показатель учитывает влияние потенци-

ального суммарного испарения на интенсивность засухи, при этом много-

мерный характер индекса позволяет выделять типы засухи и их влияние на

различные системы. Для расчета SPEI используются данные по водному

балансу (разность между осадками и потенциальной эвапотранспирацией),

что обеспечивает более надежную оценку интенсивности засухи, чем при

использовании только осадков. Баланс рассчитывается в различных вре-

менных масштабах, а полученные разности суммарных осадков и эвапо-

транспирации (наиболее близко соответствующей их распределению) при-

водятся к лог-логистическому распределению вероятностей:

−1

훽

�

훼

( )

퐹 퐷 = �1 + �_{ꢂ− 훾}

(2)

�

где D ‒ разность между осадками и потенциальной эвапотранспирацией;

α, β, γ ‒ параметры масштаба, формы и расположения, которые оценива-

ются по выборке D.

При расчете SPEI важна оценка логарифмических параметров, по-

скольку это позволяет проводить мониторинг засухи по значениям индекса

в пространстве и времени. Для этого необходимо, чтобы пространственные

ряды SPEI в разных точках имели одинаковое среднее значение и стандарт-

ное отклонение; то же самое применимо к временным рядам SPEI, рассчи-

танным для одной точки. Значения индекса SPEI ниже нуля характеризуют

условия увлажнения как засушливые. В данной работе проведено сопо-

ставление индексов ГТК и SPEI.

В табл. 1 представлены критерии для оценки интенсивности засух, для

индекса ГТК приведены показатели из [5], для индекса SPEI ‒ из [7].

Для расчетов исторических рядов показателей засушливости исполь-

зовались данные реанализа ERA5 [10] по температуре воздуха на 2 м, мак-

симальной и минимальной температуре воздуха и осадков с простран-

ственным разрешением 2.5°×2.5° и временным разрешением 6 часов,

которые были сформированы в среднесуточные архивы за период с 1991

по 2020 год. Исследование проводилось для земледельческих районов

Северной Евразии (35‒75° с. ш., 20‒180° в. д.), включая ЕТР.

Емелина С.В., Хан В.М.

147

Таблица 1. Критерии интенсивности засух по индексам SPEI и ГТК

Table 1. Drought intensity criteria based on SPEI and HTC indices

Классификация засух

по интенсивности

SPEI

ГТК

Очень сильная

SPEI ≤ -2

ГТК ≤ 0,3

(экстремальная) засуха

Сильная засуха

-2 < SPEI ≤ -1,5

0,3 < ГТК ≤ 0,6

Слабая засуха

-1,5 < SPEI ≤ -1

0,6 < ГТК ≤ 0,8

Умеренное

или достаточное увлажнение

-1 < SPEI ≤ 0

ГТК ≥ 0,81

В большинстве исследований показана информативность показателей

засушливости на основе их сопоставления друг с другом, в [5] был приме-

нен более объективный подход: было проведено сопоставление индексов

ГТК и SPI с урожайностью зерновых и зернобобовых культур, при этом

частные коэффициенты корреляции урожайности с ГТК и SPI весьма

близки по значениям. В данной работе в качестве критерия для информа-

тивности показателей засушливости предлагается использовать архив дан-

ных по почвенным влагозапасам, предоставленный агрометеорологиче-

ским отделом Гидрометцентра России. Данный архив – это набор

временных рядов по влагосодержанию в почвенном слое глубиной 100 см

с апреля по август, измеряемых на агрометеорологических станциях и

осредненных по 18 субъектам России: по Орловской, Липецкой, Тамбов-

ской, Курской, Белгородской, Воронежской, Ульяновской, Пензенской,

Самарской, Саратовской, Оренбургской, Волгоградской, Ростовской, Аст-

раханской областям, Калмыкии, Башкирии, а также по Краснодарскому и

Ставропольскому краям.

Стоит отметить, что результаты по Калмыкии и Астраханской области

не вошли в настоящее исследование, так как из-за пропусков временные

ряды не позволяли получить статистически значимые результаты. Архив

составлен с 1958 года, однако в настоящей работе был рассмотрен времен-

ной период с 1991 по 2020 г. для сопоставления необходимой информации

с индексами засушливости, рассчитанными по данным реанализа.

Результаты и обсуждение

На первом этапе была проанализирована и сопоставлена повторяе-

мость экстремальных засух на территории Средней Азии и на юге ЕТР. На

рис. 1 приведена повторяемость экстремальной засухи (в %) по данным

ГТК (рис. 1а) и SPEI (рис. 1б) за период 1991‒2020 гг. Согласно данным

табл. 1, засуха по ГТК ‒ это значения индекса ниже 0,3, для SPEI ‒ ниже

-2. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что экстремальные

засухи по оценке ГТК случаются чаще, чем по оценкам SPEI. За период

148

Агрометеорологические прогнозы

1991‒2020 гг. по данным ГТК на территории Средней Азии и земледельче-

ских регионов России повторяемость засух завышена на 5‒15 %.

