Региональный климат Рязанской области, его вековая динамика и роль в эволюции ландшафтов

Экстремальные суточные суммы осадков, превышающие 100 мм, наблюдаются в разных регионах Европейской и Азиатской территории России. Они по большей части локальны, выпадают в летние месяцы и циркуляционные условия их формирования различны. В большинстве случаев в европейской части России такие осадки приходят с южными средиземноморскими циклонами. Так, 14 августа 1904 года во Владимире выпало 109 мм осадков, в Фаддеевском (Оренбургская область) - 140 мм осадков. В Сочи абсолютный максимум осадков составил 245 мм (18 августа 1971 года) [15].

На юге Красноярского края и в Якутии также возможны суточные суммы осадков, превышающие 100 мм. Так, 6 августа 1958 года в Ленске выпало 103 мм осадков [15]. Тогда восточный отрог Азорского антициклона занимал всю Европу, южные циклоны шли через Каспийское и Аральское моря на бассейны Оби и Енисея.

Благоприятные условия для формирования рекордных суточных сумм осадков в Амурской области, Хабаровском и Приморском краях, на Сахалине определяются южными циклонами, проходящими по западной периферии Тихого океана. На Сахалине выпало 137 мм осадков 3 августа 1981 года, в Хабаровском крае - 158 мм 22 июля 1976 года. На Камчатке максимум суточных сумм осадков сдвинут на холодную половину года (9 ноября 1934 года в Петропавловске-Камчатском выпало 207 мм осадков) [15].

По последним данным, продолжительность действия и повторяемость циркуляционных условий, при которых южные циклоны активизируются, возрастают на протяжении XX века, и особенно за последние десятилетия. При сохранении этой тенденции можно ожидать повышения повторяемости и величины экстремумов атмосферных осадков.

Современные расчетные климатические модели учитывают не только температуру и осадки, но и множество дополнительных параметров, в том числе содержание в атмосфере углекислого газа. Если его концентрация возрастет вдвое, то в среднем количество осадков увеличится на 10 - 30%, но изменится их характер. В умеренных широтах Северного полушария чаще будут наблюдаться сильные ливни и обильные снегопады, а на планете в целом усилятся температурные контрасты между континентами и океанами, интенсивнее станут муссоны в Восточной Азии.

ГЛАВА 2. Материалы и методы исследования

2.1 Физико-географические условия Рязанской области

Рязанская область расположена в центральной части Русской равнины. Её площадь составляет 39,6 тыс. км². Крайняя северная точка находится на 55⁰22' с. ш., крайняя южная - 53⁰19' с. ш. С запада на восток область протянулась от 38⁰38' в. д. до 42⁰31' в. д. [24].

С поверхности в пределах области залегают четвертичные отложения разного генезиса: ледниковые, водно-ледниковые, озерно-аллювиальные. Они подстилаются различными по составу осадочными породами неогенового, мелового, юрского и каменноугольного возраста, местами вскрывающимися в склонах долин, балок и оврагов.

В современном рельефе территории, которую занимает область, по абсолютным высотам обособляется ряд крупных неровностей - возвышенных и сниженных участков, отличающихся друг от друга по глубине и густоте эрозионного расчленения, морфологии междуречий и речных долин.

На западе области расположена северо-восточная часть Среднерусской возвышенности, восточнее находятся относительно пониженные участки - Мещерская низина и приокская часть Окско-Донской равнины, входящие в субмеридионально вытянутую полосу Волжско-Окско-Донских равнин.

Рязанская часть Среднерусской возвышенности отличается наибольшими для области абсолютными высотами междуречий, наиболее интенсивным эрозионным расчленением, преобладанием полого-увалистых и холмисто-увалистых междуречий. На возвышенности расположена максимальная отметка поверхности в пределах области - 245 м.

Рязанская часть Окско-Донской равнины приурочена в основном к ее северной (окской) покатости, ограниченной на севере долиной Оки, а на юге - Окско-Донским водоразделом. В пределы области входит и небольшая часть донской покатости равнины.

Часть Мещерской низины, расположенная в пределах области, занимает около 10,7 тыс. км². К ней относят также долину Оки, Ковров-Касимовское плато, участок правобережья Оки в низовьях р. Вожи и Константиновское плато на междуречье Оки и Мечи. В пределах низины расположена минимальная отметка поверхности - 78 м.

Климат Рязанской области, расположенной в умеренном климатическом поясе, умеренно-континентальный с теплым летом и умеренно-холодной зимой. Величина суммарной солнечной радиации, поступающей на поверхность земли в пределах области, увеличивается с севера на юг с 90 до 95 ккал/см²*год. Радиационный баланс изменяется соответственно от 33 до 35 ккал/см²*год. Зимой радиационный баланс отрицательный. Средняя температура самого холодного месяца - января - понижается с запада на восток от -10,5⁰С до -12⁰С. Январские изотермы, как и на Русской равнине в целом, вытянуты в меридиональном направлении. Это связано с тем, что зимой тепло на Русскую равнину выносится с Атлантики. Характерно, что в юго-западной, наиболее приподнятой части области средние январские температуры относительно понижены, до -11⁰С - -11,2⁰С. Эффект понижения температуры связан с высотой [24].

Средняя температура самого теплого месяца - июля - повышается с северо-запада на юго-восток от +18,5⁰С до +19,5⁰С. Наиболее низкие значения средних июльских температур, как и в январе, отмечаются в относительно приподнятой юго-западной части области, что связано с понижением температуры с высотой. Среднегодовая температура воздуха положительная. В северных районах области она составляет чуть ниже +4⁰С, в южных - более +4⁰С. Продолжительность безморозного периода в среднем колеблется от 134 дней в северной части области до 150 дней в южной.

Годовая сумма осадков на территории области составляет от 700 мм в северной части до 600 мм и менее на юго-западе области. Северная часть области, расположенная на левобережье Оки и правобережье Мокши, характеризуется избыточным увлажнением (превышение осадков над испарением). К югу от Рязани увлажнение становится недостаточным.

