Тобратов С.А. Климатические условия, ресурсы и опасные

Климатические условия, ресурсы и опасные погодно-климатические процессы
Климатические условия в широком понимании – совокупность компонентов и процессов
климатической системы, оказывающих прямое или косвенное влияние на процесс общественного
производства, здоровье населения и социально-культурную сторону жизни общества.
Климатические ресурсы – та составная часть условий, которая целенаправленно вовлечена в
производство товаров и услуг, т.е. получение прибыли; при этом она может в той или иной форме
отчуждаться из природной среды. К климатическим ресурсам относят такие вещественноэнергетические компоненты природы, как солнечная радиация, атмосферное тепло, осадки,
продуктивная влага почвы, энергия движения воздушных масс, а также оптимальные сочетания
метеоэлементов (могут потребляться как оздоровительные и рекреационные ресурсы). По
сравнению с другими видами природных ресурсов климатические, как правило, характеризуются
«бесплатностью» и резко выраженной вероятностностью проявлений, что приводит к
определенным трудностям в их оценке: их невозможно оценить по затратам на извлечение и
использование, а для анализа социально-экономического эффекта приходится использовать
категорию риска [20]. Наименее дискуссионными остаются традиционные способы оценки:
характеристика пространственных различий в обеспеченности климатическими ресурсами и анализ
их динамики во времени, о чем и будет сказано ниже.
Особую группу климатических условий жизни человека составляют стихийные
гидрометеорологические явления (СГЯ) – погодные процессы или комплексы метеоэлементов,
которые по своей интенсивности и продолжительности могут нанести значительный ущерб
экономике и представляют угрозу безопасности людей [20]. Согласно РД 52.04.563-96, к СГЯ,
кроме морских и гидрологических явлений (наводнения, сели и др.) относятся заморозки,
атмосферные и почвенные засухи, суховеи, переувлажнение почвы, гололедно-изморозевые
отложения, экстремальные температуры, интенсивные туманы, метели, значительные осадки,
сильные ветры (в т.ч. смерчи), грозы, град.
Источниками информации для оценки климатических параметров, наиболее значимых для
народного хозяйства, послужили как среднемноголетние данные [1,3,4,13,19], так и результаты
метеонаблюдений начала XXI в. (главным образом за 2001-2003 гг.). Последние необходимы для
анализа последствий современных изменений климата в их отношении к общественному
производству (в основном сельскому и лесному хозяйству). Подчеркнем, что данные последних
нескольких лет сами по себе – вне более продолжительного ряда наблюдений – обладают
ограниченной информативностью из-за малого объема выборки, но они позволяют дать оценку
пространственных различий метеоэлементов и общей направленности климатических изменений.
Проведенная оценка позволила установить взаимосвязи климата и его ресурсов со
структурой природных комплексов, в первую очередь с наиболее «сильным» их компонентом –
литогенной основой. Наиболее значимыми факторами представляются:
1) абсолютная высота;
2) контрастность рельефа;
3) экспозиция склонов крупнейших элементов рельефа и конфигурация речных долин;
4) наличие крупных водоемов и глубина залегания грунтовых вод;
5) влияние растительного покрова, главным образом лесов.
Влияние указанных факторов на климатические параметры можно охарактеризовать
следующим образом.
1) Возвышенности отличаются в целом более низкими температурами по причине
относительно пониженного радиационного баланса – следовательно, там снижены
температуры вегетационных периодов, увеличена повторяемость радиационных туманов и
т.д.
2) Контрастный рельеф увеличивает неустойчивость состояния атмосферы, поскольку
порождает импульсы конвекции и вихревые возмущения воздушных потоков (они способны
распространяться вверх до высоты в несколько километров).
3) Наветренные склоны возвышенностей (в условиях умеренного климата – западные)
отличаются большими суммами осадков, вблизи них наблюдается «орографическое
предвосхождение» воздушных масс (это, в частности, приводит к росту повторяемости
1
некоторых СГЯ), к подветренным склонам приурочены нисходящие движения и –
вследствие этого – относительно пониженные влажность воздуха, облачность и осадки,
более высокие температуры (повышаются за счет адиабатического нагревания воздуха при
его оседании). Кроме того, речные долины канализируют воздушные потоки
(«орографическое усиление» ветра) и при совпадении с преобладающими направлениями
ветров усиливают скорость последних.
4) Водоемы, с одной стороны, снижают перегрев поверхности, что неблагоприятно для
термической конвекции, но с другой – являются источникам водяного пара, конденсация
которого в атмосфере конвекцию, наоборот, усиливает. Последнее обстоятельство в ряде
случаев становится важнее. Грунтовые воды непосредственно испаряются весьма слабо, но
оказывают понижающее влияние на температуру почвы.
5) Лесная растительность – важный мезоклиматический фактор, значительно усиливающий
местное испарение (по сравнению с агроценозами), локально увеличивающий радиационный
баланс (примерно на 20-30%) и шероховатость поверхности (подобно неровностям рельефа).
Таким образом, климатические условия и ресурсы, даже несмотря на сравнительно
небольшую площадь Рязанского региона, существенно дифференцированы по его территории, и их
проявления контролируются свойствами природных комплексов. Соответственно меняются
обеспеченность ресурсами тепла и влаги и вероятность реализации СГЯ, причем различия могут
достигать 2 и более раз. Ниже обосновываются закономерности и факторы такой дифференциации.
Агроклиматический потенциал территории характеризуется в первую очередь ресурсами
тепла и влаги: радиационным балансом, суммами осадков (годовыми и вегетационного периода),
влагозапасами почвы, продолжительностью периода вегетации и его термическим режимом. При
этом вегетационный период отождествляется со среднесуточными температурами устойчиво выше
+100С; это – необходимое условие активного формирования урожая. Алгебраическая сумма
среднесуточных температур за указанный период носит название суммы биологически активных
температур  t 10 C . Соотношение тепла и влаги может быть охарактеризовано различными
коэффициентами. В частности, широко используются:
а) коэффициент увлажнения Высоцкого – Иванова (Кувл)
0
Кувл=r/Е0,
(1)
где r – осадки за год, Е0 – годовая испаряемость (максимально возможное испарение при
неограниченных запасах влаги при данной температуре и дефиците насыщения воздуха);
б) гидротермический коэффициент Селянинова (ГТК)
ГТК 
10rВП
,
 t 100 С
(2)
где rВП – сумма осадков за вегетационный период;
в) радиационный индекс сухости Будыко (IR)
IR 
B
,
Lr
(3)
где В – годовой радиационный баланс, Lr – затраты тепла, теоретически необходимые для полного
испарения осадков (L=2501 кДж/кг воды – скрытая теплота испарения).
Неоднородность распределения агроклиматических ресурсов позволила разделить
территорию Рязанской области на 3 агроклиматических района [1]:
I – Мещерская низменность (Клепиковский, Касимовский, северные части Рыбновского,
Рязанского, Спасского районов);
II – север Окско-Донской равнины, частично восточные склоны Среднерусской
возвышенности, главным образом зона широколиственных лесов (Захаровский, Пронский,
Старожиловский, Кораблинский, Пителинский, Ермишинский, Шиловский, Кадомский, частично –
Рязанский, Рыбновский, Спасский, Михайловский, Скопинский районы);
2
IIа – подрайон на Среднерусской возвышенности, отличающийся по ресурсам тепла и влаги
(Милославский, частично Мизхайловский и Скопинский районы);
III – «лесостепная» юго-восточная часть области, от Ряжска до Сасова и Шацка и от
Сапожка до Александро-Невского.
Агроклиматические различия между районами в прошлом и настоящем характеризуются
таблицей 1. Как свидетельствуют ее данные, в настоящее время наблюдается повсеместный рост
температуры и осадков, менее отчетливый – в подрайоне IIа. Величина  t 10 C возросла в среднем на
2000С, осадки – до 170 мм, продолжительность периода вегетации – на 4-8 дней. Практически
исчезли различия между районами II и III, и лесостепной климат на территории области сейчас не
проявляется. В то же время возросла обособленность подрайона IIа, где произошло даже снижение
ГТК, удаление его от оптимального уровня. Очевидно, что это связано с ростом барьерной функции
Среднерусской возвышенности в современную климатическую эпоху: с усиление «западного
переноса» климат ее подветренного склона становится относительно засушливее. Полагаем, что
данной территории следует придать статус района – в случае сохранения климатических трендов в
ближайшие годы.