а)

б)

Рис. 1. Повторяемость экстремальной засухи (в %) на юге ЕТР и на

территории Средней Азии по данным ГТК (а) и SPEI (б) в период 1991‒

2020 гг.

Fig. 1. Frequency of extreme drought (in %) in the south of the European

part of Russia and in the territory of Central Asia according to the State

Customs Committee (a) and the SPEI (б) in the period 1991‒2020.

В табл. 2 представлены коэффициенты корреляции между аномалиями

влагозапасов почвы на глубине 100 см и показателями засушливости SPEI

и ГТК для летних условий в период 1991‒2020 гг. для субъектов России,

где на агрометеорологических станциях ведутся измерения запасов влаги

на разных уровнях. Почти все полученные коэффициенты корреляции яв-

ляются статистически значимы при p < 0,05. Исключение – Оренбургская

область, для которой значения r составляют 0,29 для индекса SPEI, 0,24 для

индекса ГТК (они выделены курсивом в таблице). Наибольшие значения

выделены жирным шрифтом: для Ростовской области SPEI = 0,78, ГТК =

0,78. Средние значения по всем регионам практически идентичны (0,60 для

SPEI и 0,61 для ГТК).

Емелина С.В., Хан В.М.

149

Таблица 2. Коэффициенты корреляции между аномалиями влагозапасов

почвы и показателями засушливости SPEI и ГТК для летних условий в период

1991‒2020 гг.

Table 2. Correlation coefficients between soil moisture anomalies and SPEI and

ГТК aridity indices for summer conditions in the period 1991–2020

Субъект РФ

Орловская

r (SPEI и ВЗ)

0,59 (0,51-0,66)

0,67 (0,60-0,73)

0,56 (0,48-0,63)

0,60 (0,52-0,67)

0,61 (0,53-0,68)

0,70 (0,63-0,76)

0,67 (0,60-0,73)

0,62 (0,54-0,69)

0,66 (0,59-0,72)

0,41 (0,31-0,50)

0,29 (0,18-0,39)

0,56 (0,47-0,64)

0,78 (0,72-0,83)

0,45 (0,35-0,54)

0,57 (0,49-0,64)

0,63 (0,55-0,70)

0,59 (0,51-0,66)

r (ГТК и ВЗ)

r (SPEI и ГТК)

0,92 (0,90-0,94)

0,95 (0,93-0,96)

0,96 (0,95-0,97)

0,94 (0,92-0,95)

0,68 (0,60-0,75)

0,92 (0,90-0,94)

0,93 (0,91-0,95)

0,96 (0,95-0,97)

0,95 (0,94-0,96)

0,92 (0,90-0,94)

0,97 (0,96-0,98)

0,90 (0,87-0,92)

0,96 (0,95-0,97)

0,92 (0,90-0,94)

0,93 (0,91-0,95)

0,95 (0,94-0,96)

0,92 (0,90-0,94)

0,57 (0,49-0,64)

0,64 (0,56-0,70)

0,53 (0,45-0,60)

0,61 (0,53-0,68)

0,64 (0,56-0,70)

0,62 (0,54-0,69)

0,68 (0,61-0,74)

0,64 (0,56-0,71)

0,68 (0,61-0,74)

0,49 (0,39-0,57)

0,24 (0,13-0,34)

0,47 (0,38-0,55)

0,78 (0,72-0,83)

0,54 (0,45-0,62)

0,55 (0,47-0,62)

0,56 (0,48-0,63)

0,58 (0,50-0,65)

Воронежская

Липецкая

Тамбовская

Курская

Белгородская

Ульяновская

Пензенская

Самарская

Саратовская

Оренбургская

Волгоградская

Ростовская

Краснодарский край

Ставропольский край

Башкирия

Средний

Примечание. курсивом выделены статистические не значимые результаты на

p-value < 0,05, жирным выделены максимальные коэффициенты корреляции

в скобках указан доверительный интервал.

Также можно отметить высокую корреляционную связь между са-

мими показателями SPEI и ГТК (средний R равен 0,92, максимальный 0,96,

минимальный 0,68). Полученные результаты высокой согласованности ин-

дексов хорошо согласуются с выводами, опубликованными в [2, 7].