Продолжительность периода активной вегетации в области увеличивается с севера на юг от 144 до 152 дней.

Внутренние воды Рязанской области включают поверхностные и подземные воды. Поверхностные воды представлены реками, озерами, болотами и группой искусственных водоемов. Реки области принадлежат бассейнам Каспийского и Азовского морей. Большая часть Рязанского края дренируется р. Окой и ее притоками. Бассейну Оки принадлежит 850 рек и речек общей протяженностью 10 тыс. км. Небольшой участок на юго-западе области относится к бассейну реки Дон. Реки области имеют смешанное питание с преобладанием снегового. На весну, когда тает снег, приходится 60% годового стока, на лето и осень - 25%, на зиму - 15%. Летом и осенью питание рек происходит за счет дождевых осадков и подземных вод, зимой - почти исключительно за счет грунтовых вод. Замерзают реки в конце ноября - начале декабря, вскрываются - в конце первой - начале второй декады апреля. Среднегодовой сток, формирующийся на территории области, составляет 4,2 км³.

На территории области насчитывается 2838 озер площадью более 0,2 га. Общая их площадь составляет 245,8 км². Из них 1400 озер (49%) имеют площадь более 1 га, 1438 (51%) - менее 1 га. 12 озер имеют площадь более 1 км².

В пределах области имеется около 1230 болот общей площадью около 92,5 тыс.га. Подавляющая часть болот сосредоточена в Мещере.

Рязанская область расположена в трех природных зонах. Это является причиной разнообразия почв.

В почвенном покрове территории области преобладают дерново-подзолистые почвы (около 35%), серые лесные почвы (около 30%) и черноземные почвы (более 26%); на долю пойменных (аллювиальных) почв приходится 8%, болотных почв - более 3%.

Северная часть области относится к зоне смешанных хвойно-широколиственных лесов (подтаежная зона), представленной на плакорах хвойно-широколиственными лесами с травяным покровом на дерново-подзолистых почвах. На плохо дренированных участках располагаются болотно-подзолистые и подзолистые почвы под осоковой, древесной, моховой и иной растительностью. Южнее находится зона широколиственных лесов с серыми лесными почвами, которые в понижениях сменяются серыми лесными глеевыми почвами под мелколиственными лесами, а также дерново-глеевыми почвами под травянистой растительностью. Самые южные районы Рязанской области относятся к лесостепной зоне (подзона северной лесостепи) с присущими ей злаково-разнотравными лугами на оподзоленных и выщелоченных черноземах и участками дубово-липовых лесов с богатым разнотравьем на серых лесных почвах. Плохо дренированные участки в лесостепной зоне заняты лугово-черноземными почвами, дерново-глеевыми почвами.

Естественные ландшафты в зоне широколиственных лесов и в лесостепи в значительной мере преобразованы в результате хозяйственной деятельности человека.

2.2 Источники данных

Источник данных, используемых в работе - ряд метеонаблюдений, а также данные по расходу воды в реках. Метеонаблюдения включают в себя результаты измерений среднесуточных температуры и количества осадков на метеостанциях Рязанской области. Наиболее длинные ряды содержат сведения, начиная с 1886 года (Елатьма). К сожалению, другие метеостанции обладают меньшими рядами сведений (в частности, Павелец - начиная с 1936 года). Климатическая ситуация начала XXI века (2001 - 2003 гг.) оценена по 13 метеостанциям Рязанской области и смежных регионов.

Полученные данные анализировались и сравнивались с данными различных литературных источников, посвященных рассматриваемой тематике.

2.3 Методология исследований

Для анализа полученных данных использовались такие методы, как картографический, методы эмпирических зависимостей (расчет коэффициента континентальности Хромова), методы статистического анализа (описательная статистика, автокорелляция, регрессионный анализ, расчет фрактальной размерности).

Для расчета коэффициента континентальности Хромова использовалась формула:

К_хр=(А_год-5,4sin /А_год)_*100%,

где А_год - годовая амплитуда температур (арифметическая разность температур самого теплого и самого холодного месяцев данного года), - географическая широта региона.

· Методика определения параметров функционирования геосистем по метеорологическим данным. Исходными данными для вычисления различных параметров климатической динамики являлись средняя температура января и июля, а также годовое количество осадков. На этой основе были вычислены все остальные (производные) гидротермические параметры, как частные, так и комплексные. Для расчетов также использовались приведенные в таблице 2 статистические связи между исходными и производными параметрами [13].

Таблица 2. Формулы для расчетов частных и комплексных ландшафтно-геофизических характеристик по исходным гидротермическим параметрам: t_янв, t_июл, r_год [13]

Расчетные формулы	Значения символов
Qс=180,255*tиюль+456	Qс - годовая суммарная радиация; tиюль - средняя температура июля
Rгод=378,8*tиюль - 6,667*t2июль - 3180	Rгод - годовой радиационный баланс; tиюль - средняя температура июля
E0=1384 - 161,6*tиюль + 6,245*t2июль	E0 - годовая испаряемость; tиюль - средняя температура июля
hсн=0,0871*rгод - 5,083*tянв - 80	hсн - высота снежного покрова; rгод - годовая сумма осадков; tянв - средняя температура января
I(Буд)=0,0833*tиюль - 0,0015* rгод +0,4	I(Буд) - радиационный индекс сухости Будыко; tиюль - средняя температура июля; rгод - годовая сумма осадков
Bперв=0,0139*rгод - 0,2064*tиюль +0,0557*Tвег - 4,22	Bперв -первичная биопродуктивность ландшафтов; rгод - годовая сумма осадков; tиюль - средняя температура июля; Tвег - продолжительность вегетационного периода

Для оценки роли случайных факторов динамики среднегодовых температур и годовых сумм осадков был применен анализ автокорреляции и анализ фрактальной размерности.

