Analysis of the dynamics of time characteristics of the seasons of the year in the sub-boreal forest (sub-taiga) of the .pdf Введение Проблема глобального изменения климата и зависящей от него природной среды является в настоящее время чрезвычайно актуальной. По данным ВОЗ изменение климата воздействует на социальные и связанные с окружающей средой факторы здоровья - чистый воздух, безопасную питьевую воду, достаток продовольствия и надежный кров [Информационный бюллетень ВОЗ, 2016]. «Изменение климата» - общий термин, включающий все виды непостоянства климата независимо от их природы - статистической (связанной с внутренней структурой ряда) или обусловленной физическими причинами [Рубинштейн, Полозова, 1996]. За последние 130 лет температура в мире возросла примерно на 0,85°С, а за последнюю четверть века темпы глобального потепления ускорились, превысив 0,18°С за десятилетие [Израэль, Груза и др. 2001; Груза, Ранькова, 2004; Шерстюков, 2007; Изменение климата... 2014; IPCC. Summary for Policy makers. 2014; 21-я климатическая конференция ООН, 2016]. Особенно высокие темпы роста температур фиксируются в Северном полушарии, а на его территории - в регионах, к востоку от Урала [Доклад об особенностях... 2016]. Характерной чертой природы Западной Сибири является ярко выраженная широтная зональность, обусловленная зонально-климатическими закономерностями. Общие черты и местные особенности рельефа, преломляя зонообразующие действия важнейших элементов климата - тепла и влаги, создают сложные сочетания экологических условий геосистем, определяя внутреннюю неоднородность природных зон. Эта неоднородность характерна для под-тайги - природной зоны, располагающейся на переходе от южной тайги к широколиственным лесам в Европе и на Дальнем Востоке, или лесостепи в Сибири. Следует подчеркнуть, что зона подтаёжных или гемибореальных (широколиственно-хвойных) лесов имеет циркумбореальное распространение, а в Евразии - трансконтинентальный характер, однако в разных частях Евразии она сильно различается по структуре и характеру сообществ [Hamet-Ahti, 1981]. В физико-географическом отношении западно-сибирская подтайга представляет собой самый южный широтный пояс в подзоне южной тайги Западно-Сибирской равнины (ЗСР), который включает смешанные светлохвойно-мелколиственные травяные леса [Ермаков, 2003], расположенные между 54 и 56° с. ш. (рис. 1). Ландшафты подтайги отличаются от южнотаежных большей сложностью рельефа, уменьшением увлажнения, вследствие чего и меньшей заболоченностью (до 32%), более пестрым почвенно-растительным покровом, и, в соответствии с этим, значительным разнообразием местных климатов и микроклиматов. © Ромашова Т.В., Филандышева Л.Б., Юркова К.Д., 2017 DOI: 10.17223/25421379/4/3 Согласно ландшафтному районированию [Ландшафты... 2008] подтайга рассматриваемого региона относится к группе равнинных бореальных ландшафтов, к биому смешанных лесов, происходящих от древних плиоценовых хвойно-широколиственных лесов [Ponomarenkо, 2017; Ermakov et al., 2003]. Площадь этой подтаёжной подзоны составляет 223,6 тыс км2. Она протянулась в широтном направлении между городами Екатеринбург и Красноярск относительно нешироким поясом - от 50 до 200 км. Выбор района исследования объясняется тем, что биоразнообразие экосистем подтайги - самое высокое из экосистем Западной Сибири. При этом подтайга ЗападноСибирской равнины как наиболее освоенная зона этого региона испытывает сложный комплекс воздействия внешних факторов и чутко реагирует на экологические факторы, в том числе климатические [Дро-бушевская, Назимова, 2006]. В экономико-географическом отношении подтайга Западной Сибири занимает часть Томской и Тюменской областей, относящихся к инвестиционно-привлекательным субъектам Российской Федерации и занимающих соответственно 6-е и 18-е места в рейтинге по этому показателю [Рейтинг инвестиционной привлекательности ... 