0
Таблица 1.
Общая характеристика особенностей агроклиматических районов Рязанской области
Показатель,
ед. изм.
 t 100 C , С
0
ГТК
LВП, сут.
r, мм
1965-1989 [1]
Агроклиматические районы и подрайоны (пояснения в тексте)
I
II
IIa
III
2150-2200
2200-2300
2200-2350
2300-2350
начало XXI в.
2350-2420
2400-2500
2400-2450
2500-2550
1965-1989 [1]
1,2-1,3
1,1-1,3
1,1-1,2
1,0
начало XXI в.
1,04-1,35
1,22-1,3
0,87-1,15
1,15-1,26
1965-1989 [1]
137-141
140-144
140-144
141-145
начало XXI в.
143-147
147-151
147-148
148-153
1965-1989 [1]
542
560
557
512
начало XXI в.
670-700
600-680
560-600
600-680
Период
Примечание:  t 10 C – сумма биологически активных температур, ГТК – гидротермический
коэффициент Селянинова, LВП – продолжительность вегетационного периода, r – годовая сумма осадков.
0
Базовым источником энергии для ландшафтов является годовой радиационный баланс (В) –
соотношение прихода и расхода лучистой энергии. Величина В может быть с достаточной
точностью определена расчетным путем, т.к. тесно связана с температурными условиями [14]:
В=378,8tиюль-6,667 t2июль-3180;
(4)
единицы измерения tиюль – 0С, В – МДж/м2*год. Как показано на рис. 1, радиационный баланс на
севере и юге региона различается несущественно, но на Среднерусской возвышенности все же на
2,2% меньше, чем в Мещере. Периоду похолодания 1940-1960-х гг., а также большей части периода
«глобального потепления» (с 1970-х гг.) соответствуют пониженные суммы В, особенно – при
высоком летнем увлажнении, что хорошо видно на примере метеостанции Елатьма,
функционирующей с 1886 г. (рис. 2). Начало XXI в. ознаменовалось ростом В (в 2002 г. – до 2000
МДж/м2*год, или до 48 ккал/см2*год при норме 37-38 ккал), но, как следует из рис. 2, аналогичные
повышения отмечались и ранее. Характерно, что «пики» В обладают определенной
периодичностью и соответствуют годам «великих засух» [24] – 1890, 1936, 1972, 2002, – поскольку
безоблачная погода в блокирующем антициклоне – это не только дефицит осадков, но и рост
потока солнечной энергии, которая является важнейшей приходной статьей баланса. Такие засухи
повторяются каждые 30-45 лет («брикнеровский цикл» увлажненности), максимум очередной из
них пришелся на пожароопасный 2002 год.
3
1900
1800
В, МДж/кв.м в год
1700
1600
1500
1400
1300
Павелец
Елатьма
1200
1100
2004-07*
2000-03
1991-95
1986-90
1981-85
1976-80
1971-75
1966-70
1961-65
1956-60
1951-55
1946-50
1941-45
1936-40
1000
период осреднения
Рис. 1. Внутривековая динамика расчетных величин радиационного баланса в Рязанской области
Примечание: *данные метеостанции Шилово.
1750
120
В
1700
осадки
100
1600
80
1550
60
1500
1450
40
осадки июля, мм/мес
В, МДж/кв.м в год
1650
1400
20
1350
1300
0
1886-95
18961905
1906-15
1916-25
1926-54
1936-45
1946-55
1956-65
1966-75
1976-85
1986-95
19962005
Рис. 2. Основные черты временных изменений годового радиационного баланса и осадков июля
за период инструментальных наблюдений на метеостанции Елатьма
Атмосферная засуха – это прежде всего усиление влияний Азорского и Арктического
антициклонов на Русскую равнину, т.е. явление, управляемое процессами глобального масштаба.
Засушливыми, как правило, оказываются несколько смежных лет, причем это означает не только
рост пожароопасности, но и повышенную вероятность ультраполярных вторжений в зимний период
(например, в январе 2006 г., когда температура опускалась ниже -300С), обострение проблемы
фотохимического смога в городах и т.д. Вследствие этого снижается урожайность, увеличивается
число отказов теплоэнергетического оборудования, растет риск заболеваемости и смертности по
ряду нозологических показателей. Повторяемость указанных процессов, начиная с 2002 г.,
постепенно снижается (и радиационный баланс, соответственно, приближается к многолетней
норме – рис. 1), но их вероятность еще остается высокой (арктические вторжения в феврале и
тропические – в августе 2007 г.). Тем не менее, последняя «великая засуха» происходила уже в
условиях принципиально иного климата, одной из наиболее устойчивых черт которого является
4
рост осеннее-зимних осадков [24], чего не наблюдалось в предшествующие аналогичные эпохи
(рис. 3). Это дает возможность снижать неблагоприятные эффекты летней атмосферной
засушливости за счет мероприятий, направленных на аккумуляцию снеговых вод в пахотных
почвах (в частности, путем организации стокорегулирующих лесополос, лункования и
бороздования при зяблевой вспашке).
80
1886-1895
70
1936-1945
1998-2007
осадки, мм/мес
60
50
40
30
20
10
0
я
ф
м
а
м
и
и
а
с
о
н
д
месяцы года
Рис. 3. Внутригодовой ход атмосферных осадков в наиболее сухие десятилетия,
соответствующие максимумам радиационного баланса (данные метеостанции Елатьма)
Рост продолжительности вегетации – одно из последствий современных климатических
изменений (рис. 4): в период похолодания середины ХХ в. данная продолжительность была меньше
в среднем на 4-5 сут., и даже в начале прошлого века она уступала современной около 2 сут. В
некоторые годы вегетация на севере области длится дольше, чем на юго-западе (в частности, в
начале 1950-х гг., в 1972, 1981, 2002 гг.). Как правило, это наблюдается в более сухие годы, при
господстве антициклонов (в ясную сухую погоду возвышенности выхолаживаются заметно
интенсивнее). Характерно также, что в последние 30-40 лет (т.е. в период «глобального
потепления») установилась отрицательная зависимость между осадками вегетационного периода и
150
Елатьма
Павелец
длительность, сутки
145
140
135
130
125
1999-2003
1991-95
1986-90
1981-85
1976-80
1971-75
1966-70
1961-65
1956-60
1951-55
1946-50
1941-45
1936-40
120
периоды осреднения
Рис. 4. Изменения продолжительности вегетационного периода на севере и юге Рязанской области
с 1930-х гг. по настоящее время
5
его длительностью: коэффициенты корреляции в середине ХХ в. равнялись нулю, а сейчас
составляют не менее -0,50 как на севере, так и на юге области. Следовательно, установилась более
тесная связь между вегетацией и синоптическими процессами: рост ее продолжительности
обусловлен большей повторяемостью антициклонов и, к сожалению, сопряжен со снижением
увлажненности территории в летний период.
Несмотря на рост вегетационного периода в начале XXI в., пространственные
закономерности его продолжительности существенно не изменились (рис. 5), и в изолиниях попрежнему отражаются границы большинства агроклиматических районов и подрайонов.
Исключением является третий район («лесостепной»), поскольку в настоящее время более
континентальный климат наблюдается не на юго-востоке, а на юго-западе области (подрайон IIа), в
условиях возвышенного рельефа. Аналогичные закономерности характерны и для распределения
сумм активных температур (рис. 6). Отклонение изолиний на указанных картах от широтного
простирания в конечном счете определяется масштабными возмущениями, которые вносит
Среднерусская возвышенность в атмосферную циркуляцию. В несколько меньшей степени это
сказывается на  t 10 C (рис. 6).