Слово «фрактал» употребляется в значении «разрыв», которое указывает на то, что процесс, попадающий под понятие «фрактальность», будучи непрерывным, содержит в себе разрывы, то есть области, в которых значения имеют резкий скачок. Эта модель в общем случае описывает скачкообразные переходы системы из одной локальной области равновесия в другую. Эти переходы могут иметь более или менее регулярный или хаотический характер. Фрактальная размерность системы в отличие от топологической нецелочисленна.

Один из основных методов измерения - метод ящиков. Исходный ряд значений делится пополам и считается число пересечений графика с секущей линией. Затем две, полученные ранее делением пополам графика, части делятся еще на две равные части и снова считается количество пересечений. Далее действие продолжается необходимое количество раз.

Затем по полученным данным определяется размерность D, которая вычисляется по формуле D=log(N)/log(1/r). Размерность определяется из уравнения регрессии, которая графически представлена прямой.

Фрактальная размерность позволяет охарактеризовать различные уровни шума и, соответственно, различный вклад случайных факторов в динамику изучаемой величины (степени случайности процесса) [25]:

2. 0,1 - «черный шум» связывается с турбулентными процессами в очень вязкой среде.

3. 0,5 - «бурый шум» описывает рельеф, целиком определяемый эрозионной системой, близкой к равновесию.

4. 0,9 - «розовый шум» связывается с турбулентными процессами в среде малой вязкости.

5. 1 - «белый шум» описывает чисто случайный нормальный процесс.

Таким образом, рост величины фрактальной размерности показывает степень стохастичности процесса и является критерием энтропии системы (в том числе климатической). Кроме того, фрактальная размерность представляет собой устойчивую статистическую характеристику.

Для установления связи стока с климатическими факторами использовался метод пошаговой регрессии.

Смысл регрессионного анализа состоит в формировании уравнения, связывающего сток с указанными выше факторами. В простейшем случае уравнение имеет вид прямой, а зависимость имеет следующую структуру:

Y=a + b₁x₁ + b₂x₂ + … + b_nx_n , где

Y - зависимая переменная, величина стока;

x₁ - x_n - принятые в расчет факторы в соответствующих единицах измерения;

а - игрек - пересечение, то есть минимально возможное значение переменной Y при нулевом значении всех факторов;

b₁ - b_n - регрессионные коэффициенты, знак и величина которых определяет характер и влияние факторов на зависимую переменную. Положительные коэффициенты говорят об усилении стока под влиянием данного фактора, отрицательные - об ослаблении [19].

ГЛАВА 3. Основные особенности регионального климата Рязанской области и его динамики

3.1 Среднемноголетние и экстремальные значения метеорологических величин

Рассмотрим данные характеристики на примере метеостанции Елатьма, измерения которой охватывают период с 1886 по 2003 гг. (отсутствовала информация за 1917-1919, 1996-1998 и частично 1941 гг.).

Среднегодовая температура приземной атмосферы в Елатьме составила 4,31⁰С с коэффициентом вариации 23,2%. Наиболее холодными годами (с температурой менее 2,5⁰С) за историю метеонаблюдений были 1907, 1908, 1942, 1945, 1956, 1969 (все - за счет одновременно зимних и летних сезонов); а также 1976 (холодное лето) и 1987 (суровая зима) (см. приложение 1, 2). Наибольшая повторяемость аномально теплых лет с температурой свыше 5,3⁰С наблюдается в последнее время: это 1989-1991, 1995, 1999-2002 (все как за счет мягкой зимы, так в большинстве случаев высокой температуры в летние месяцы); а также 1975 и 1981 (мягкая зима и теплое сухое лето), 1932 и 1936-1938 (очень сухие годы, к тому же с мягкими зимами), 1906 (теплая зима с высокой повторяемостью циклонов) и 1903 (сухое лето).

Годовая норма осадков в исследуемом регионе составляет 574 мм с коэффициентом вариации 19,5%. Выделяются годы, когда выпадало свыше 750 мм: это 1912, 1952, 1993 (за счет влажного лета); а также 1962, 1980, 1990 (положительные аномалии и зимних, и летних осадков). Экстремально сухими (менее 470 мм/год) были 1890-1892, 1932, 1936-1940 (сухие летние периоды), 1942-1944 (бесснежные зимы), 1946, 1948, 1954, 1957, 1961 (сухие летние месяцы), 1972 (сухая морозная зима и жаркое бездождное лето); близки к ним 1975 (за счет сухого лета) 1988 и 1991 (за счет зимних месяцев) (см. приложение 1, 2).

3.2 Вековые колебания климата и специфика периода глобального потепления (на примере м/с Елатьма)

Изучение данных регулярных метеонаблюдений позволило охарактеризовать с большой подробностью и достоверностью внутривековые изменения климата Земли. В частности, выделено 3 больших периода климатической динамики в Северном полушарии [8] (далее - периоды Будыко): преимущественное потепление (до середины 40-х гг. ХХ в.), относительное похолодание, сопровождавшееся ростом увлажнения в зимние месяцы (до конца 60-х гг.) и новая фаза потепления (с начала 70-х гг. по настоящее время). По мнению Будыко и его единомышленников, данные колебания температуры обусловлены изменениями коэффициента прозрачности атмосферы под влиянием вулканических извержений. При этом наиболее активное снижение прямой радиации наблюдалось в 60-е гг. ХХ в, когда крупные вулканы извергались ежегодно [8,17]. В последние десятилетия рост температуры наблюдается вопреки росту запыленности атмосферы, что данные авторы объясняют накоплением антропогенного СО₂. По имеющимся оценкам [20], темпы современного потепления не имеют прецедентов в истории человечества и не сравнимы даже со знаменитой «эпохой викингов».

На основе имеющихся данных метеостанции Елатьма нами были вычислены: среднегодовые значения температуры и количества осадков, амплитуда температуры, сумма активных температур, продолжительность периода с активными температурами и количество осадков за данный период, сумма температур ниже -10⁰C, а также некоторые другие величины. Затем полученные данные подверглись статистической обработке (расчет трендов, фрактальной размерности и др.).