2017]. В связи с этим для выработки стратегии социально-экономического развития территорий и обоснования материальных и финансовых затрат предприятий промышленности, транспорта, сельского и лесного хозяйства, учреждений социальной сферы необходим климатический мониторинг, включающий изучение временных характеристик климатических сезонов года на региональном уровне. Методика исследования При характеристике сезонов года часто их границы отождествляют с календарными сроками, которые, как и астрономические сезоны, являются формальными [Визе, 1940; Галахов, 1959; Рутковская, 1979; Филандышева, 1982; Окишева, 1984; Romash-ova, 2013]. В данном исследовании будут учитываться сезоны в их естественных границах, так как именно с ними согласуется развитие живой и неживой природы. Для выделения сезонов года и разработки модели сезонной ритмики нами использован комплексно-генетический метод Н.Н. Галахова [Галахов, 1959], дополненный Н.В. Рутковской [Рутковская, 1979]. Суть метода состоит в том, что при установлении сезонной структуры года для каждого конкретного района земного шара с относительно однообразными условиями климата необходим одновременный учет хронологического хода всех факторов климатообразования (солнечной радиации, циркуляции атмосферы, характера подстилающей поверхности) и явлений природы, с ними связанных [Шульц, 1981; Филандышева, 2009]. Фенологические признаки сезонов неизменны (появление первых всходов и листопад, ледостав и ледоход, первые цветы, последние стаи птиц и т. д.), как и временная их последовательность [Соловьев, 2005]. А вот сроки наступления и окончания этих сезонных явлений связаны с периодическим изменением радиационного режима, а следовательно, и зависящего от него термического режима. Поэтому объективным показателем, отражающим динамику всех компонентов кли-матообразования, а также сезонную ритмику ландшафта, является среднесуточная температура воздуха [Рутковская, 1979; Филандышева, 1982, Окишева, 1984, Ромашова, 2004; Филандышева, 2009; Курьина и др., 2013]. Исследование динамики естественной сезонной ритмики климата дает возможность установить связь между глобальными и региональными изменениями климата, а также их влиянием на функционирование ландшафтов и жизнедеятельность человека [Минин, 2000; Кузнецова, Гребенюк, 2016; Оки-шева, Филандышева, 2013]. При таком подходе сроки наступления сезонов года и их феноиндикаторов будут варьировать по годам в зависимости от складывающих климатообуславливающих факторов [Фриш и др., 1976; Шульц, 1981]. Рис. 1. Ландшафтные зоны и провинции Западно-Сибирской равнины [Гвоздецкий, Михайлов, 1978] Fig. 1. Landscapes and provinces of the West Siberian Plain [Gvozdetsky, Mikhailov, 1978] Надежный анализ изменчивости и изменения климата невозможен без достаточно длинных временных рядов изучаемых показателей [Бюллетень ВМО, 2016]. Материалом для установления и анализа изменения временных характеристик сезонов года на территории подтайги ЗСР послужили значения температуры (среднесуточной, минимальной и максимальной) приземного слоя воздуха суточного разрешения из базы данных ВНИИГМИ - МЦД за период с 1936 по 2015 г. по метеостанциям Тюмень и Томск, расположенным на западе и востоке подзоны соответственно (см. рис. 1). На основе этих данных для каждой станции были построены графики многолетнего хода температур за три периода: первый -с 1936 по 1970 г., второй - с 1971 по 2006 г., третий - с 2001 по 2015 г. Их продолжительность вполне достаточная (35 лет), так как для вычисления средних многолетних дат с неискаженными влиянием вековых колебаний климата значениями рекомендуется использовать ряды длительностью не свыше 3040 лет [Соловьев, 2005]. За границу между первым и вторым периодами взят 1971 г., так как именно с этого года изменения