Дефицит летних осадков – важный лимитирующий фактор роста растений. На рис. 7
показаны закономерности динамики осадков и температуры июля на севере и юге Рязанского
региона на протяжении последних 70 лет (для устранения низкочастотных колебаний данные
подвергнуты осреднению). Отчетливо заметна отрицательная взаимосвязь между температурой и
осадками (особенно для метеостанции Павелец), причем современный высокий температурный фон
– явление не уникальное: в экстремально сухие 1930-е гг. в июле было столь же тепло. Вполне
очевидны также различия режимов летнего увлажнения на севере и юге региона. Так, вплоть до
начала 1970-х гг. количество осадков на метеостанциях Павелец и Елатьма менялось в
противофазе; затем произошли настолько принципиальные изменения климата, что колебания
резко изменились на синхронные. Синхронность в основных чертах сохраняется и сейчас, но на
фоне углубления различий в суммах июльских осадков: «ветровая тень» Среднерусской
возвышенности становится все менее увлажненной, тогда как на северо-востоке области осадки
планомерно возрастают. Кроме того, в климатическом режиме июля отражается «брикнеровский
цикл» увлажненности (в Павельце – непрерывно, в Елатьме – только с 1970-х гг.), а в последние
годы отмечена синхронность с 11- и 22-летними ритмами солнечной активности. Резкие
спонтанные изменения цикличности атмосферных процессов – характерная черта климата ХХ в.,
причем прогнозировать подобные изменения, их направленность и характер до сих пор невозможно
[7]. Инерционный прогноз позволяет утверждать, что в ближайшие годы должна начаться новая
фаза роста осадков июля (минимум, очевидно, пройден в 2007 г.). Однако нельзя исключать
очередных изменений в циклах атмосферного влагооборота.
Как показано на рис. 8, первые годы «глобального потепления» (1970-е, рубеж 1880-90-х
гг.) отличались максимальной за всю историю метеонаблюдений увлажненностью вегетационных
периодов (май – сентябрь). Сейчас увлажненность относительно снизилась, но находится на
высоком уровне 1910-20-х гг. (тогда над Русской равниной наблюдалась повышенная
циклоническая активность), причем при температурном фоне, свойственном в прошлом, наоборот,
экстремально сухим годам (1930-е). Следовательно, агроклиматический потенциал региона сейчас
выше, чем в начале и середине прошлого века.
Гидротермический коэффициент Селянинова (2) – «коэффициент увлажнения
вегетационного периода» – характеризует сбалансированность ресурсов тепла и влаги в период
активной вегетации. Он позволяет дать приближенную оценку благоприятности климата для
сельскохозяйственных культур. По данным большинства авторов (обобщены в [24]), максимальные
урожаи зерновых отмечаются при ГТК=1,2; значения свыше 2,0 свидетельствуют о значительном
переувлажнении (наблюдалось в 1978, 1990, 1993); ГТК менее 0,6 соответствует сильной и очень
сильной засухе (отмечалась в области повсеместно в 1936, 1938, 1972 гг., в 1981 и 2002 гг. – только
в Мещере). Анализ динамики ГТК (рис. 9) показывает, что происходящие изменения направлены в
сторону оптимизации увлажнения: тенденция к переувлажнению 1970-1980-х гг. сейчас не
проявляется, а среднее значение ГТК за период «глобального потепления» (начиная с 1970 г.)
практически точно составляет – на севере и на юге области – «оптимальное» значение 1,2 (против
1,0 в середине ХХ в.).
6
0
Рис. 5. Продолжительность вегетационного периода (в сутках) в Рязанской области
(данные 2001-2003 гг.)
Рис. 6. Распределение сумм активных температур  t 10 C (0С) на территории Рязанской области
(данные 2001-2003 гг.)
0
7
120
25
осадки
температура
100
20
15
t, град.
мм/месяц
80
60
10
40
5
20
0
0
1936-40 1941-45 1946-50 1951-55 1956-60 1961-65 1966-70 1971-75 1976-80 1981-85 1986-90 1991-95
19962000
2001-03 2004-07*
период осреднения
а) Павелец
80
25
осадки
температура
70
20
50
15
t, град.
осадки, мм/мес
60
40
10
30
20
5
10
2001-03
1996-2000
1991-95
1986-90
1981-85
1976-80
1971-75
1966-70
1961-65
1956-60
1951-55
1946-50
1941-45
0
1936-40
0
периоды осреднения
б) Елатьма
Рис. 7. Закономерности многолетней динамики температуры и осадков июля
в различных природных районах Рязанской области
Примечание: *данные метеостанции Шилово.
Отметим также, что на Среднерусской возвышенности (метеостанция Павелец) рост ГТК
менее устойчив и характерен в основном для «перебоев» западного переноса, т.е. более засушливых
лет (в особенно дефицитные по летним осадкам 1937, 1940, 1953, 1972, 1981, 2002 гг. ГТК в северовосточной Мещере был в 1,5-2 раза меньше). Это объясняется лучшими условиями выпадения
ливневых осадков (как конвективных, за счет местного испарения, так и фронтальных) в условиях
рельефа возвышенности, а также тем обстоятельством, что при господстве антициклональных
режимов их реализация на востоке области вероятнее, чем на юге и западе.
8
450
17
осадки
температура
400
16,5
16
300
15,5
250
15
200
t, град.
мм за май-сентябрь
350
14,5
150
14
100
13,5
50
2004-07*
1999-2003
1991-95
1986-90
1981-85
1976-80
1971-75
1966-70
1961-65
1956-60
1951-55
1946-50
1941-45
1936-40
1931-35
1926-30
1921-25
1916-20
1911-15
1906=10
1901-05
1896-1900
1891-95
13
1886-90
0
периоды осреднения
Рис. 8. Вековой ход температуры и увлажненности вегетационного периода
за период инструментальных наблюдений по данным метеостанции Елатьма
Примечание: *данные метеостанции Шилово.
1,8
Павелец
1,6
Елатьма
1,4
ГТК
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
2004-07*
1999-2003
1991-95
1986-90
1981-85
1976-80
1971-75
1966-70
1961-65
1956-60
1951-55
1946-50
1941-45
1936-40
0
периоды осреднения
Рис. 9. Гидротермический коэффициент Селянинова
в зависимости от этапов климатической динамики и ландшафтных условий
Примечание: *данные метеостанции Шилово.
В настоящее время отмечается достаточно устойчивая тенденция снижения осадков в
середине вегетационного периода и роста их в начале и в конце его, главным образом в июне и
августе (рис. 10). Июль, таким образом, перестает быть самым влажным месяцем года, что
наиболее характерно для юга региона. Это может отрицательно влиять на продуктивность
природных и культурных ландшафтов [14], однако при сохранении в почве влаги осадков,
выпавших в предыдущие месяцы, неблагоприятные последствия могут не проявиться.
9
100
100
Елатьма
80
80
70
70
60
50
40
Елатьма
Павелец
Шилово*
90
Павелец
осадки, мм/мес
осадки, мм/мес
90
60
50
40
30
30
20
20
10
10
0
0
м
и
и
а
с
м
и
месяцы теплого периода
и
а
с
месяцы теплого периода
а) 1970-1979
б) 1998-2007
Рис. 10. Изменчивость осадков по месяцам вегетационного периода
на различных этапах периода «глобального потепления»
Примечание: * метеостанция Шилово: данные 2003-2007 гг.
Запасы продуктивной влаги в почве – важнейший агроклиматический ресурс,
непосредственно определяющий урожайность сельскохозяйственных культур и возможность
использования естественных пастбищ для животноводства. Для их оценки использовались
эмпирические уравнения [14], связывающие влагозапасы в пахотном (W20) и метровом (W100) слоях
почвы с интегральным коэффициентом увлажнения Кувл (1):
W20=17,88 Кувл+1,29 К2увл-3,6;
W100=77,54 Кувл+8,96 К2увл-8,6.
(5)
(6)
Указанный коэффициент, в свою очередь, связан с ресурсами тепла и влаги:
Кувл=0,001362rгод-0,1069tиюль+2,25.
(7)
Расчеты представительны для суглинистых почв водоразделов при отсутствии подпирающего
действия грунтовых вод.
Результаты оценки почвенных влагозапасов даны на рис. 11, где показано, что современный
период климатической динамики отличается их максимальными значениями, которые были
особенно высоки в конце 1970-х гг. Примечательно, что на севере области уровень расчетных
влагозапасов в настоящее время растет, несмотря на снижение осадков июля и вегетационного
периода в целом (рис. 7 и 8) – благодаря влиянию зимних осадков. Тем не менее, максимальная
интенсивность роста растений отмечается при существенно больших почвенных влагозапасах:
оптимум увлажненности соответствует 0,7-0,9 наименьшей влагоемкости (влажности разрыва
капилляров) [15], а последняя, в свою очередь, составляет для пахотного слоя суглинистых почв 43
мм, для метрового слоя – 184 мм (для песчаных почв – в 1,7 раза больше) [14]. Соответственно,
современное содержание продуктивной влаги на севере и юге области находится на уровне
соответственно 71% и 65% от оптимума, так что оросительные мелиорации по-прежнему
сохраняют актуальность. Тем не менее, еще 50 лет назад – в иную климатическую эпоху – ресурсы
почвенной влаги были в 2 раза ниже оптимальных. При этом климатически обусловленный недобор
урожая составлял 20%; в конце 1930-х гг. он доходил до 40-50%, что вызвало широко известную
череду предвоенных неурожайных лет.