Рассмотрим, как менялась среднегодовая температура на территории Рязанской области за период с 1886 по 2003 год.

Из рисунка 1.3.2 следует, что на протяжении последних 117 лет среднегодовая температура не оставалась постоянной, а менялась, причем четкой закономерности, глядя только на график, выявить нельзя. Лишь после построения полиномиального тренда можно выделить периоды относительного потепления и похолодания. В частности, с конца XIX века началось повышение температуры, которое продолжалось до середины 20-х годов и составило около 0,45⁰C (0,12⁰C/10 лет). Затем произошло некоторое снижение температуры, длившееся примерно до середины 60-х годов. Оно составило 0,3⁰C (0,096⁰C/10 лет). С конца 60-х годов температура снова начала увеличиваться. Этот процесс продолжается до сих пор. К 2003 году коэффициент линейного тренда составил 0,32⁰C/10 лет (1,55⁰C за весь период).

Рис. 1.3.2. Изменение среднегодовой температуры с 1886 по 2003 год. Линейный (штрихпунктирная линия) и полиномиальный (сплошная черная линия) тренд.

Максимальная среднегодовая температура наблюдалась в 1989 году и составила 6,35⁰C, минимальная - в 1945 году: 2,16⁰C.

Целесообразно провести анализ динамики климатических показателей отдельно по периодам температурной динамики, существование которых доказано М.И. Будыко.

Как показано на рис. 1.3.2, на территории Рязанской области за 1886 - 1946 годы тренд температуры был положительным и составил 0,031⁰C/10 лет. За период 1947 - 1968 гг. тренд был отрицательным, температура снижалась на 0,045⁰C/10 лет. В 1969 - 2003 гг. снова наблюдался положительный тренд, составивший 0,4⁰C/10 лет. Это говорит о том, что ситуация в Рязанской области в целом совпадает с общемировой тенденцией изменения температуры.

За период с 1886 по 2003 год наблюдалась общая тенденция к увеличению температуры. В целом она возросла на 1⁰C по сравнению с началом XX века. По миру в среднем этот показатель составляет 0,6⁰C. Разница объясняется неравномерностью роста температуры на материках и океанах. Среднемировой показатель учитывает изменение температуры и в Южном - более океаническом - полушарии.

Количество осадков на территории Рязанской области за период 1886 - 2003 возросло более чем на 100 мм (коэффициент линейного тренда составил 8,4 мм/10 лет). Проанализируем изменение количества осадков по тем же периодам времени, что и температуру. Однако четкой зависимости между количеством осадков и температурой нет, то есть увеличение температуры может приводить как к увеличению количества осадков, так и его уменьшению (приложение 4). Скорее всего, это связано с тем, что на осадки, кроме температуры, оказывают влияние и другие факторы, которые зачастую являются более важными, чем температура (местное испарение, температурная стратификация атмосферы, формирующаяся под влиянием местных условий и др.).

За период с 1886 по 1946 гг. тренд осадков был отрицательным и составил в среднем 16,7 мм/10 лет, с 1947 по 1968 гг. - положительным: количество осадков увеличивалось в этот период на 22,7 мм/10 лет. В течение 1969 - 2003 гг. тренд также был положительным: 32,4 мм/10 лет.

Максимальное количество осадков за этот период выпало в 1990 году и составило 885 мм, а минимальное - в 1937 году: 356,1 мм (рис.2.3.2).

Рис 2.3.2. Среднегодовое количество осадков за 1886 - 2003 годы. Полиномиальный (сплошная черная линия) и линейный (пунктирная линия) тренды.

Рассмотрим подробнее результаты, полученные при расчете тренда температуры и осадков каждого месяца за период в десять лет (приложение 4). На основе полученных данных можно сделать определенный вывод о том, что между температурой и осадками нет определенной закономерности, они меняются независимо друг от друга. Однако, при видимой хаотичности процессов, некоторые десятилетия характеризуются довольно упорядоченным ходом температуры и осадков. Это такие периоды, как 1961 - 1970, в течение которого температура и осадки характеризовались обратной зависимостью, кроме сентября и декабря, когда снижение температуры приводило к уменьшению количества осадков; 1971 - 1980, когда во все месяцы, кроме последних двух весенних и последних двух осенних, температура и количество осадков также характеризовались обратной зависимостью, а весной и зимой снижение температуры приводило к уменьшению количества осадков. Следует выделить и последнее десятилетие XX века, на протяжении которого в мае, июне и июле, а также осенью уменьшение температуры приводило к росту количества осадков и наоборот. В остальные месяцы наблюдалась прямая зависимость.

Таким образом, прогноз осадков более сложен, чем прогноз температуры, так как на увлажнение влияет большее число факторов, значительная часть которых не может быть адекватно учтена.

Рассмотрим теперь, как менялась годовая амплитуда температуры (рис. 3.3.2, приложение 1).

Рис. 3.3.2. Изменение годовой амплитуды температур. Полиномиальный (сплошная черная линия) и линейный (пунктирная линия) тренды.

Сопоставляя рис. 1.3.2 и 3.3.2, можно увидеть, что период повышения температуры совпадает с периодом понижения амплитуды и лишь за последние 10 лет рост температуры сопровождается ростом амплитуды. Такая противоположность связана с повышением зимних и некоторым снижением летних температур, что сглаживает контраст между сезонами. В целом, среднегодовая амплитуда снизилась на 3⁰C.

Рассмотрим также амплитуду среднесуточных температур за разные годы (разность температур самого холодного и самого теплого дня в году).

Как видно из рисунка 4.3.2 амплитуда среднесуточных температур снизилась по сравнению с 1886 годом на 2,5⁰C, что почти совпадает с величиной снижения среднегодовой амплитуды. В целом, между данными величинами наблюдается четко выраженная прямая зависимость.

Рис. 4.3.2. Амплитуда среднесуточных температур. Полиномиальный (сплошная черная линия) и линейный (пунктирная линия) тренды.