На рис. 2 изображены временной ход аномалий влагозапасов в почве

в 100 см слое, аномалий SPEI и ГТК в Ростовской (а) и в Орловской (б)

областях летом за период 1991–2020 гг. Следует выделить выраженную

синхронность между всеми исследуемыми показателями, особенно замет-

ную в экстремально засушливые годы (например, в 2018 и особенно в

2010 гг. Также наблюдается тенденция к усилению засушливых условий в

последнее десятилетие (2011‒2020 гг.), причем в Ростовской области она

проявляется ярче, чем в Орловской области.

150

Агрометеорологические прогнозы

Ростовская область

1,5

0,5

199119931995199719992001200320052007200920112013201520172019

-20

-40

-60

-80

-0,5

-1

-1,5

а)

Орловская область

1,5

1,0

0,5

0,0

199119931995199719992001200320052007200920112013201520172019

-20

-40

-60

-80

-0,5

-1,0

-1,5

б)

Рис. 2. Временной ход аномалий влагозапасов в почве в 100 см слое (1) ано-

малий SPEI (2) и ГТК (3) в Ростовской (а) и в Орловской областях (б) летом

за период 1991–2020 гг.

Fig. 2. Dynamics of soil moisture content anomalies in the 100-cm layer (1),SPEI

(2) and GTK (3) anomalies in the Rostov (a) and Oryol (б) regions in summer for

the period 1991–2020.

Выводы

В статье проанализированы два подхода к оценке засушливых усло-

вий: широко используемый в отечественной агрометеорологической прак-

тике гидротермический коэффициент Селянинова (ГТК) и стандартизиро-

ванный индекс осадков и испаряемости (SPEI). Проанализирована оценка

повторяемости экстремальных засух в земледельческих районах ЕТР

Емелина С.В., Хан В.М.

151

и Средней Азии в 1991‒2020 гг. Показано, что индекс ГТК завышает по-

вторяемость на 5‒15 % относительно индекса SPEI.

Также временные ряды индексов за тот же 30-летний период были со-

поставлены с данными наблюдений на агрометеорологических станциях за

влагозапасами в почве. При таком подходе статистика засух по ГТК и по

индексу SPEI за исследуемый период демонстрирует похожие результаты,

но индекс SPEI в среднем имеет незначительно более высокие коэффици-

енты корреляции с данными наблюдений, чем ГТК. Полученные резуль-

таты высокой согласованности индексов хорошо согласуются с выводами,

опубликованными в работах других авторов. С учетом простоты расчетов

гидротермического коэффициента его целесообразно применять в опера-

тивной практике.

Одним из результатов работы также является архив индекса SPEI, рас-

считанный по реанализу ERA5, разрешением 2.5°×2.5° на временном мас-

штабе от 1 месяца до сезона, который можно в дальнейшем использовать в

исследовательской работе и прогностической практике Северо-Евразий-

ского климатического центра для прогноза засушливых условий на сезон-

ных и межгодовых масштабах времени.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда проект

РНФ № 22-17-00247П в ИВМ РАН.

Список литературы

1. Третий оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории

Российской Федерации. Общее резюме. СПб.: Наукоемкие технологии, 2022. 124 с.

2. Золотокрылин А.Н., Черенкова Е.А., Титкова Т.Б. Аридизация засушливых земель

Европейской части России и связь с засухами // Известия РАН. Серия географическая. 2020.

№ 2. С. 207-217.

3. Клещенко А.Д., Савицкая О.В. Оценка пространственновременного распределения

урожайности зерновых культур и стандартизированного индекса осадков по спутниковой и

наземной информации // Труды ГГО. 2014. Вып. 571. С. 147-161.

4. Лебедева В.М., Страшная А.И. Основы сельскохозяйственной метеорологии.

Том II. Методы расчетов и прогнозов в агрометеорологии. Книга 2. Оперативное агроме-

теорологическое прогнозирование. Обнинск: ВНИИГМИ-МЦД, 2012. 216 с.

5. Страшная А.И., Тищенко В.А., Береза О.В., Богомолова Н.А. О возможности исполь-

зования стандартизированного индекса осадков для выявления засух и в прогнозах количе-

ственной оценки урожайности зерновых и зернобобовых культур // Труды Гидрометцентра

России. 2015. Вып. 357. С. 81-97.

6. Страшная А.И. Использование показателей увлажнения для оценки засушливости

и прогноза урожайности зерновых культур в Поволжском экономическом районе // Труды

Гидрометцентра России. 1993. Вып. 327. С. 15-22.

7. Черенкова Е.А., Золотокрылин А.Н. О сравнимости некоторых количественных по-

казателей засухи // Фундаментальная и прикладная климатология. 2016. Т. 2. С. 79-94.

