Зависимость урожая от температуры

Многолетняя изменчивость климата и прогнозирование системы погода–урожай (на примере западного забайкалья)

T – длительность цикла, год; ± циклы повышенного или пониженного атмосферного увлажнения; — среднее значение суммы осадков, мм; Xmax, Xmin – экстремумы количества осадков, мм; – стандартное отклонение количества осадков, мм

Резкие различия атмосферного увлажнения между годами подразумевает увеличение вероятности экстремальных случаев, что существенно осложняет ведение сельского хозяйства и еще раз подчеркивает актуальность разработки надежных прогностических моделей. Чтобы уйти от жесткой зависимости сельскохозяйственного производства от погодных условий необходимо развитие новых технологий, особенно оросительных.

Прогностические модели тепловлагообеспеченности. Прогноз обеспеченности теплом вегетационного периода является следующим шагом после исследования динамики и структуры потепления. В соответствии с проведенными исследованиями, связь между датой перехода среднесуточной температуры через 100С и суммой температур выше 100С оценивается коэффициентом корреляции r = -0,43 (рис. 5).

Видно, что чем позже происходит переход среднесуточных температур через определенный предел, тем меньше сумма температур за данный период. Аналогичные данные получены и по другим пунктам Западного Забайкалья. Тем самым, полученные данные по Западному Забайкалью согласуются с концепцией Ф.Ф. Давитая (1964) и с результатами расчетов А.И.Куликова и др. (1997).

Прогноз теплообеспеченности предстоящего сельскохозяйственного года в виде суммы активных температур воздуха (t>10oC) проводят, зная дату (Д) перехода средней температуры в мае через 10оС (можно узнать на ближайшей метеостанции), по регрессионной моделиt>10oC = -64,72Д + 904,27. Тем самым уже в мае можно располагать информацией об ожидаемых тепловых ресурсах вегетационного сезона.

Рис. 5. Связь между датой весеннего перехода температуры через 10 0С (май) и суммой температур выше 100С

Для создания надежного прогноза используют также данные по динамике солнечной активности, измеряемой в числах Вольфа. Так, установлено, что за 68 лет в Западном Забайкалье фиксируется 6 полных одиннадцатилетних циклов солнечной активности (рис. 6). При этом на каждый пик возрастания активности солнца приходится снижение количества осадков ниже среднемноголетнего уровня, вероятность совпадения составляет 100%, причем в 4-х случаях из 6-ти (60,6%), количество осадков снижается до значений менее 200 мм (острозасушливая ситуация), в 2-х случаях количество осадков снижается до уровня ниже 150 мм. При этом в 4-х случаях наиболее существенное снижение происходит на 2-й год после пика солнечной активности. Во всех 6-ти случаях в годы, последующие после минимума, наблюдается значительное повышение количества годовых осадков со значениями гораздо выше средних многолетних. Причем в 4-х случаях нарастание продолжается в течение двух лет, достигая пика на 2-й год и совпадает с падением солнечной активности.

Рис. 6. Сопряженная изменчивость годовой суммы осадков (1) и солнечной активности (2)

Причина такой зависимости заключается в том, что при усилении солнечной активности повышается ионизация верхних слоев атмосферы полярных областей и усиливается вертикальная составляющая циклонической деятельности тропосфере. Циклоны с запада, приносящие основные осадки в Центральную Азию, в годы активного Солнца не могут дойти до нашего региона. В годы же ослабления солнечной активности циклоны с запада все-таки прорываются сквозь ослабившиеся потоки вертикальных тропосферных течений и вызывают обильные осадки.

Рис. 7. Динамика сумм годовых осадков (I) и шкала динамики тенденций (II)

При допустимой ошибке 5% построен график (рис. 7) динамики атмосферного увлажнения по методике И.П. Дружинина (1977), где годы с тенденцией повышения увлажнения отмечены как столбики вверх от средней линии, а годы с тенденцией понижения увлажнения, соответственно, как столбики вниз. Общее число тенденций – 39, из них 1-годичных – 23 (59%), 2-годичных – 14 (36%), 3-годичных – 1 (2,5%), 4-годичных -1 (2,5%). Залитыми столбиками отмечены годы совпадения солнечных реперов с годами начала смены тенденции.

Большая вероятность таких совпадений (16 из 19 реперов – 84 %) свидетельствует об их неслучайности, что позволяет использовать данные о солнечных циклах для прогноза количества атмосферных осадков, особенно экстремальных по величине.

Другие модели имеют качественный характер и представляют собой взаимодополняющие и уточняющие друг друга прогнозы (табл. 2).

Тем самым, модели, основанные на качественном подходе нередко более надежны по сравнению с аналитическими.