Снижение амплитуды самого теплого и самого холодного дня в году связано с теми же факторами, что и снижение среднегодовой амплитуды.

Рис. 5.3.2. Изменение коэффициента Хромова. Полиномиальный (сплошная черная линия) и линейный (пунктирная линия) тренд.

На рисунке 5.3.2 изображен график изменения коэффициента, или индекса континентальности, Хромова, который указывает на соотношение влияний, оказываемых континентом и океаном на годовую амплитуду температуры воздуха в конкретном месте, в данном случае - в Рязанской области (см. также приложение 1). Этот график полностью идентичен графику годовой амплитуды, так как именно от нее зависит степень континентальности климата. Из-за снижения амплитуды температуры континентальность климата также уменьшилась и, как следствие, коэффициент Хромова снизился на 1,5% по сравнению с 1886 годом. В течение периода 1886 - 1946 гг., который характеризовался ростом среднеглобальных температур, на территории Рязанской области преобладала тенденция снижения коэффициента Хромова: примерно на 0,01%/10 лет. Далее с 1947 по 1968 гг. тренд коэффициента был положительный и составлял в среднем 0,02%/10 лет. За последний промежуток времени с 1969 по 2003 гг. произошло снижение коэффициента Хромова на 0,44%/10 лет. Минимальное значение коэффициента Хромова наблюдалось в 1993 году (в период последнего «глобального потепления») и составило 81,96%, максимальное значение - в 1956 году (на фоне снижения среднеглобальной температуры, имевшего место в тот период) и равнялось 89,48%. Снижение коэффициента Хромова говорит о том, что происходит сглаживание контрастности между материком и океаном и сезонами года. Наиболее интенсивное уменьшение происходит за последние годы. Это указывает на то, что интенсивность процессов, влияющих на снижение контрастности температур, значительно возросла.

Можно рассмотреть еще некоторые параметры, которые также доказывают, что повышение температуры происходит в основном за счет увеличения зимних температур. В частности, нами была рассчитана сумма температур ниже -10⁰C, а также продолжительность периода с такими температурами и количество осадков за этот период (см. приложение 3). Сравнивая рисунок 1.3.2 и 6.3.2, можно увидеть, что полиномиальный тренд температуры и суммы температур ниже -10⁰C практически совпадают, то есть повышение в положительную сторону суммы температур ниже -10⁰C приводит к росту среднегодовой температуры и наоборот.

Рис. 6.3.2. Сумма температур ниже -10⁰C. Полиномиальный (сплошная черная линия) и линейный тренд (пунктирная линия).

Линейный тренд указывает на то, что сумма температур ниже -10⁰C уменьшилась по модулю за весь рассматриваемый промежуток на 225⁰C, что также способствовало росту среднегодовой температуры, что и наблюдается в настоящее время.

Рис. 7.3.2. Продолжительность периода с температурами ниже -10⁰ и линейный тренд.

Длительность периода с температурами ниже -10⁰C уменьшилась за весь период на 18 дней (рис.7.3.2), что говорит о том, что температура в холодное время года стала реже опускаться ниже -10⁰C.

Количество осадков за этот период снизилось (рис 8.3.2) примерно на 10 мм.

Возможно, уменьшение количества осадков связано с тем, что в связи с ростом зимних температур, снизилась контрастность между океаном и материком, однако этому противоречит увеличение циклональной активности, которая также связана с контрастами температур на материках и океанах.

Рис. 8.3.2. Количество осадков за период с температурами ниже -10⁰ и линейный тренд.

Это еще раз подчеркивает, что на осадки оказывает влияние большее количество факторов по сравнению с температурой.

Рассмотрим также, как менялись суммы активных температур (арифметическая сумма среднесуточных температур свыше +10⁰С) и температур выше +15⁰C.

Рис. 9.3.2. Сумма активных температур. Полиномиальный (сплошная черная линия) и линейный (пунктирная линия) тренд.

Сумма активных температур за последние 117 лет снизилась примерно на 50⁰C (рис. 9.3.2, приложение 5).

Скорее всего, это объясняется понижением летних температур за счет повышенной циклонической активности. Это доказывает и увеличение количества осадков за этот период примерно на 15 мм (рис. 10.3.2).

Можно проследить связь между суммой активных температур и коэффициентом Хромова. До середины XX века существовала однозначная прямая связь между суммой активных температур и коэффициентом Хромова: период снижения коэффициента Хромова сопровождался периодом снижения суммы активных температур и наоборот. Это связано с усилением взаимодействия океана и континента, в частности с увеличением циклонической активности в летний период. С середины XX века связь стала несколько менее определенной, в частности, в первой половине 60-х годов наблюдалось снижение суммы активных температур при высокой величине коэффициента Хромова из-за снижения поступления прямой радиации вследствие активизации вулканической деятельности [8] и общего снижения летних температур на континентах. В 80-е годы на фоне однозначного снижения коэффициента Хромова имел место выраженный рост суммы активных температур.

Рис. 10.3.2. Количество осадков за период активных температур. Полиномиальный (сплошная черная линия) и линейный (пунктирная линия) тренд.

Длительность периода с активными температурами в 1995 году возросла по сравнению с 1886 годом на 3 дня.

Рис. 11.3.2. Продолжительность периода с активными температурами и линейный тренд.

Сумма температур выше +15⁰C также снизилась за период с 1886 по 2003 год на 100⁰C (рис.12.3.2, приложение 6). Вероятно, что это связано с теми же факторами, которые влияют и на сумму активных температур, причем тенденция к росту данного параметра в последние 30-35 лет еще не сказалась на характере динамики за весь рассмотренный период времени.

Рис. 12.3.2. Сумма температур выше +15⁰C. Полиномиальный (сплошная черная линия) и линейный (пунктирная линия) тренд.

Таким образом, современная климатическая динамика в Рязанском регионе характеризуется рядом существенных особенностей, не имеющих аналогов в прошлые десятилетия регулярных метеонаблюдений. В первую очередь это касается устойчивого роста температуры, в основном за счет зимних месяцев, а также роста увлажненности.