Расчетные величины почвенных влагозапасов не позволяют оценить динамические аспекты
водопотребления в различных ландшафтных условиях, для чего необходимо рассмотреть
составляющие местного влагооборота – испарение и осадки.
10
140
W20 (Павелец)
W100 см (Павелец)
запасы влаги в почве, мм
120
W100 см (Елатьма)
100
80
60
40
20
1991-95
1986-90
1981-85
1999-2003
пе риоды осре дне ния
1976-80
1971-75
1966-70
1961-65
1956-60
1951-55
1946-50
1941-45
1936-40
0
Рис. 11. Изменения почвенных влагозапасов в зависимости от климатических условий
(расчетные данные)
Географические закономерности осадков теплого периода иллюстрируются картосхемой
(рис. 12), составленной нами по данным 14 метеостанций Рязанской области и смежных регионов
за 2001-2003 гг. В целом наблюдается достаточно высокая равномерность осадков: от СпасКлепиков до Шацка и от Рязани до границы с Республикой Мордовия за вегетационный период
выпадает 300-315 мм (по среднемноголетним данным – 240-250 мм [19]). На фоне такой
равномерности заметны эффекты «барьерного подножия» и «барьерной тени», обусловленные
влиянием Среднерусской возвышенности: западный ее склон (в пределах Тульской области)
увлажнен в 1,5-2 раза лучше, чем восточный, подветренный (крайний юго-запад области –
Скопинский и Милославский районы). «Барьерная тень» возвышенности простирается до
окрестностей Рязани. На северо-востоке области аналогичное влияние на летние осадки оказывает
Ковров-Касимовское плато и – в гораздо меньшей степени – Окско-Цнинский вал (в зимний период
такие процессы здесь не развиты, а на юго-западе региона – в условиях более масштабного
орографического препятствия – барьерный эффект проявляется и зимой). В целом под влиянием
крупных неоднородностей рельефа изолинии сумм осадков идут субмеридионально, и лишь на
границе с Липецкой и Тамбовской областями начинают проявляться зональные закономерности.
Рост сумм летних осадков и орографические влияния на них свидетельствуют, что в последние
годы вклад адвекции в увлажненность территории увеличивается, а местного испарения –
уменьшается.
Для оценки обеспеченности сельскохозяйственных культур ресурсами атмосферной влаги
осадки вегетационного периода были сопоставлены с суммами испарения (Е) и испаряемости (Е 0).
Испарение с поверхности почвы определялось по методу Константинова [15], испаряемость – по
модифицированной формуле Иванова:
Е0,ВП=[0,0018(25+tср)2(100-fср)]*LВП,
(8)
где Е0,ВП – сумма испаряемости, мм за вегетационный период; tср и fср – средние температура (0С) и
относительная влажность (%) вегетационного периода; LВП – его продолжительность в месяцах.
В отличие от осадков, испарение теплого сезона (рис. 13) более зонально, а его
пространственная картина существенно однороднее (коэффициенты вариации для осадков и
испарения – соответственно 15% и 5%). К югу природной зоны смешанных лесов приурочена
полоса максимальных величин испарения (380-410 мм; на возвышенных участках – например на
11
Ковров-Касимовском плато – несколько меньше, около 370 мм). Минимальных величин (350-340
мм) испарение достигает как на юге и юго-западе региона (главным образом из-за дефицита
осадков), так и в северной Мещере (недостаток летнего тепла). Испаряемость также в основном
зональна и возрастает от северных к южным границам области от 400 до 500 мм за период
вегетации. Исключением являются крупные речные долины (в основном расширения пойм Оки и
Мокши), где испаряемость заметно снижается (например, в Шилове – до 375 мм) вследствие роста
влажности воздуха.
В целом по региону фактическое испарение вегетационного периода составляет лишь 77%
от своей максимально возможной величины (испаряемости). Исключение представляют собой
также ландшафты окской поймы (метеостанция Шилово: Е=Е0), а в условиях возвышенностей
(Среднерусская, Ковров-Касимовское плато) различия особенно велики (рис. 14). Испарение,
близкое к испаряемости – критерий оптимальности водопотребления растений, и пониженное
соотношение Е/Е0 указывает на недобор урожая.
1
0,9
V/Vo
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
Лев Толстой (ЛО)
Волово (ТуО)
Елатьма
Выкса (НО)
Темников (РМ)
Павелец
Ряжск
Тума
ГусьХрустальный
(ВО)
Рязань
Сасово
Третьяково (МО)
Моршанск (ТаО)
Шилово
0,3
метеостанции
Рис. 14. Отношение фактического испарения (V) к испаряемости (V0) по метеостанциям Рязанской
области и смежных регионов
Примечание: ВО – Владимирская область, ЛО – Липецкая область, МО – Московская область, РМ –
Республика Мордовия, ТаО – Тамбовская область, ТуО – Тульская область.
Также выявлено, что испарение мая – сентября в значительной степени обеспечивается
влагозапасами зимы и первой половины весеннего сезона: летние осадки меньше фактически
наблюдаемого испарения везде, кроме наветренных склонов Среднерусской возвышенности – уже
за пределами области (рис. 15). Дефицит осадков вегетационного периода (rВП) особенно ощутим в
«ветровой тени» возвышенностей и отчасти в долине Оки, где преобладают нисходящие
воздушные потоки, несовместимые с осадками; в Мещере дефицит сохраняется, но из-за более
низких летних температур становится небольшим (около -20 мм).
Отчетливо обособляются районы, где дефицит rВП сопряжен с пониженным соотношением
Е/Е0 (пониженными считались значения меньше медиан соответствующих выборок). Это
свидетельствует о том, что на таких территориях зимне-весенние осадки, аккумулированные в
почвогрунтах, не способны сколь-нибудь существенно компенсировать дефицит летнего
увлажнения. В настоящее время это наблюдается на юго-западе, крайнем юге области и КовровКасимовском плато (резко дефицитные по осадкам территории на рис. 15); здесь регулирование
водного режима сельхозугодий наиболее актуально. Если, несмотря на низкие значения Е/Е0,
дефицит rВП выражен слабо, то имеют место безвозвратные потери летних осадков (сток в
12
гидрографическую сеть, просачивание в пористые породы и т.д.). Такие явления потенциально
весьма неблагоприятны для земледелия и зафиксированы на большей части Среднерусской
возвышенности, в том числе и на ее хорошо увлажненном западном макросклоне, а также в районе
г. Ряжск (инфильтрация в известняки) и в западной Мордовии (положительные тектонические
структуры, окруженные прогибами). Противоположное, более благоприятное явление – хорошие
условия для аккумуляции влаги в ландшафтах, когда при дефиците rВП испарение, наоборот,
приближено к испаряемости – наблюдаются в крупных понижениях рельефа – в долине Оки и
прилегающих территориях (Луховицы – Рязань – Шилово – Кочемары: рис. 15).
Рис. 15. Картосхема дефицита летних осадков (данные 2001-2003 гг.)
Одной из величин, наиболее тесно связанной с урожайностью, является доля радиационного
баланса вегетационного периода, идущая на испарение (LE/ВВП) [12]. Принимая ВВП за 90% от
годовой суммы [8], получаем LE/ВВП=0,50-0,54 для большинства ландшафтов региона (за
исключением поймы Оки, где соотношение достигает 0,63). Это значительно меньше нормы для
зональных ландшафтов (в современных климатических условиях Центра России – 0,675 [12]), что
подтверждает известную закономерность [8]: при антропогенном освоении (например замене лесов
сельхозугодьями) биопродуктивность ландшафтов снижается. Агроценозы нашего региона
испаряют в летние сезоны на 90-120 мм влаги меньше, чем леса, что является одной из причин
происходящего сейчас почти повсеместно подъема грунтовых вод. Как следствие такого подъема,
создается угроза подтопления фундаментов, активизируются оползневые процессы и т.д. Тем
самым, агроландшафты оказываются менее устойчивыми к происходящим климатическим
изменениям, чем их зональные «предшественники».