климата стали наиболее выраженными [Груза, 2004; Шерстюков, 2007; Филандышева, 2012; Изменение климата., 2014]. Некоторые исследователи [Ипполитов и др., 2008] считают, что в Сибири с начала 2000-х гг. отмечаются изменения в температурных тенденциях, поэтому нами был выделен третий период (2001-2015 гг.). Достаточно точное представление о норме и отклонениях фенологических сроков дает обработка рядов наблюдений за 15 лет и более, гарантирующих высокую вероятность того, что в течение такого периода учитываются почти все возможные варианты хода сезонного развития местной природы [Соловьев, 2005]. Поэтому продолжительность выделенного нами третьего периода (с 2001 по 2015 г.) также можно считать репрезентативной. Закономерности изменений климатического режима изучались методами математической статистики, включая тренд-анализ, а также методом сравнения. Полученные результаты Особенности изменения термического режима в подтайге ЗСР нами были рассмотрены на основе анализа хода ежегодных значений среднегодовых температур приземного слоя воздуха и их линейных трендов (рис. 2), рассчитанных за период с 1936 по 2015 г. по ст. Тюмень (запад подзоны) и ст. Томск (восток подзоны) (см. рис. 1). Сопоставление графиков (рис. 2) показало наличие положительной тенденции в изменении годовых величин температуры воздуха на обеих станциях с практически равными значениями коэффициентов линейных трендов: +0,25°С / 10 лет (Тюмень) и +0,26°С / 10 лет (Томск). Следует отметить, что абсолютные значения данного термического показателя на этих станциях заметно отличаются. Так, на ст. Тюмень средний уровень среднегодовой температуры воздуха за 75 лет составил +1,4°С, на ст. Томск почти в четыре раза ниже -+0,3°С, но при этом от начала тренда к его концу на восточной станции температуры воздуха выросли больше (с -0,7 до +1,3°С), чем на западной (с +0,7 до +2,2°С). Вышесказанное свидетельствует о том, что, несмотря на долготные различия в термическом режиме, климат во всей подтайге ЗСР периода с 1936 по 2015 г. изменился в сторону потепления. Для анализа динамики временных характеристик климатических сезонов года за период с 1936 по 2015 г. нами на основе средних многолетних среднесуточных температур воздуха за указанные выше три периода с использованием критериев, обоснованных раннее [Рутковская, 1979; Филандышева, 1982, Филандышева, 2009], были определены средние многолетние даты начала, конца и продолжительности сезонов (таблица). Анализ динамических изменений данных показателей начнем с осеннего сезона. Осень - переходный климатический сезон от лета к зиме. Это время быстрого изменения всех метеорологических элементов, появления нового компонента геокомплекса - временного снежного покрова, прекращения вегетации растений и перехода их в конце сезона в состояние покоя. В течение осеннего сезона происходит разрушение летней структуры ландшафта и становление зимней [Рутковская, 1979]. у 0,0257х-0,7089 R2 0,2627 и ш щ со со оз сл с? О ^ со rN ОООо о о о N М ГЧ N Годы OriClClOClClClCTClClCTClClCTliJl v = 0,0241х - 0,6402 RJ = 0,2518 Г^Г^-СОСОСОС^С^ОООтгН hhththhhhnnnn Годы Рис. 2. Изменение среднегодовых температур за период с 1936 по 2015 г. на ст. Тюмень (вверху) и ст. Томск (внизу) о СС Fig. 2. Change ап average annual temperatures for the period from 1936 to 2015 at weather stations Tyumen (top) and Tomsk (below) Временные характеристики сезонов года в подтайге Западно-Сибирской равнины Time characteristics of the seasons in the subtaiga of the West Siberian Plain Период Осенний сезон Зимний сезон Весенний сезон Летний сезон (годы) Дата начала Дата конца Д1 в днях Дата конца Д1 в днях Дата конца Д1 в днях Дата конца Д1 в днях Метеостанция Томск Первый (1936-1970) 8.09 31.10 54 24.03 144 16.05 53 7.09 114 Второй (1971-2006) 11.09 1.11 55 20.03 136 13.05 54 10.09 120 Третий (2001-2015) 12.09 6.11 56 16.03 131 08.05 52 11.09 126 Метеостанция Тюмень Первый (1936-1970) 15.09 05.11 52 22.03 137 12.05 51 14.09 125 Второй (1971-2006) 18.09 09.11 53 12.03 123 11.05 60 17.09 129 Третий (2001-2015) 23.09 27.11 66 01.03 94 06.05 66 22.09 139 Примечание. Д1 - продолжительность сезона в днях. Note. Д1 - duration of the season in days. Его началу соответствует устойчивый переход зов. В Тюмени динамические изменения временных средней суточной температуры воздуха ниже +10°С, характеристик осеннего сезона сравниваемых вреа концу (началу зимы) - даты образования устойчи- менных отрезков следующие: во втором и третьем вого снежного покрова и начала устойчивых моро- периодах даты начала и конца сезона сместились на более поздние сроки по сравнению с первым - на 3 и 7 дней и 4 и 22 дня соответственно. На ст. Томск указанные временные показатели также стали наступать позднее: так, начало сезона отступило во втором периоде, по сравнению с первым, на 3 дня, в третьем - на 5 дней, а конец - на 1 и 6 дней соответственно. Это привело к увеличению продолжительности осени, причем более заметному на западе подзоны, чем на ее востоке (в Тюмени - на 14 дней, тогда как в Томске - на 2 дня) (см. таблицу). Зима в умеренных широтах является одним из двух основных сезонов годового цикла. Ее погодные условия определяют как особенности функционирования природных геосистем, так и организацию различных сфер хозяйственной деятельности человека в течение длительного времени. За границы зимнего сезона в его начале принимаются даты образования устойчивого снежного покрова и начало устойчивых морозов, а в конце - даты прекращения устойчивых морозов и достижения максимальных запасов воды в снежном покрове. Следует сказать, что продолжительность зимнего сезона с 1970-х гг. в подтаежной зоне заметно сократилась, особенно на ст. Тюмень - на 40 дней (со 137 до 94 дней), на ст. Томске - на 13 дней (с 144 до 131 дня) (таблица). Сжатие во времени зимнего сезона связано со смещением даты его начала на более поздние (это было показано при анализе окончания осени), а даты его конца - на более ранние сроки (с 22 марта на 01 марта - ст. Тюмень, с 24 марта на 16 марта - ст. Томск). Весна характеризуется быстрым нарастанием солнечного тепла, поступающего на земную поверхность, таянием и ликвидацией снежного и ледового покрова, размерзанием, а затем и прогреванием поч-вогрунтов. Началу весеннего сезона соответствуют критерии, указанные выше для определения окончания зимнего сезона, а концу - устойчивый переход среднесуточных температур воздуха выше +10°С. Ранее были описаны изменения дат конца зимы, которые знаменуют начало следующего сезона - весны, поэтому их анализ мы повторять не будем и рассмотрим только динамику сроков ее окончания. Весенний сезон в третьем периоде, по сравнению с первым, стал заканчиваться раньше на 6 дней на западе и на 8 дней на востоке (см. таблицу). В соответствии с особенностями динамики дат начала и конца сезона изменилась и его продолжительность. На ст. Тюмень она увеличилась почти на две недели (с 51 дня первого периода до 66 дней третьего), на ст. Томск длина сезона изменялась незначительно в пределах 52-54 дней. Весна и осень - это переходные сезоны года, в течение которых происходит перестройка барического поля Земли от одного главного сезона к другому, поэтому их погодные условия характеризуются как самые неустойчивые. Летний сезон в условиях умеренного климата, где четко обозначены все четыре климатических сезона, является главным временем года, в течение которого активно протекают энергетические процессы, обеспечивающие бесперебойную жизнедеятельность биоценозов, в том числе культурных. Благоприятные температурные условия, продолжительный световой день, большое количество часов солнечного сияния - всё это делает летний сезон наиболее