О значимости современных климатических изменений может свидетельствовать и вариационный анализ (приложение 7). Нами были проанализированы среднегодовая и зимняя температуры. В стабильных условиях среды фиксируется колоколообразная форма распределения любого параметра. При этом доказано, что такая форма распределения весьма консервативна и ее изменения свидетельствуют о кардинальных изменениях процесса.

Как видно из приложения 7 сейчас формируется новый «класс типичности» среднегодовых температур (выше +5,51⁰С), не имевших прецедентов в прошлом, что на 1,5⁰С больше средней величины, характерной для всего XX века. Потепление происходит в основном за счет температур зимних месяцев.

3.3 Пространственная неоднородность климата в пределах Рязанской области и ее физико-географические факторы

Для оценки пространственной неоднородности климатических параметров использовались данные, полученные метеостанциями. Наиболее длинные ряды содержат сведения, начиная с 1886 года (Елатьма). К сожалению, другие метеостанции обладают меньшими рядами сведений (в частности, Павелец - начиная с 1936 года). При этом в существующих рядах имеются разрывы в наблюдениях. В результате нами было построено несколько картосхем. Сравнение картографических данных середины XX века и начала XXI века показало, что современная климатическая обстановка отличается рядом особенностей.

Сопоставление полученных данных со средними картами второй половины ХХ в. (опубликованы, в частности, в [3,4]), показало, что конфигурация изотерм в целом не изменилась, и они имеют субширотное простирание, что связано с закономерным возрастанием количества солнечной радиации с севера на юг. Однако на юго-западе Рязанской области наблюдается понижение среднегодовых температур (рис. 1.3.3). Это связано с тем, что юго-запад региона - участок Среднерусской возвышенности - приподнят над остальной территорией. Относительно пониженная среднегодовая температура этого участка выражена в основном за счет зимнего периода, когда фактор снижения температуры с высотой - в том числе при адиабатическом охлаждении воздуха атлантических циклонов при подъеме - оказывается более существенным в связи с более активным воздухообменом с Атлантикой (рис. 1.3.3(б)).

а) б)

Рис. 1.3.3. Картосхемы среднегодовой температуры воздуха середины XX века (а) и начала XXI века (2001 - 2003гг) (б)

Простирание январских изотерм в субмеридиональном направлении - в связи с адвекцией тепла с Атлантического океана - в целом сохраняется и в начале ХХI в. (рис. 2.3.3).



а) б)

Рис. 2.3.3. Картосхема температуры января середины XX века (а) и начала XXI века (2001 - 2003 гг) (б).

При этом зимой наблюдается повышение температуры с юго-востока на северо-запад до окрестностей Рязани, где локализован региональный максимум зимней температуры, обусловленный тем, что адвекция на данном участке территории области проявляется наиболее интенсивно. Далее к северу температура вновь снижается - уже в соответствии с зональными закономерностями. Необходимо отметить, что по сравнению с серединой прошлого столетия температуры января увеличились примерно на 5⁰С, хотя существенных различий в конфигурации изотерм в целом не наблюдается. Это подтверждает, что пространственная картина метеопараметров значительно устойчивее их средних величин и сохраняется даже при принципиальных изменениях климата.

Летние температуры в 2001-2003 годы оказались выше среднемноголетних на 2-3⁰С. Данная тенденция характерна лишь для первых нескольких лет ХХI в. и не является устойчивой. Ранее на этапе «глобального потепления» наблюдался обратный процесс - процесс снижения летних температур.



а) б)

Рис.3.3.3. Картосхемы температуры июля середины XX века (а) и начала XXI века (2001 - 2003 гг) (б).

Сохраняется субширотное простирание июльских изотерм, при этом они проходят практически перпендикулярно преобладающим северо-западным ветрам (рис. 3.3.3). Тем самым наиболее теплая часть области сейчас - юго-восточная (менее подверженная адвекции с Атлантики, воздушные массы над которой летом холоднее, чем над Русской равниной). Фактор снижения температуры с ростом абсолютной высоты - на Среднерусской возвышенности - летом менее значителен, чем в зимний период.

Сравнивая современные (рис. 4.3.3) и средние данные по осадкам [23], можно отметить некоторые изменения. Во-первых, годовая сумма осадков возросла в среднем примерно на 100 мм. Во-вторых, - и это еще более существенно - рязанский участок Среднерусской возвышенности в середине ХХ в. отличался количеством осадков, близким к максимальному, тогда как сейчас это место является одним из самых сухих на территории Рязанской области. Это говорит об усилении роли Среднерусской возвышенности, как барьера на пути прохождения влажных воздушных масс, вследствие усиления интенсивности западного переноса. Высокие среднегодовые осадки на территории возвышенности и сейчас отмечаются, но - в пределах Тульской области на наветренном склоне (рис. 4.3.3). «Барьерный эффект» проявляется и на восточной периферии Ковров-Касимовского плато, гораздо меньшего по относительной высоте и площади, чем Среднерусская возвышенность. Столь существенная трансформация пространственной картины увлажнения свидетельствует о масштабности наблюдаемых климатических изменений, которые отнюдь не ограничиваются простыми колебаниями около средних величин.

Рис. 4.3.3. Картосхема годового количества осадков (2001-2003 гг).

На рис. 5.3.3 изображены графики количества осадков за год по данным шести метеостанций Рязанской области. Можно видеть, что максимум осадков выпадает в мае - июне, что собственно и характерно для умеренно-континентального пояса. Однако появляются еще два максимума, выраженных не столь сильно: в январе - феврале и начале осени.



Рис. 5.3.3 Количество осадков за 2001 - 2003 год по месяцам

Так как осадки зимой, в основном зависят от влажных воздушных масс, идущих с Атлантики, то появление зимнего максимума осадков может свидетельствовать об увеличении интенсивности западного переноса. Осенний максимум связан с активизацией циклонов.