Тем не менее, зональная норма также не является оптимальной: наибольший уровень
биопродукции отмечается при LE/ВВП=0,75-0,80. Такие величины свойственны гумидным
ландшафтам тропиков, но могут достигаться и в умеренных широтах за счет комплексных
мелиораций. При этом при определении эталонных условий увлажнения целесообразно
использовать величину испаряемости (Е0): равенство Е0 и фактического испарения означает
13
реализацию оптимального соотношения LE/ВВП, почвенные влагозапасы на уровне наименьшей
влагоемкости и другие условия получения максимального урожая [15]. Ориентировочная
«ландшафтная» оценка оросительных норм, необходимых для преодоления дефицита летних
осадков, может быть сделана в ходе сопоставления rВП и Е0 летнего сезона, результаты которого
представлены на рис. 16. Цель оросительных мелиораций – максимизация урожая, поэтому норма
орошения должна – в первом приближении – соответствовать разности между rВП и Е0. Картосхема
позволяет районировать территорию Рязанской области по потребности ландшафтов (точнее – их
водораздельных урочищ) к орошению, причем на схеме уже нашли отражение такие природные
особенности, как естественная дренированность, глубина залегания грунтовых вод, механический
состав почв и др. Как показано на рис. 16, средняя региональная норма орошения превышает 160
мм за май – сентябрь, причем в Мещере составляет около 100 мм, а в юго-западных районах
области доходит до 250 мм. Сделанные оценки rВП и Е0 дают лишь обобщенную картину
агроклиматических условий водопотребления и должны уточняться (в том числе в сторону
увеличения) в зависимости от актуальных почвенных влагозапасов, микрорельефа поля и
биологических свойств растений по известным методикам [15,17].
Рис. 16. Картосхема разности летних осадков и испаряемости вегетационного периода
(данные 2001-2003 гг.)
Радиационный индекс сухости Будыко IR (3) интегрально отражает обеспеченность
радиационным теплом и осадками за год в целом и при этом, как известно [2,6], характеризует
наиболее важные и устойчивые черты местного климата. Величина IR=0,8-1,0, типичная для зоны
широколиственных лесов, является оптимальной для функционирования ландшафтов и
свидетельствует о сбалансированности тепла и влаги [6], меньшие значения наблюдаются в
избыточно влажные годы, большие – в условиях избытка тепла. При устойчивых направленных
изменениях IR возможны сдвиги границ природных зон, смена типа почвообразования и т.п.
Вековая динамика IR в Рязанском регионе – с учетом поправок на систематические погрешности в
определении осадков на метеостанциях («ветровые» поправки [22]) – представлена на рис. 17. В
начале и середине ХХ в., вплоть до 1970-х гг., индекс Будыко колебался около 1,0, что было
14
несколько выше зональных значений и обусловливало риск неурожаев вследствие засух, процессы
остепнения лесов и т.п., причем различия IR между периодами относительного потепления (до
1940-х гг.) и похолодания (1940-1960-е гг.) статистически не значимы. В отдельные засушливые
неурожайные годы (1890-1892, 1920, 1936-1939, 1972) индекс увеличивался до значений, типичных
для центра степной зоны (1,4-1,8). Современный период «глобального потепления» отличается
статистически значимым (при р=99%) снижением IR до «широколиственно-лесного» уровня
(данное снижение менее устойчиво на юго-западе региона, что подтверждается также данными
табл. 1). В конце 1970-х гг. наблюдалось переувлажнение (IR практически на «среднетаежном»
уровне), но затем влагооборот оптимизировался. При этом даже в засушливый 2002 г. (аналог 1936
и 1972 гг.) IR был ниже 1,0 (за счет зимних осадков). Тем самым проявляется рост естественной
устойчивости ландшафтов к колебаниям климата – по сравнению с этапами климатической
динамики, предшествовавшими «глобальному потеплению».
1,6
Павелец
1,4
Елатьма
1,2
IR
1
0,8
0,6
0,4
0,2
2004-07*
2000-03
1991-95
1986-90
1981-85
1976-80
1971-75
1966-70
1961-65
1956-60
1951-55
1946-50
1941-45
1936-40
1931-35
1926-30
1921-25
1916-20
1911-15
1906-10
1901-05
1896-1900
1891-95
1886-90
0
периоды осреднения
Рис. 17. Пространственно-временная динамика радиационного индекса сухости
Изменения IR не могли не затронуть структуру природных и аграрных экосистем, поскольку
каждый вид и сорт растений, предъявляя свои требования к соотношению тепла и влаги,
приспособлен к вполне определенным значениям IR. В частности, IR=1,5 называется «уровнем
безлесия»: превышение уровня приводит к необратимой смене любых лесных фитоценозов
степными [16] сообществами. Ниже приводятся оптимумы IR для некоторых растений:
дуб: 1,1;
липа: 0,9;
ель: 0,8;
лен: 0,95
сахарная свекла: 1,32;
подсолнечник: 1,7.
Следовательно, от происходящих климатических изменений не следует ожидать роста
урожайности теплолюбивых культур, а наиболее вероятны коренные изменения лесных
фитоценозов – экспансия липы и темнохвойных и деградация дубрав («климатические универсалы»
– сосна и береза – сохранят свои позиции [14]). Это необходимо учитывать при планировании
приоритетных лесовосстановительных мероприятий: существует реальная угроза утраты еще
сохранившихся дубовых лесов, причем это явление в современном климате приобрело
общеевропейский масштаб.
В табл. 2 охарактеризованы вековые изменения климатических условий функционирования
различных растительных сообществ (составлена по данным о климаареалах зональных природных
экосистем [5]). Из таблицы следует, что наблюдаемая климатическая динамика отличается прежде
всего сопряженным ростом ресурсов тепла и влаги («термогумидным трендом» [14]), причем
15
Район
метеостанции:
Период
происходят не просто изменения средних значений метеоэлементов, но существенные
климатические сдвиги, способные в будущем повлиять на границы природных зон. Термогумидный
тренд современного климата привел к многовариантности путей развития растительных сообществ
(например, в северо-восточной Мещере – от остепненных сосняков до грабово-дубовых лесов
«белорусского» типа), экспансии лесных экосистем на юг региона (потенциальная возможность
произрастания смешанных лесов в Скопинском и Милославском районах) и общей гумидизации
структуры растительных сообществ (тенденция к усилению позиций неостепненных сосняков,
сокращение климаареала луговых степей и т.п.) В этой связи примечательно, что в 2001-2003 гг. –
периоде-аналоге «великой засухи» конца 1930-х гг. – не отмечено никаких экстремальных
отклонений от термогумидного тренда. При сохранении существующих тенденций через несколько
десятилетий следует ожидать значимых изменений видового состава лесов и почвообразовательных
процессов. Однако существуют указания на то, что к 2030-м гг. в процессе «глобального
потепления» произойдет переход к термоаридному тренду (по правилу Воейкова: «тепло на севере
– сухо на юге»), и процессы начнут развиваться по неблагоприятному сценарию [14], в первую
очередь – в наиболее «континентальных» районах области.
Таблица 2.
Изменения условий существования растительных сообществ в Рязанской области в связи с
климатической динамикой (с 1930-х гг. по начало XXI в.)