комфортным для осуществления разных видов хозяйственной деятельности. Началу и концу лета соответствует устойчивый переход среднесуточной температуры воздуха через +10°С (на ветви подъема и спада температур соответственно). Особенности динамических изменений дат начала данного сезона показаны при характеристике окончания весеннего сезона, а конца - начала осеннего. Общей тенденцией для рассматриваемых станций является смещение дат начала лета от первого периода к третьему на более ранние сроки, а конца - на поздние, но пространственно эти процессы протекали с разной интенсивностью (см. описание выше). Продолжительность летнего сезона в подтайге ЗСР с 1900-х гг. в среднем увеличилась на 12-14 дней (на ст. Тюмень со 125 до 139 дней, на ст. Томск - со 114 до 126 дней). Следует подчеркнуть, что на ст. Тюмень в третьем периоде его длина стала существенно превосходить продолжительность зимнего сезона - на 45 дней, и доля лета в годовом цикле возросла до 38% (вместо 34,2% в первый период), а зимнего -уменьшилась до 25,8% (вместо 37,5% первого). В результате летний сезон стал главным в структуре годового цикла. На ст. Томск по продолжительности зима и лето практически сравнялись - их длина в третьем периоде составила 131 и 126 дней соответственно, тогда как в первом периоде это соотношение было 144 и 114 дней. Более заметное сокращение продолжительности холодного сезона в западной части подтайги свидетельствует о более заметном смягчении климата в Приуральской части подтаежной зоны за счет глобального потепления, чем на востоке. Обсуждение результатов В Северном полушарии последние три десятилетия (с 1983 по 2015 г.) были самым теплым периодом за 1400 лет, а период 2011-2015 гг. был самым жарким за всю историю наблюдений [Смирнова, 2013; Бюллетень ВМО, 2016]. При этом 2015 г. с весьма значительным отрывом от предыдущих лет явился самым теплым за всю историю наблюдений, превысив на 0,74°С среднее значение за 1961-1990 гг. Проведенный анализ свидетельствует о том, что в под-тайге Западно-Сибирской равнины потепление климата стало наблюдаться ещё в 1970-е гг. [Ромашова, 2004; Филандышева, 2012, Филандышева, Сорока, 2013; Окишева, Филандышева, 2015]. Это нашло отражение и во временных характеристиках естественных сезонных ритмов во всей зоне подтайги, где от первого периода к двум последующим произошли следующие изменения в сроках сезонов года. Так, даты начала весеннего и летнего сезонов стали наступать раньше, как и даты окончания зимнего и весеннего, а даты начала осеннего и зимнего - позднее. В соответствии с этим изменились их продолжительность и соотношение межу ними в годовом цикле. Заметно увеличилась доля летнего сезона во всей подзоне: в Томске - с 31% в первом периоде до 34,5% в третьем, а в Тюмени - с 34,3 до 38,1%. При этом в западной части подтайги лето стало главным сезоном ещё в 1970-х гг. В связи с этим в последние 35-40 лет отмечается увеличение продолжительности периода вегетации (период с температурами воздуха выше +5°С) на территориях Западной Сибири (за исключением северных районов: п-ва Ямал, Таймыр и прилегающих к ним территорий). Среднее увеличение продолжительности периода вегетации составляет сейчас от 5 до 10 дней [Россия и сопредельные страны, 2008]. Выраженная тенденция смещения начала лета на более ранние сроки, а конца - на более поздние, свидетельствует об устойчивом повышении температуры воздуха первой декады мая в первом случае и первой-второй декад сентября - во втором. Исследуемому периоду (с 1936 по 2015 г.), согласно графику хронологического хода, свойственна тенденция к отступлению даты конца летнего сезона на более поздние сроки примерно на 0,5 дня за 10 лет. Самое заметное изменение временных характеристик отмечается в зимнем сезоне года. В последний исследуемый нами период зима стала намного короче, чем в первый: в