Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Изменения климата влияют на растительность Земли. В Финляндии имеется представление о реакции молодых лиственных деревьев на повышение температуры воздуха во взаимодействии с тропосферным озоном. Эти знания повышают шансы на разработку моделей для включения параметров, которые описывают лесную систему в изменяющихся климатических условиях [1]. Можно утверждать, что будущее сдерживание количества СО2 находится в увеличении площади, прежде всего, лесов [2, 3]. По вейвлетам универсальной конструкции изменяется динамика углерода в Европе [4, 5]. В Берлине [6] по 252 деревьям липы на кернах по расстояниям от центра к периферии были выявлены изменения приращения толщины деревьев за 50–100 лет.

Приходит понимание о моделировании взаимных связей между параметрами структуры листьев растений методом идентификации [7, 8]. Априори ясно, что именно погода влияет на ход развития и роста (онтогенеза) растений. А на многолетние растения погода влияет через ежегодный онтогенез листвы. Кванты поведения листьев, например, березы повислой, распространенной на Северном полушарии [9], четко зависят от квантов (асимметричных вейвлетов [4, 5]) поведения температуры воздуха и относительной влажности. Метеорологические условия являются сильными факторами активности биологических объектов, и для этого в статье [10] оценено влияние температуры, осадков, атмосферного давления и влажности на фенологию земноводных в Юго-Восточном Квинсленде (Австралия).

Рост растений – сложный процесс, в его основе лежат такие фундаментальные явления, как ритмичность, полярность, дифференциация, раздражимость, корреляция. Эти процессы являются общими для онтогенеза. Онтогенез – индивидуальное развитие организма от зиготы (или вегетативного зачатка) до природной смерти. Из-за фотосинтетической активности листьев растение приобретает ряд черт, которые характеризуют его рост. В процессе онтогенеза растения рост наблюдается на протяжении основных этапов его жизненного цикла [11, 12].

Формирование и отмирание листьев в цикле онтогенеза разделяются на такие этапы: распускание почек, рост и развитие листьев, расцвечивание отмирающих листьев, опадение листьев. Мы предлагаем еще два этапа онтогенеза – роста до максимума и спада до опадения.

Вегетационный период становится одним из важных экосистемных процессов, так как развитие листьев очень чувствительно к температуре воздуха. Поэтому будущее климата в наблюдениях за листьями. Метрические параметры листьев зависят от периода вегетации.

Береза повислая в Эстонии оказалась эффективной против засухи 2010 г. Деревья хорошо приспосабливаются, а значимость относительной влажности даже выше по сравнению с температурой воздуха [13]. Повышение влажности воздуха снижает температуру и накопление биомассы в молодых березках, в особенности восприимчивы листья [14].

Цель статьи: повышение точности индикации по патенту 2606189 на изобретение качества окружающей листья березы локальной среды сбоку на высоте 1,5–2,0 м со стороны преобладающих ветров по динамике средней ширины у 10 учетных листьев в различных экологических условиях произрастания около дороги с интенсивным движением автомобилей.

Материалы и методы исследования

Наибольшее время вегетации с момента распускания почек (2 мая 2014 и 1 мая 2018 г.) до максимума ширины листьев прошло 111 суток в 2014 г. (20 августа) и 110 суток в 2018 г. (18 августа). Для этапов роста (рис. 1) принимаем даты с 01.05 по 20.08 и через три часа выпишем данные «Направление ветра (румбы) на высоте 10–12 м над поверхностью земли» для метеостанции г. Йошкар-Олы. Затем клетки с «Штиль, безветрие» были исключены из массива данных, а румбы были преобразованы в азимуты.

За четыре года направление преобладающих ветров сместилось с 337,50 до 2700. Тогда можно утверждать, что направление ветров находится около северо-запада.

Рис. 1. Роза ветров в г. Йошкар-Оле на этапе роста в период вегетации березы повислой с 01.05 по 20.08

Данные по графикам на рис. 1 приведены в табл. 1. Здесь же даны остатки (абсолютная погрешность), как разница между фактическими и расчетными по волновым уравнениям (табл. 2). А также в табл. 1 приведены значения относительной погрешности, как отношения (в процентах) в виде деления остатков на фактические значения азимута ветров.

Колебания (вейвлет-сигналы) записываются волновой формулой [14–17] вида

(*)

где y – показатель (зависимый фактор), i – номер составляющей модели (*), m – количество членов в модели (*), x – объясняющая переменная (влияющий фактор), a1...a8 – параметры модели (*), принимающие числовые значения в ходе структурно-параметрической идентификации в программной среде CurveExpert-1.40 (URL: http://www.curveexpert.net/), Ai – амплитуда (половина) вейвлета (ось y), pi – полупериод колебания (ось x).