19361940
19361969
Павелец
Елатьма
19702003
Средние
значения:
 t 100 C
Возможность существования сообществ:
r, мм
хвойных и смешанных лесов
широколиственных лесов,
лесостепи, степи
2493
412
-
Типчаково-ковыльные
засушливые степи
2315
464
-
Луговые степи
2295
546
Остепненные сосняки,
дубово-сосновые
неостепненные леса
(приуральские)
Остепненные сосняки,
дубово-сосновые
неостепненные леса
(приуральские)
Остепненные сосняки,
дубово-сосновые
неостепненные леса
(приуральские)
Луговые степи, дубовоосиновые леса,
восточноевропейские дубравы
Луговые степи, дубовоосиновые леса
20012003
2439
562
18861935
2319
572
19361940
2455
405
-
Типчаково-ковыльные
засушливые степи
19361969
2288
516
Остепненные сосняки
Луговые степи, дубовоосиновые леса
640
Остепненные сосняки,
дубово-сосновые
неостепненные леса
(приуральские)
Луговые степи, дубовоосиновые леса,
восточноевропейские дубравы
19702003
2295
Луговые степи, дубовоосиновые леса
Луговые степи, дубовоосиновые леса,
20012381
688
восточноевропейские
2003
дубравы, грабово-дубовые
мезофильные леса
0
Примечание:  t 10 C – сумма биологически активных температур, С; r – годовая сумма осадков
Дубово-сосновые
неостепненные леса
(приуральские)
0
16
Видовая структура сообществ – достаточно консервативный параметр, откликающийся на
климатические изменения со значительным запаздыванием, в отличие от первичной
биопродуктивности (Рперв). Установленные ранее [14] соотношения Рперв с радиационным балансом
и радиационным индексом сухости позволили охарактеризовать климатически обусловленную
динамику продуктивности смешанных и широколиственных лесов региона (фактические значения
несколько отличаются от расчетных вследствие различий в плодородии почв, глубине залегания
грунтовых вод и т.п.). Как следует из данных рис. 18, начиная с середины ХХ в. наблюдается
значительный рост продуктивности зональных сообществ, наиболее значительный в ландшафтах
Мещеры. Коэффициент детерминации R2 для Павельца несколько ниже, но оба линейных тренда
положительны, практически параллельны друг другу и статистически значимы при р=99% (рис.
18). Прирост биомассы в зональных экосистемах на севере области – при отсутствии местного
переувлажнения – потенциально выше, чем на юго-западе, в более континентальном и
неустойчивом климате (в среднем на 23%). При этом в настоящее время прирост достиг значений,
типичных для западноевропейских широколиственных лесов (12-14 т/га, против 10 т/га в среднем
за первую половину ХХ в.).
16
14
R2 = 0,6518
12
т/га в год
10
2
R = 0,4135
8
Павелец
6
Елатьма
4
2
0
1936-40
1941-45
1946-50
1951-55
1956-60
1961-65
1966-70
1971-75
1976-80
1981-85
1986-90
1991-95
2000-03
2004-07*
периоды осреднения
Рис. 18. Колебания и тренды расчетных величин продуктивности
зональных фитоценозов Рязанского региона
в зависимости от ландшафтных условий и климатической динамики
Индекс продуктивности растительности (CVP, по Патерсону) [24] также характеризует
степень благоприятности климатических условий для формирования урожая:
CVP 
t июль rLВП d Q
120 Агод
,
(9)
где tиюль – среднеиюльская температура, 0С; r – годовая сумма осадков, мм; LВП –
продолжительность периода вегетации в месяцах, Агод – годовая амплитуда температуры (tиюль- tянв),
0
С; dQ – доля суммарной солнечной радиации Q по отношению к ее сумме у полюсов (в связи со
стабильностью Q при любых изменениях регионального климата можно использовать среднее
значение dQ=1,43). Результаты расчетов CVP-индекса представлены на рис. 19. Примечательно, что
использование двух независимых методов (рис. 18 и 19) привело к практически идентичным
17
выводам: за последние десятилетия климатические условия для роста растений, в т.ч.
сельскохозяйственных культур, стали в 1,5-2 раза благоприятнее, в меньшей степени – на более
«континентальном» юго-западе области.
3
Павелец
Елатьма
2,5
CVP-индекс
2
1,5
1
0,5
2001-03
1991-95
1986-90
1981-85
1976-80
1971-75
1966-70
1961-65
1956-60
1951-55
1946-50
1941-45
1936-40
0
период осреднения
Рис. 19. Колебания и тренды индекса Патерсона в ландшафтах севера и юга Рязанской области
К недостаткам CVP-индекса следует отнести то, что он по сути является условным баллом,
не дающим представления о реальной динамике естественного прироста в сообществах. Но данный
показатель, в отличие от многих других, учитывает – через Агод – условия зимнего периода и
фиксирует положительное влияние на биопродуктивность устойчивого повышения зимних
температур в последние годы. Кроме того, CVP-индекс дает, на наш взгляд, более объективную,
пониженную оценку продуктивности для 1970-х гг., когда летом выпадало много осадков, но и
зимы были весьма морозные, и наблюдалось массовое вымерзание садов.
Известно [24], что условия перезимовки растений, в частности плодовых культур, зависят в
основном от повторяемости экстремально холодных погод, что отражает коэффициент суровости
зимы Белобородовой (Кс):
Кс 
N 200 C
L ХП
,
(10)
где N<-200C – число дней с минимальной температурой ниже -200С, при которой начинается
вымерзание плодовых почек и ростовых побегов, LХП – продолжительность расчетного холодного
периода (месяц, холодный сезон и т.п.) в сутках. Повреждения растений начинаются при К с от 0,1
(слива, вишня, персик) до 0,15 (яблони любых сортов), наиболее опасны величины Кс свыше 0,20.
Как показано на рис. 20, наблюдается значимое снижение суровости зим с К с=0,25 в среднем за
1940-1960-е гг. до 0,12-0,13 в начале XXI в., что следует признать практически безопасным
уровнем. Динамика Кс на севере и юге области очень сходна (коэффициент корреляции 0,93),
причем в Мещере вероятность сильных морозов в среднем несколько выше из-за более северного
ее положения (исключением являются наиболее «богатые» циклонами зимы начала 1960-х, конца
1980-х гг., когда зональные закономерности нарушались и морознее становилось на
возвышенностях). Самым суровым зимним месяцем в прошлом был январь (К с=0,26), причем для
Кс января с 1960-х гг. свойственна достаточно устойчивая 9-летняя цикличность (рис. 21). Это
может быть использовано при прогнозных оценках условий перезимовки культур: в частности, в
ближайшие несколько лет следует ожидать более холодные январи. Однако на первое место по
18
суровости постепенно выходит февраль, т.к. в современных климатических условиях на этот месяц
смещается максимум ультраполярных вторжений [20].
0,35
Павелец
Елатьма
0,3
0,25
Кс
0,2
0,15
0,1
0,05
2004-07*
2001-03
1991-95
1986-90
1981-85
1976-80
1971-75
1966-70
1961-65
1956-60
1951-55
1946-50
1941-45
1936-40
0
периоды осреднения
Рис. 20. Индексы суровости зим (в среднем за декабрь – февраль)
на севере и юге Рязанской области
0,45
декабрь
0,4
январь
февраль
0,35
0,3
Кс
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
2004-07*
2001-03
1991-95
1986-90
1981-85
1976-80
1971-75
1966-70
1961-65
1956-60
1951-55
1946-50
1941-45
1936-40
0
периоды осреднения
Рис. 21. Изменения индексов суровости отдельных зимних месяцев
в связи с климатической динамикой ХХ в. (данные метеостанции Павелец)
Зимне-весенние состояния ландшафтов во многом зависят от свойств снежного покрова,
условия существования которого могут быть оценены по следующей модели [14]:
hсп=0,0871rгод-1,1372tянв+43,
(11)
где hсп – мощность снежного покрова к концу марта, см; rгод – годовая сумма осадков, мм; tянв –
средняя температура января, 0С. Результаты оценки, приводимые на рис. 22, фиксируют взаимно
противоположную динамику между hсп и зимними осадками: на фоне роста последних развиваются
19
процессы деградации снежного покрова. Причина такой деградации – повреждение зимними
оттепелями и более ранние сроки снеготаяния. Указанные явления наиболее последовательно
проявляются на юго-западе региона (район метеостанции Павелец). Как результат, происходит
зимнее пополнений запасов грунтовых вод, и их уровень возрастает; снижаются пики весенних
половодий и растут меженные расходы воды; снижается интенсивность поверхностного смыва
почв, но активизируется переувлажнение и оглеение; усиливается оползнеобразование и т.п. Кроме
того, возрастает риск вымерзания посевов и плодовых деревьев при экстремальных снижениях
температур в конце зимы вследствие утраты снежной толщей теплоизолирующих свойств.
50
350
СП: Павелец
СП: Елатьма
300
О: Павелец
40
О: Елатьма
30
200
20
150
10
осадки холодного периода, мм
высота снежного покрова, см
250
100
-10
1991-95
1986-90
1999-2003
периоды осреднения
1981-85
1976-80
1971-75
1966-70
1961-65
1956-60
1951-55
1946-50
1941-45
1936-40
0
50
0
Рис. 22. Расчетная мощность снежного покрова (СП) на начало третьей декады марта
и суммы осадков (О) ноября – марта в ландшафтах севера и юга Рязанской области
Важное свойство климата холодного сезона – степень его комфортности для жизни человека.