Таблица 2. Вероятностные показатели влагообеспеченности земледелия

степной зоны Республики Бурятия

Прогноз № 1 имеет абсолютную надежность (100%) и вытекает из факта, что в год пика солнечной активности наблюдается спад количества атмосферных осадков. Пик солнечной активности продолжается 1-3 года. Подход № 2а 60%-ной вероятности основан на том, что наибольший спад количества атмосферных осадков приходится именно на 2-й год после пика солнечной активности. Подходы № 2б и 2в имеют уточняюще-дополняющую функцию к подходу 2а. Прогноз по модели № 3 основан на том, что после окончания периода с высокой солнечной активностью наблюдается повышение количества осадков, особенно на второй год спада солнечной активности. Эта модель свидетельствует о том, что увеличение количества осадков в период спада солнечной активности происходит в каждом из годослучаев, т.е. вероятность равна 100%. С вероятностью 83% (подход № 3б) можно утверждать, что тенденция увеличения количества осадков продлится два года. Кроме этого на характер увлажнения влияют годы солнечных реперов (повышенные значения чисел Вольфа между смежными годами) – вероятность 84% (прогнозный подход № 4).

Подход № 5 основан на том, что 1-летние годослучаи достаточно представлены в статистическом ряду. Вероятность того, что следующий год будет противоположен по знаку тенденции настоящего года равен 59%.

Количественные показатели климатической составляющей опустынивания. Наиболее благоприятные условия для опустынивания складываются в днищах котловин Западного Забайкалья при радиационном балансе, превышающем 1600 МДж/м2 и значениях Rб/Lr >> 2,0 (Rб – радиационный баланс, L — теплота парообразования, r – количество атмосферных осадков). В осях H- (H – абсолютная высота, – широта) с координатами > 2,5, а по внешнему кольцу — вторичный ареал. Сдвиг вторичного ареала в сторону высоких широт связан с наличием в регионе высокоширотных степных изолятов в таких котловинах, как Баргузинская и Муйско-Куандинская.

Климатическую параметризацию опустынивания также проведена, сравнивая наши данные за 1970-2003 гг. и данные, помещенных в «Справочниках по климату СССР» (1966, 1968), где обработан временные ряды с 1900 или 1935 гг. по 1960 или 1965 гг. (для разных метеопараметров временные отрезки различаются). Исходили из допущения, что временной период, охваченный «Справочниками…», не характеризовался столь сильно выраженными процессами опустынивания, как последние три десятилетия.

Сравнение параметров преддезертификационного (1900-1965 гг.) и современного (1970-2003 гг.) периодов однозначно указывает на климатическую предрасположенность усиления процессов аридизации и дезертификации (табл. 3). Климатическим условием аридизации и опустынивания является рост суммы температур выше 10оС, продолжительности периода с этими температурами.

Таблица 3. Разностные показатели метеорологических параметров, полученные при сравнении авторских данных и данных из «Справочников по климату СССР» (1966, 1968),

При совершенно малом увеличении количества атмосферных осадков повышение теплового фона вызывает испарение дополнительного количества влаги и усугубление засушливости климата Западного Забайкалья. Прямым указанием на усиление опустынивания в регионе является увеличение числа дней с сильными эрозионноопасными ветрами и количества дней с суховеями.

Сравнение данных, полученных по временным рядам с 1900 по 2003 гг., с данными из «Справочников по климату СССР» (1966, 1968) показывает их значительное, а по некоторым параметрам очень значительное расхождение. Всем организациям, пользующимся метеорологической информацией, в первую очередь, сельскохозяйственным органам, а также энергетикам, строителям и др. необходимо учитывать это обстоятельство.

Современное опустынивание как природно-антропогенное явление получает новый импульс развития на песчаных почвах сельскохозяйственных угодий, площадь которых в Западном Забайкалье превышает 100 тыс. га (Иванов, 1966). Агрогенная деятельность способствует расширению деградации земель.

Для количественной оценки опасности опустынивания применена технология риск-анализа, алгоритм которой приведен в монографии «Природные …» (2003) и продиктован решениями Всемирной конференции ООН по природным опасностям (Yokohama …, 1995).

По значениям удельного физического риска видно, что из всех типов опустынивания наибольшую опасность для сельскохозяйственных земель Бурятии представляет дефляция. Площадная дефляция земель происходит с интенсивностью 2,2 год-1. Водная эрозия имеет интенсивность 1,5 год-1. Полный физический риск потери сельскохозяйственных земель в результате дефляции для всей Бурятии составляет 254,5 га/год. Дефляция приносит материальный ущерб, равный 89 га/год. Экономический риск в зависимости от типа опустынивания колеблется в пределах 430-700 руб./год. Экономическая уязвимость земель наибольшая при дефляционном разрушении.