По сравнению с серединой XX века возрос коэффициент увлажнения (соотношение осадков и испаряемости), отражающий наиболее фундаментальные климатические закономерности. Существенно изменились и его пространственные особенности. Если раньше юг и юго-восток Рязанской области характеризовались недостаточным увлажнением (лесостепная зона), то сейчас на большей части территории области увлажнение достаточное и избыточное (рис. 6.3.3).

Исключением является крайний юго-запад территории (К_увл<1), который и представляет собой современный рефугиум «лесостепного климата» в барьерной тени Среднерусской возвышенности. На востоке Ковров-Касимовского плато К_увл также снижается, но менее значительно вследствие меньших ресурсов тепла.



Рис. 6.3.3. Картосхема коэффициента увлажнения Высоцкого - Иванова (данные 2001 - 2003 гг.)

С севера на юг происходит рост суммы биологически активных температур, не считая юго-западной части области, где происходит некоторое снижение величины (рис.7.3.3 (а)).

а) б)

Рис.7.3.3. Картосхема суммы биологически активных температур (2001 - 2003 гг.) (а) и продолжительности вегетационного периода (2001 - 2003) (б)

В северной части области данный параметр составляет около 2400⁰С, а в южной - 2540⁰С. При этом необходимо отметить, что еще в источниках [1,3] данная величина имела следующие значения: на севере сумма биологически активных температур составляла 2150 - 2200⁰С, а к югу увеличивалась всего лишь до 2300 - 2350⁰С. Таким образом, произошло увеличение суммы активных температур на 200 - 250⁰С. Увеличилась и продолжительность вегетационного периода (рис. 7.3.3 (б)): на севере области от 134 до 144 дней, на юге - от 145 - 147 дней до 150 - 152. Таким образом, пространственная неоднородность климатических параметров в пределах Рязанской области обусловлена зональными (солнечная радиация, западный перенос воздушных масс) и азональными (прежде всего, рельеф) факторами, которые в той или иной мере взаимодействуют друг с другом и способствуют усилению или ослаблению климатических характеристик.

3.4 Общий обзор наиболее существенных изменений регионального климата, произошедших к началу XXI века

Колебания климата и его изменчивость всегда оказывали определенное влияние на природные процессы и развитие общества. Во второй половине XX века стало очевидно, что общая климатическая ситуация меняется гораздо быстрее, чем в прежние времена, как в среднем по миру, так и внутри отдельных регионов. Рязанская область не является исключением. Проведенные расчеты позволили выявить следующее:

к 2003 году по сравнению с 1886 годом произошло повышение среднегодовой температуры более чем на 1⁰C. При этом на протяжении XX века можно выделить периоды относительного потепления и похолодания климата, которые в принципиальных чертах совпадают с аналогичными периодами, установленными при анализе глобальной климатической динамики [8]. Если сравнить между собой периоды относительного потепления климата, можно придти к выводу, что наиболее интенсивное повышение температуры наблюдается в последнее время (коэффициент линейного тренда составил 0,4⁰С/10 лет, тогда как в первую половину ХХ века - 0,03⁰С/10 лет). Рост температур происходит за счет увеличения зимних температур (+5⁰С) и некоторого снижения летних (до конца XX века). С начала XXI века наблюдается рост летних температур (+ 2 - 3⁰С). При этом продолжительность периода со среднесуточными температурами ниже -10⁰С и их годовая сумма наиболее резко снижались также в последние 30-35 лет. Сохранилось субширотное простирание изотерм;

на протяжении XX века также наблюдался рост количества осадков. По сравнению с 1886 годом количество осадков возросло на 100 мм, главным образом за счет осадков теплого периода. При этом усилилась роль Среднерусской возвышенности как барьера на пути прохождения воздушных масс. Кроме характерного для умеренно-континентального климата максимума осадков в мае - июне, появилось еще два слабо выраженных максимума в январе - феврале и начале осени;

произошло снижение среднегодовой амплитуды температур и, как следствие, коэффициент континентальности Хромова снизился на 1,5%.

по сравнению с концом XIX - началом XX вв. снизилась по модулю сумма температур ниже -10⁰C, а также сумма активных температур, что скорее всего связано с ростом циклонической активности. Однако в последние три десятилетия наблюдается рост последней величины (кроме юго-запада области). Он составил 200 - 250⁰С. Произошло уменьшение продолжительности периода с суммой температур ниже -10⁰C и увеличение продолжительности периода с суммой активных температур. Сумма температур выше +15⁰C также снизилась по сравнению с 1886 годом. Отмеченные изменения, предположительно, непосредственно связаны со снижением индекса континентальности климата;

по сравнению с 1965 годом увеличился коэффициент увлажнения;

возросла продолжительность вегетационного периода на 5 - 10 дней.

ГЛАВА 4. Связь региональных климатических изменений с функционированием и эволюцией ландшафтов

4.1 Сток, биопродуктивность и почвообразование - важнейшие интегральные характеристики ландшафтов

Временные изменения природных режимов характеризуются разной степенью упорядоченности. Наряду с хаотическими колебаниями присутствуют и регулярные. Знание временной упорядоченности используется при прогнозировании природных процессов, в том числе неблагоприятных. Также эта информация позволяет изучить отклик различных природных компонентов на современные климатические изменения. В данном случае речной сток является наиболее доступным для изучения. Он также позволяет реконструировать влияние климата на другие компоненты, выявить цикличность такого влияния и закономерные тенденции. Изучение данных тенденций - способ изучения наиболее глубинных основ организации любых систем.

Биологическая продуктивность - одна из важнейших характеристик ландшафта. Обычно, чем выше биопродуктивность, тем устойчивее экосистемы и ландшафт в целом. Поэтому продуктивность, которая выражает совокупность природных и антропогенных влияний на экосистемы, часто используют в качестве интегрального показателя состояния ландшафта.