Наиболее популярным при оценках холодового дискомфорта является индекс жесткости погоды (S)
по Бодману [11], в котором совместно учитываются ведущие факторы охлаждающей способности
среды – низкие температуры воздуха (t) и скорость ветра (v):
S=(1-0,04t)(1+0,272v).
(12)
Индекс чувствителен к усилению ветра, которое может нивелировать эффект зимнего
потепления. При этом значения S свыше 3,0 соответствуют районам Крайнего Севера и
приравненным к ним территориям, S=2,5-3,0 свидетельствует о необходимости климатической
надбавки к зарплате. К примеру, в экстремально холодном январе 1942 г. в Рязанской области S
превышал 3,0; в настоящее время он заметно снизился (рис. 23). Минимальных значений индекс
достигает в долине Оки от Коломны до Шилова, поскольку на данном участке она простирается
перпендикулярно преобладающим ветрам, что снижает их скорость и – следовательно – значение S.
На возвышенностях – в первую очередь на Среднерусской – индекс резко возрастает, выходя за
«границы оптимальности», и даже в современных условиях «глобального потепления» индекс
Бодмана превышает 2,5 в Скопинском и Милославском районах. Причина – неблагоприятный
ветровой режим зимних сезонов: скорости ветра выше средне-регионального значения в 1,4-1,5
20
раза. В целом региональная амплитуда индекса (0,5-0,6 единиц) находится на уровне других
регионов РФ, в т.ч. и с более контрастным рельефом [27].
Рис. 23. Картосхема индекса Бодмана для января (данные 2001-2003 гг.)
10
осадки: от 15 мм/сут и более
9
осадки: от 20 мм/сут и более
ветер: 10 м/с и более
7
6
5
4
3
2
1
Лев Толстой
(ЛО)
Моршанск (ТаО)
Ряжск
Павелец
Волово (ТуО)
Сасово
Рязань
Третьяково (МО)
Темников (РМ)
Тума
Елатьма
Выкса (НО)
0
ГусьХрустальный
(ВО)
среднегодовое число случаев
8
метеостанции
Рис. 24. Вероятность интенсивных осадков и сильных ветров
по метеостанциям Рязанской области и смежных регионов (данные 2001-2003 гг.)*
*см. примечание к рис. 14.
21
Обзор опасных метеорологических процессов начнем с условий возникновения сильных
ветров и осадков. Данные начала XXI в., представленные на рис. 24, не вполне соответствуют
градациям РД 52.04.563-96, но дают обобщенное представление о таких условиях. Общей
закономерностью является рост повторяемости интенсивных осадков (особенно свыше 20 мм/сут)
на возвышенных блоках рельефа. Сильные ветры развиваются главным образом под влиянием
канализирующего эффекта речных долин, если они совпадают с преобладающими направлениями
переноса воздушных масс. Примерами могут служить вытянутые в восточном и северо-восточном
направлении долины рек Ока, Верда и Ягодная Ряса соответственно вблизи метеостанций Выкса,
Павелец и Лев Толстой. В Рязани условия наиболее благоприятны для развития шквалистых ветров
на холодных атмосферных фронтах, приходящих обычно с северо-запада. Низинное положение и
субмеридиональные долины резко снижают вероятность сильных ветров (метеостанции Ряжск,
Моршанск, Тума и др.). Территории, где одновременно наблюдается высокая вероятность ливневых
осадков и больших скоростей ветра, по-видимому, являются также и наиболее смерчеопасными
[20].
Грозы и град – наиболее значимые стихийные гидрометеорологические явления (СГЯ)
летних сезонов. Грозы (рис. 25) наиболее вероятны при арктических вторжениях, предваряемых
холодными атмосферными фронтами. Последние сопровождаются северо-западными ветрами и
представляют собой систему конвективных ячеек, на которых формируются кучево-дождевые
(грозовые) облака. Возникают грозы и за счет местного испарения, в основном на западной
периферии антициклонов, но для их развития в этом случае необходимы сильные импульсы
конвекции. Образование таких импульсов возможно при контрастном рельефе (хорошо
прогреваемые склоны) и при значительных местных источниках испарения (озера, речные русла и
т.п.). Поэтому максимум грозовой активности (до 30 дней в год с грозой) приурочен в основном к
северной части области (северо-западные склоны Среднерусской возвышенности и ОкскоЦнинского вала, возвышенный Константиновский блок, часть Мещеры), где вероятность
арктических вторжений выше. Наиболее благоприятное для развития грозовых облаков сочетание
природных факторов складывается в обширных долинах Оки, Мокши и на прилегающих
территориях (в августе – также и на крупных болотных массивах Мещеры). Минимум
повторяемости гроз (18-20 за год) наблюдается на юге области из-за меньшей доступности для
арктического воздуха, «плоскоместного» рельефа и уменьшения дневного перегрева почвы под
влиянием неглубоко залегающих грунтовых вод.
Град также образуется в кучево-дождевых облаках, но для развития градовых очагов нужны
особенно большие скорости конвективного перемешивания. Поэтому повторяемость града
несколько иная (рис. 26): чаще всего он выпадает там, где развивается интенсивный перегрев
воздуха от сухой почвы (пески Мещеры и Пензо-Муромского прогиба, хорошо дренированные
водоразделы Среднерусской возвышенности). Частые грозы в долине Оки, наоборот, редко
сопровождаются градом. На Окско-Донском «плоскоместье» град также редок.
На рис. 27 представлена среднемноголетняя повторяемость общих и просвечивающих
влажных туманов (без учета поземных туманов в местных понижениях рельефа). Туманы, как
«всесезонная» разновидность СГЯ, опасны уменьшением дальности видимости, что приводит к
росту числа дорожно-транспортных происшествий (в основном на автомобильном транспорте).
Основной фактор их образования – радиационное выхолаживание земной поверхности и нижней
атмосферы, поэтому максимум туманов приурочен к участку Среднерусской возвышенности,
экранированному от отепляющего влияния атлантических воздушных масс (крайний юго-запад
области). Растет вероятность туманов и в крупных речных долинах, куда стекает холодный воздух с
окружающих возвышенных территорий (окрестности Рязани). В случае, если склоны долины более
пологие и действуют микроклиматические факторы, снижающие суточные перепады температур
воздуха и почвы (например, гидравлическая связь почвенных и высокостоящих грунтовых вод, что
снижает ночное выхолаживание), вероятность туманов, наоборот, снижается почти до минимума
(метеостанция Шилово). По сходным причинам туманы относительно редки также на ОкскоДонском водоразделе. В целом внутрирегиональные различия среднегодовой повторяемости
туманов достигают 3 раз.
Динамика туманообразования по сезонам следует за изменениями относительной
влажности: его интенсивность наибольшая в холодное полугодие и минимальна в мае (рис. 28).
22
Рис. 25. Картосхема грозовой активности (по среднемноголетним данным [13])
Рис. 26. Картосхема вероятности выпадения града (по среднемноголетним данным [13])
23
Рис. 27. Картосхема повторяемости туманов (среднемноголетние данные [13])
6
Рязань
Старожилово
4
3
2
1
декабрь
ноябрь
октябрь
сентябрь
август
июль
июнь
май
апрель
март
февраль
0
январь
дней с туманами в месяц
5
Рис. 28. Годовой ход туманов в различных ландшафтных условиях
(среднемноголетние данные [13])
24
Летом туманы возникают несколько чаще, чем в конце весны, особенно – туманы испарения
в крупных речных долинах (например, в окрестностях Рязани – в 3-4 раза чаще, чем на
близлежащих участках Окско-Донской равнины).
Неблагоприятные влияния гололеда (последствий выпадения «ледяного дождя») и изморози
во многом сходны и обусловлены ростом риска аварий автотранспорта, обрывов линий
электропередач, ростом травмоопасности и т.п.