8. Beguería S, Vicente-Serrano S.M., Reig F., Latorre B. Standardized precipitation evapo-

transpiration index (SPEI) revisited: parameter fitting, evapotranspiration models, tools, datasets

and drought monitoring // Int. J. Climatol. 2014. Vol. 34. P. 3001-3023.

9. Edwards D.C., McKee T.B. Characteristics of 20th century drought in the United States at

multiple time scales // Climatology Report 97-2. Department of Atmospheric Science, Colorado

State University, Fort Collins, 1997. 155 p.

10. Hersbach H., Bell B., Berrisford P. et al. The ERA5 global reanalysis // Quarterly Jour-

nal of the Royal Meteorological Society. 2020. Vol. 146. P. 1999-2049.

152

Агрометеорологические прогнозы

11. Vicente-Serrano S.M., Santiago Beguería, Juan I. López-Moreno. A Multi-scalar drought

index sensitive to global warming: The Standardized Precipitation Evapotranspiration Index –

SPEI // Journal of Climate. 2010. Vol. 23. P. 1696-1718.

12. WMO-No. 1173. Handbook of Drought Indicators and Indices. Geneva: WMO, 2016.

52 р.

References

1. Tretiy ocenochnyy doklad ob izmeneniyah klimata i ih posledstviyah na territorii Ros-

siyskoy Federacii. Obshchee rezyume. Saint Petersburg, Naukoemkie tekhnologii, 2022, 124 s.

[in Russ.].

2. Zolotokrylin A.N., Cherenkova E.A., Titkova T.B. Aridization of Drylands in the European

Part of Russia: Secular Trends and Links to Droughts. Izvestiya RAN. Seriya Geograficheskaya.

[Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Geography]. 2020, vol. 84, no. 2, pp. 207-217

[in Russ.].

3. Kleschenko A. D., Savitskaya O. V. Estimation of space-time distribution yield of grains

and Standardized Precipitation Index on satellite and land information. Trudy GGO [Proceedings

of Voeikov Geophysical Observatory]. 2014, vol. 571, pp. 147-161 [in Russ.].

4. Lebedeva V.M., Strashnaya A.I. Osnovy sel'skohozyaystvennoy meteorologii. Tom II.

Metody raschetov i prognozov v agrometeorologii. Kniga 2. Operativnoe agrometeorologicheskoe

prognozirovanie. Obninsk, VNIIGMI-MCD, 2012, 216 p. [in Russ.].

5. Strashnaya A.I., Tishtshenko V.A., Berioza O.V., Bogomolova N.A. On the possibility to

use the standardized precipitation index for detecting droughts and in the forecasts of the quanti-

tative estimates of the productivity of cereal crops and pulse crops. Trudy Gidromettsentra Rossii

[Proceedings of the Hydrometcentre of Russia]. 2015, vol. 357, pp. 81-97 [in Russ.].

6. Strashnaya A.I. Ispol'zovanie pokazateley uvlazhneniya dlya ocenki zasushlivosti i

prognoza urozhaynosti zernovyh kul'tur v Povolzhskom ekonomicheskom rayone. Trudy

Gidromettsentra Rossii [Proceedings of the Hydrometcentre of Russia]. 1993, vol. 327, pp. 15-22

[in Russ.].

7. Cherenkova E.A., Zolotokrylin A.N. On the comparability of some quantitative drought

indices. Fundamental'naya i prikladnaya klimatologiya [Fundamental and Applied Climatology].

2016, vol. 2, pp, 79-94 [in Russ.].

8. Beguería S, Vicente-Serrano S.M., Reig F., Latorre B. Standardized precipitation evapo-

transpiration index (SPEI) revisited: parameter fitting, evapotranspiration models, tools, datasets

and drought monitoring. Int. J. Climatol. 2014, vol. 34, pp. 3001-3023.

9. Edwards D.C., McKee T.B. Characteristics of 20th century drought in the United States at

multiple time scales. Climatology Report 97-2. Department of Atmospheric Science, Colorado

State University, Fort Collins, 1997, 155 p.

10. Hersbach H., Bell B., Berrisford P. et al. The ERA5 global reanalysis. Quarterly Journal

of the Royal Meteorological Society. 2020, vol. 146, pp. 1999-2049.

11. Vicente-Serrano S.M., Santiago Beguería, Juan I. López-Moreno. A Multi-scalar drought

index sensitive to global warming: The Standardized Precipitation Evapotranspiration Index –

SPEI. Journal of Climate. 2010, vol. 23, pp. 1696-1718.

12. WMO-No. 1173. Handbook of Drought Indicators and Indices. Geneva, WMO, 2016,

52 р.

Поступила 13.11.2025; принята в печать 26.11.2025.

Submitted 13.11.2025; accepted for publication 26.11.2025.