Уязвимость населения от дефляции оценивается величиной 15 чел./год, а неблагоприятное действие водной эрозии и водной эрозии совместно с дефляций ежегодно испытывают соответственно 12 и 11 человек соответственно, а уязвимость от засоления составляет 7,2 чел/год.

Для оценки опасности опустынивания разработаны линейные шкалы удельного физического риска и устойчивости земель к опустыниванию. Квантом изменчивости послужило значение стандартного отклонения.

Глава 4. Статистические связи в системе погода-урожай

Статистический анализ многолетней динамики урожайности пшеницы. Урожай является функцией многих факторов, среди которых погодные условия занимают одно из основных мест. Среднее значение урожайности пшеницы за период 1968-2004 гг., по данным ОПХ «Иволгинское», составляет 17,5 ц/га. Линейный тренд указывает на заметное (около 7 ц/га) снижение урожайности. Тренд описывается регрессионным уравнением вида У = — 0,13Х + 269,44.

В многолетней изменчивости количества урожая выделяются определенные циклы. В 1968-1973 гг. урожайность приближается к среднему значению. В 1974-1976 гг. урожайность стабильно снижается, что связано, по-видимому, с периодом пониженной влагообеспеченности. Наибольшие урожаи получены в начале 80-х годов ХХ в. В дальнейшем наблюдается устойчивое снижение урожайности, которое описывается регрессионной моделью У = -0,971Х + 1953,6. Тренд за период 1981-2004 гг. характеризуется высоким значением углового регрессионного коэффициента, который показывает, что урожайность пшеницы падает с темпом 1 ц/га в год.

Такая отрицательная динамика урожайности характерна для всего Западного Забайкалья, Бурятии и всей России. Она вызвана теми социально-экономическими потрясениями, которые постигли страну в годы перестройки и постперестроечное время. Тем самым в динамике урожайности с учетом социально-экономического фактора выделяется два этапа: предстагнационный и стагнационный. Логично также выделить пока еще неизученный третий этап – современный, связанный с новыми рыночно-экономическими условиями и земельными реформами.

Удостовериться в этом можно на объективной основе. Проведенные исследования статистической связи между количеством урожая и солнечной активностью указывают на то, что если за весь период связь между урожайностью и числами Вольфа характеризовалась низким коэффициентом корреляции r = -0,3907 (рис. 8).

В предстагнационный период динамика урожайности происходила строго в противофазе с числами Вольфа, что еще раз подтверждает результаты исследований динамики атмосферного увлажнения: чем выше активность Солнца, тем меньшее количество осадков выпадает, тем, соответственно, и меньше урожай, т.к. влага – лимитирующий фактор. Коэффициент корреляции r = -0,5908. В этот период урожай формировался при относительно слабом лимите со стороны социально-экономической сферы, агротехника в целом была удовлетворительной, вносились удобрения, технические возможности сельского хозяйства также были в целом удовлетворительными. В первом лимите пребывали природные условия, особенно влагоресурсы. В стагнационный период первенство по лимитированию урожая переходит в социально-экономическую сферу, о чем свидетельствует сбой в связи урожайность-солнечная активность. Урожайность безразлично к колебаниям солнечной активности однообразно находится в пике, о независимости двух переменных свидетельствует очень низкий коэффициент корреляции r = -0,0300.

Рис. 8. Динамика урожайности и солнечной активности в числах Вольфа (сглаженные ряды с шагом в 5 лет). 1 – фактическая урожайность, 2 – расчетная урожайность, 3 – числа Вольфа

Зависимость урожайности от чисел Вольфа в предстагнационный период, когда она формировалась в функции от погодных условий и биологических возможностей культуры описывается моделью У = 26,784 – 0,125Х. Используя эту зависимость, проведено математическое моделирование урожайности при условии, что если хозяйственно-экономический комплекс сохранился бы на уровне предстагнационного этапа. По расчетной кривой 2 (см. рис. 9), видно, что урожайность пшеницы была бы выше, особенно в последние годы.

Корреляционно-регрессионные функции урожая от погодных условий. Выявлена прямая положительная зависимость величины урожая от количества осадков (табл. 4). Наиболее тесная связь прослеживается между величиной урожая и суммой осадков за период с момента уборки урожая прошлого года до уборки урожая нынешнего года. Этот показатель превышает коэффициент корреляции между урожаем и суммой осадков за текущий год. И, действительно, осадки текущего календарного года, выпавшие после уборки урожая, не могут иметь влияния на его величину. В то же время осадки предшествующей осени и зимы создают необходимые влагозапасы в почве и способствуют повышению величины урожая.

Таблица 4. Корреляционно-регрессионные связи урожайности (y)

Источник