Повторяемость гололедно-изморозевых явлений представлена на рис. 29 и 30. Вполне
очевидно, что данные явления, хотя обычно и рассматриваются совместно, все же управляются
принципиально различными факторами, вследствие чего их повторяемости слабо взаимосвязаны, а
иногда наблюдается и полная их противоположность (например, районы Елатьмы, Шилова и
Скопина: минимум дней с гололедом и максимум – с изморозью). Гололедообразование – процесс,
протекающий с октября по апрель на атмосферных фронтах (преимущественно на теплых) при
высокой интенсивности подъема теплых и влажных воздушных масс, при котором в большом
количестве образуются переохлажденные дождевые капли. Если интенсивность восходящих
движений достаточно высока, то при выпадении из облака капли не успевают полностью
замерзнуть, кристаллизация происходит при контакте с земной поверхностью. Следовательно,
росту повторяемости гололеда способствуют факторы, ускоряющие подъем воздуха на
атмосферном фронте. Основным таким фактором в пределах области является локальное
«орографическое предвосхождение» перед возвышенными блоками рельефа (Ковров-Касимовское
плато, Пронско-Рязанское поднятие, в меньшей степени Окско-Цнинский вал). В то же время в
тыловых – восточных – частях таких возвышенных участков нисходящие воздушные потоки
снижают вероятность гололедообразования (Михайловский, Касимовский, отчасти Скопинский
районы, окрестности Рязани, шиловское расширение поймы Оки).
Изморозь образуется за счет намерзания на различные предметы капель переохлажденных
туманов и наиболее вероятна там, где повторяемость туманов зимой максимальна: с одной
стороны, на возвышенных территориях (более интенсивное выхолаживание), с другой – в крупных
понижениях рельефа, например в долине Оки (аккумуляция холодного воздуха). Понижена
вероятность изморози на средневысотных ступенях рельефа, особенно при его равнинности (ОкскоДонской «плоскоместный» водораздел) и на участках, наиболее подверженных адвекции тепла с
Атлантики – северо-западные районы (рис. 30).
Опасными СГЯ зимних сезонов являются метели, при которых нарушается равномерность
залегания снежного покрова, происходит сдувание снега с полей, возникают заносы на
транспортных коммуникациях и ухудшается видимость. Как следствие – простаивание транспорта
(причем страдают практически все его виды), приостановки строительных работ, дополнительные
затраты на расчистку дорог и возможность ДТП с человеческими жертвами. Метели, как правило,
связаны с холодными фронтами циклонов и сопровождаются сильными северо-западными ветрами.
В теплые зимы последних лет вероятность поземных метелей снизилась, но опаснее меньше
зависящие от состояния снежного покрова низовые и общие метели, на много порядков
увеличивающие риск гибели людей (в частности, ДТП со смертельными исходами фиксируются в
1% случаев низовых и в 6% – общих метелей [20]).
На рис. 31 представлена повторяемость низовых и общих метелей по среднемноголетним
данным середины ХХ в. Наибольшим потенциальным ущербом от данных СГЯ отличаются северозападные районы области, более всего подверженные влиянию холодных атмосферных фронтов.
Максимальной метелеопасностью характеризуются окрестности областного центра, где свой вклад
также вносит конфигурация долины Оки (простирается в соответствии с направлением ветра в
тылах циклонов). При изменении траектории долины в районе пос. Шилово повторяемость метелей
снижается в 1,9 раза и достигает регионального минимума.
25
Рис. 29. Картосхема вероятности гололедообразования (по среднемноголетним данным [13])
Рис. 30. Картосхема повторяемости изморози (по среднемноголетним данным [13])
26
Спасск-Рязанский
Рис. 31. Картосхема повторяемости метелей (среднемноголетние данные [13])
Таким образом, результаты оценки климатических условий Рязанской области
подтверждают известную научную аксиому Н.А. Солнцева [23] о том, что «каждый ландшафт
обладает своим климатом». Внутрирегиональные различия агроклиматического потенциала и
повторяемости СГЯ должны учитываться при принятии управленческих решений в сфере
природопользования. В связи с наблюдаемыми климатическими изменениями многие средние
данные (рис. 25-31) должны быть уточнены и пересмотрены, но пространственная картина
метеопараметров – характеристика весьма устойчивая, и несомненно, что в основных чертах она
сохранилась и в настоящую климатическую эпоху. Минимальные изменения претерпели
климатические процессы летних сезонов.
Литература
1. Агроклиматические условия Рязанской области. / под ред. М. М. Крючкова. – Рязань, 1989. – 53 с.
2. Арманд Д.Л. Некоторые задачи и методы физики ландшафта. // Геофизика ландшафта. – М.: Наука.
1967. – С. 7-24.
3. Атлас Рязанской области – М., 1965. – 36 с.
4. Атлас Рязанской области – М., 2006. – 72 с.
5. Базилевич Н. И., Гребенщиков О. С., Тишков А. А. Географические закономерности структуры и
функционирования экосистем. – М.: Наука, 1986. – 297 с.
6. Будыко М.И. Климат в прошлом и будущем. – Л.: ГМИ. 1980.
7. Герман Д., Голдберг Р. Солнце, погода и климат. – Л.: ГМИ. 1981. – 319 с.
8. Дьяконов К.Н. Геофизика ландшафта. Биоэнергетика, модели, проблемы. – М.: Изд-во МГУ, 1991. –
96 с.
9. Дружинин И.П. Природа многолетних колебаний речного стока. - Новосибирск: Наука, 1976. - 204 с.
27
10. Жук В.А., Романова Е.А. Об одном методе автоматической классификации гидрометеорологических
величин. // Вестник МГУ, серия 5 (географическая), № 5, 1981. - С. 21-25.
11. Золотокрылин А.Н., Канцебовская И.В., Кренке А.Н. Районирование территории России по степени
экстремальности природных условий для жизни. // Изв. АН СССР. Серия географическая. – 1992. –
№ 2. – С. 16-30.
12. Зубов С.М. Основы геофизики ландшафта. – Минск: Изд-во «Университетское», 1985. – 190 с.
13. Климатологический справочник СССР. Вып. 8, части VI, VII, VIII. Ленинград – Горький, 1960 –
1972.
14. Коломыц Э.Г. Региональная модель глобальных изменений природной среды. – М.: Наука. 2003. –
371 с.
15. Константинов А.Р. Испарение в природе. – Л.: Гидрометеоиздат, 1968. – 532 с.
16. Константинов А.Р., Сакали Л.И. Роль составляющих теплового и водного балансов в формировании
ландшафта. // Геофизика ландшафта. – М.: Наука. 1967. – С. 40-52.
17. Мажайский Ю.А. Экологические факторы регулирования водного режима почв в условиях
техногенного загрязнения агроландшафтов. – М.: Изд-во МГУ, 2001. – 227 с.
18. Михеева И.В. Изменение пространственной вариабельности свойств почвы при антропогенном
воздействии. // Почвоведение. – 1997, № 1. – С. 102-109.
19. Природа Рязанского края. / под ред. В.А. Кривцова. – Рязань, 2004. – 257 с.
20. Природные опасности России. Том 5: Гидрометеорологические опасности. – М.: КРУК, 2001. – 296 с.
21. Пузаченко Ю.Г. Математические методы в экологических и географических исследованиях. - М.:
Академия, 2004. - 416 с.
22. Раунер Ю.Л. Тепловой баланс и суммарное испарение облесенных территорий равнинной части
СССР. В сб.: Исследования генезиса климата. – М.: Ин-т географии АН СССР, 1974. – С. 155-192.
23. Солнцев Н.А. Природный географический ландшафт и некоторые его общие закономерности. // Тр.
Всезоюз. геогр. съезда. – М., 1948. Т.1. – С. 258-269.
24. Справочник эколого-климатических характеристик Москвы. Том II. – М.: Изд-во географического фта МГУ, 2005. – 411 с.
25. Тобратов С.А., Хламцова О.В. К вопросу об изменениях климата Рязанской области за период
инструментальных наблюдений. // Вопросы региональной географии и геоэкологии: материалы
Всеросс. науч. конф. «П.П. Семенов-Тян-Шанский и географическая наука: вопросы региональной
географии». / Отв. ред. В.А. Кривцов. - Рязань, 2007. - С. 101-117.
26. Федоров В.М. Гравитационный аспект циклических изменений солнечной активности и природных
оболочек Земли. // Известия АН СССР, серия географическая, №6, 1997. - С. 57-63.
27. Цвид А.А. Комплексный учет климата в строительстве на Дальнем Востоке. – Благовещенск: ДВ
ПромстройНИИПроект, 1967. – 232 с.
28