Томске его доля в годовом цикле уменьшилась с 39,5 до 35,9%, а в Тюмени ещё значительнее - с 37,5 до 25,7%. Выявленная тенденция смещения начала зимы во втором периоде (начала устойчивых морозов и устойчивого формирования снежного покрова) на более поздние сроки свидетельствует об устойчивом повышении температуры воздуха ноября, особенно его первых двух декад. В целом за весь период с 1936 по 2015 г. дата конца зимы имеет тенденцию к смещению на более поздние сроки с коэффициентом линейного тренда +2,3 дня за 10 лет. Большее уменьшение продолжительности холодного сезона на западе подтайги (зима сократилась на 31% в третьем периоде в сравнении с первым) говорит о том, что под влиянием глобального потепления климата смягчение его протекает быстрее в Приуральской части подтаежной зоны ЗСР, чем в Приенисейской, где указанная разница составила только 10%. Анализ временных характеристик переходных сезонов показал, что их изменения более заметны в западной части, чем в восточной, особенно осенью (см. таблицу). В результате проведённого исследования были установлены следующие общие и индивидуальные пространственно-временные тенденции естественных сезонов года в подтаёжной подзоне ЗападноСибирской равнины: 1) смещение временных характеристик от первого периода к двум последующим: дат начала весеннего и летнего сезонов - на более ранние сроки, дат начала осеннего и зимнего сезонов - на более поздние, дат конца зимнего и весеннего сезонов - на более ранние сроки; 2) изменение продолжительности сезонов года и соотношения между ними в годовом цикле; 3) разные сезоны года становятся главными: в Тюмени - лето, в Томске - зима; 4) более существенные изменения временных характеристик в западной части подтайги Западной Сибири; 5) разница в продолжительности трёх сезонов (весны, лета, осени) в третьем периоде между метеостанциями Тюмень и Томск, удалёнными друг от друга на 1 178 км, составляет более двух недель, а зимы - более месяца. Общие тенденции изменений в рассматриваемом регионе связаны с тем, что Западно-Сибирская равнина - единая физико-географическая страна с равнинным рельефом, ярко выраженной широтной зональностью и долготными изменениями внутри природных зон. Заключение Изменение климата является одним из основных современных вызовов. Так, например, непредсказуемость погодных условий, которая ставит под угрозу производство продовольствия, повышение уровня моря, которое увеличивает риск природных катастроф, являются последствиями изменения климата и имеют глобальный характер и беспрецедентные масштабы. Первое десятилетие нынешнего века стало самым теплым в истории наблюдений за климатом, а в 2016-2035 гг., по прогнозам экспертов, средняя температура может вырасти еще на 0,3-0,7°С. Это найдёт отражение в изменении пространственно-временных характеристик естественных климатических сезонов года. В настоящее время особый научный и практический интерес представляет подтайга, испытывающая антропогенное и природное воздействия. Анализ многолетних изменений климатических характеристик сезонных ритмов зоны под-тайги Западно-Сибирской равнины путем сопоставления показателей, рассчитанных за три периода (1936-1970, 1971-2006, 2001-2015 гг.), выявил основные тенденции в динамике временных характеристик. В соответствии с изменениями дат начала и конца фаз изменилась и их продолжительность. Установленные при обосновании границ сезонов года взаимосвязи между климатическими критериями начала (конца) структурных единиц и особенностями развития биотической составляющей ландшафта позволяют считать, что анализ динамики временных изменений естественных сезонных ритмов дает возможность оценить меняющиеся условия функционирования ландшафтов, рассмотреть направления их дальнейшего развития и организации хозяйственной деятельности человека.

Скачать электронную версию публикации