Докучаев В.В. называл почвы «зеркалом ландшафта», подчёркивая таким образом, что почвенный покров является зависимым компонентом биогеоэкосистем, в то время как элементы ландшафта - ведущим фактором. Тем не менее, почвы вносят огромный вклад в общее функционирование геосистем (поглощение, отражение, рассеивание поступающих в систему веществ и энергии).

4.2 Анализ физико-географических условий формирования стока на территории Рязанской области

Условия формирования стока оценивались нами по данным о стоке шести рек, протекающих по территории Рязанской области: Ока, Гусь, Пёт, Истья, Мокша и Проня. Для расчетов использовались данные, начиная с 1970 года, для того, чтобы оценить влияние современной климатической динамики на изменение годового стока. По М. И. Будыко именно начало 1970-х гг. является объективной границей, подтвержденной глобальными наблюдениями.

Для вышеперечисленных рек были рассчитаны площади бассейнов выше створов водомерных постов (Ока - с. Половское, Гусь - д. Мелюшево, Истья - д. Поповичи, Пёт - с. Потапьево, Мокша - с. Шевали-Майданы, Проня - д. Быково). Результаты расчетов приведены в таблице 3.

Таблица 3. Площади бассейнов рек выше створов водомерных постов

Река	S бассейна, км2
Ока	95312,5
Гусь	1452
Истья	836
Пёт	641,2
Мокша	26250
Проня	3656

Истья берет начало на восточной периферии Среднерусской возвышенности и охватывает два различных природных региона с большим участием Окско-Донской равнины.

Исток Прони находится на восточном склоне Среднерусской возвышенности, а геометрический центр бассейна реки к востоку от города Михайлова, но также в пределах данной макроформы рельефа.

Геометрический центр бассейна реки Гусь находится на границе Рязанской и Владимирской областей. Бассейн реки Гусь характеризуется низкой контрастностью рельефа и высокой облесенностью, причем гидромелиоративная преобразованность сравнительно невысока. В целом сохраняются естественные условия формирования стока. Наименее трансформирован.

Для Пёта, берущего начало на Окско-Цнинском валу, характерно высокое разнообразие природных условий. Коренными породами являются глины и известняки. Распаханность бассейна меняется от почти сплошной до полного отсутствия. Продольные профили притоков Пёта не выработаны, сохранились пороги. В пределах бассейна Пёта местами развиты карстовые процессы.

Мокша также объединяет различные по природным особенностям территории, начинаясь на западном склоне Приволжской возвышенности, протекает через территорию Пензенской области, республики Мордовия. Распаханность при этом также существенно меняется: в верховьях она достаточно высока, в среднем течении менее значительна. В качестве коренных пород в верховьях выступают известняки, в среднем течении - юрские глины. На некоторых участках течение зарегулировано плотинами малых ГЭС.

Ока берет начало в центральной части Среднерусской возвышенности на границе Орловской и Курской областей. Геометрический центр бассейна реки находится в пределах Калужской области, на западном склоне Среднерусской возвышенности, который в современных условиях является аккумулятором осадков, приходящих с Атлантического океана, тогда как восточный склон характеризуется существенно меньшим их количеством, что обусловливает различия между Окой и Проней.

Юг и юго-восток Рязанской области занимает территория, где не проводится непосредственных гидрологических измерений.

Также был рассчитан объем стока за год, его минимальные, максимальные и средние значения за 1970 - 2006 годы (таблица 4).

Таблица 4. Показатели стока для рек Рязанской области за период 1970 - 2006

Река	min	max	среднее
Ока	12,2 (1975)	27,2 (1994)	18,96
Гусь	0,12 (1984)	0,39 (1994)	0,26
Истья	0,04 (1975)	0,17 (1981, 1985, 1999, 2005)	0,12
Пёт	0,035 (1989)	0,206 (1995)	0,12
Мокша	1,61 (1984)	7,35 (1979)	3,75
Проня	0,17 (1989)	0,91 (1994)	0,44

4.3 Региональные гидроклиматические взаимосвязи

Закономерности взаимосвязи стока различных рек. Основными факторами являются: близость расположения рек и площадь их бассейнов (рис. 1.4.3).

Рис. 1.4.3. Коэффициент корреляции многолетней динамики стока Оки и других изучаемых рек

Исходя из рис. 1.4.3, чем больше площади бассейнов и чем ближе они расположены, тем больше коэффициент корреляции многолетней динамики стока. Согласно исследованию ученых Института географии АН, в пределах 500 км коэффициент корреляции составляет не менее 0,7 у сопоставимых по площади бассейнов. Если расстояние между бассейнами составляет 1000 км, то коэффициент убывает и даже становится отрицательным, 1500 км - вновь положительный коэффициент, что, по-видимому, обусловлено характерным размером барических систем - циклонов и антициклонов. Таким образом, пространственная взаимосвязь стока в значительной степени определяется атмосферной циркуляцией, следовательно, территориальная близость весьма важна.

Модуль стока. Объем воды, проходящий через живое сечение реки за год, является важной величиной, но информативность ее ограничена. Более географичным является показатель, характеризующий интенсивность того или иного процесса, например, интенсивность водообмена (см. приложение 8). Таким показателем является модуль стока (л*сек/км²).

а)

б)

Рис. 2.4.3. Распределение средней величины модуля стока по территории Рязанской области за период: а) 1970 - 2006; б) 1990 - 2006

< 4,0 4,5 - 5,0 5,5 - 6,0

4,0 - 4,5 5,0 - 5,5 > 6,0

Как показано на рисунке 2.4.3 (а), модуль стока зависит и от климатических, и от геолого-геоморфологических факторов. Максимальных величин данный показатель достигает на западном склоне Среднерусской возвышенности и северо-западной Мещере. На востоке возвышенности, в бассейне Прони он существенно меньше, что связано, по нашему мнению, не только с меньшим количеством осадков (рис 4.3.3), но и с запитыванием поверхностными водами Прони горизонтов подземных вод, приуроченных к известнякам. Характер падения известняков и морфология долины Прони весьма способствует подобным утечкам поверхностных вод. То же можно сказать и про сток Истьи.