Результаты исследования и их обсуждение

В табл. 2 даны параметры (*) по данным табл. 1.

Таблица 1

Направления ветров на этапе роста листьев березы повислой

Таблица 2

Параметры (1) направлений ветров по азимутам на этапе роста листьев березы

Рис. 2. Графики вейвлетов направлений ветров в 2014 г. на этапе роста листьев березы повислой

Рис. 3. Графики вейвлетов направлений ветров в 2018 г. на этапе роста листьев березы повислой

Первый член моделей с параметрами из табл. 2 является законом Лапласа (в математике), Мандельброта (в физике), Ципфа – Перла (в биологии) и Парето (в эконометрике). Но разной направленности: для 2014 г. это закон экспоненциального роста, а для 2018 г. – экспоненциальной гибели. Этот естественный закон изменяется для направлений ветров в зависимости от азимута с коэффициентами корреляции 0,5865 и 0,8000. Этот факт указывает на то, что этап роста вегетационного периода 2018 г. был лучше по направлениям ветров. Второй член тренда является биотехническим законом [14]. Все колебания имеют очень высокую адекватность. Именно это свойство колебаний указывает на то, что растения за сотни миллионов лет эволюции адаптировались к волновым изменениям метеорологических параметров.

На рис. 2 и 3 показаны графики всех составляющих общей модели (*).

Максимальная относительная погрешность по табл. 1 равна 2,19 % для 2014 и 0,14 % для 2018 г. При этом первые три члена, полученные по возможностям программной среды CurveExpert-1.40, получили коэффициент корреляции 0,8559 и 0,8859. Все пять колебаний на этапе роста 2014 г. завершились до 20 августа, когда был максимум средней ширины.

Для этапа роста в 2018 г. (рис. 3) получились семь колебаний.

Из них только четвертое колебание продолжилось после 20.08. Пятое колебание показывает, что вегетационный период начался по направлениям ветров спонтанно, а затем период колебания увеличился.

Закон стрессового возбуждения по второму члену из табл. 2 показывает, что, по-видимому, направление ветра стимулирует рост вегетационных органов растений. Этому способствовало третье колебание (пятый член) с коэффициентом корреляции 0,9919 в 2014 г. А в 2018 г. усиление колебательной адаптации роста листьев произошло из-за второго члена (биотехнический закон) и четвертого члена сильнейшей адекватности (0,9865).

Таким образом, нами доказано, что трехчасовое распределение направлений ветра по азимуту на первом этапе вегетационного периода листьев березы повислой от 1 мая до 20 августа каждого года происходит по четким закономерностям, в том числе и волновым уравнениям с переменной амплитудой, изменяющейся по биотехническому закону.

При этом период колебаний изменяется в широком диапазоне. Пока непонятно, почему первое колебание в 2014 г. происходило с отрицательным периодом 2×(–439,5) = –879 суток. Остальные волны имели периоды в 82,4; 52,4; 87,8 и 145,7 суток. Полупериод 41,2 сутки постоянный на весь этап роста листьев в 2014 г. и близок к примете в 40 суток погоды.

Для 2018 г. образовалось семь волн с полупериодом колебаний в 45,1; 27,7; 23,25, 24,17; 0,23; 22,65 и 723 суток. Из них постоянным является период в 2×24,17 = 48,3 суток. Старт учетных листьев по последнему колебанию показывает, что максимальный полупериод на 01.05.2018 у направлений ветра равен 723 суток. Этап роста листьев березы повислой в 2018 г. получил большую запутанность по сравнению с 2014 г. из-за возникновения пятого и седьмого колебаний. Такие неопределенности, по-видимому, будут нарастать на будущее.

Анализ трехчленных графиков показывает, что в 2014 г. возникли три преобладающих направления ветра, по возрастанию частоты встречаемости азимута ветров: 45; 202,5 и 337,50. А в 2018 г. образовались только два направления преобладающих ветров: 67,5 и 2700. Характерно, что из 848 направлений ветра на этапе роста листьев березы в 2014 г. не было ни одного случая по направлению азимута 900, а в 2018 г. ноль событий из 866 – по азимуту 112.50.

Заключение

Таким образом, этап роста листьев березы повислой до максимальной ширины (аналогично и длины, площади и периметра листьев) вегетационного периода становится великолепным квантом поведения растений. Этот квант с высокой адекватностью показывает, что по трехчасовым измерениям азимута ветров распределение количества направлений ветра происходит по сверхсильным закономерностям в 2014 и 2018 г. Тогда трехчасовые кванты измерений азимута ветров позволяют с очень высокой адекватностью определить распределения количества измерений направлений ветров.

В 2014 г. возникли три преобладающих направления, по росту встречаемости азимута: 45; 202,5 и 337,50. А в 2018 г. были два направления преобладающих ветров: 67,5 и 2700.