Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,976

Personal portfolio
(submit article)

PRECIPITATION DYNAMICS IN AGRICULTURAL LANDSCAPES OF DRY STEPPE ZONE IN CENTRAL CISCAUCASIA REGION DURING WORLD METEOROLOGICAL ORGANIZATION PERIODS AT THE «MOZDOK» METEOROLOGICAL STATION

Aylarov A.E. 1, Tebieva D.I. 2, Dobronosov V.V. 3
1 North Caucasian research institute of mountain and foothill agriculture – the Vladikavkaz scientific center RAS
2 North Ossetian State University of K.L. Khetagurov
3 Federal State Budgetary Institution National Park Alania
In article the lack in the analysis of long-term ranks of monthly, seasonal and annual rainfall (1961-2017) on the meteorological station (m/s) Mozdok: 136 m above sea level, index of the World Meteorological Organization (WMO) 37145. The modern data on the calculated climatic normals basic are provided to 1961-1990 and changes of nature of humidification post-basic the WMO periods of 1991-2017. Results are received based on statistical methods of the analysis of long-term ranks of dynamics. At identification of trends in changes of rainfall Cox-Stuart’s criterion taking into account, weighted moving average for a three-year step, the method of ordinary least squares (OLS) and criterion to Abbe-Linnik was used. The relative instability of the periods of World Meteorological Organization on values of a coefficient of variation (CV) is shown: changed from 0 to 6,7. Values ẑ Cox-Stuart’s criterion confirmed lack of trends (except for July, November and December) that corresponded to OLS values. At high value CV and low value ẑact the nature of a trend was specified to OLS and Abbe-Linnik. With use of the specified tools the lack of trends at the majority of the analyzed time frames of a period of WMO 1991-2017 is determined (except for August, November and the warm period). It is revealed that in the conditions of body height of temperatures in a climatic system there is an intra annual redistribution of rainfall between seasons: increase of deficiency of humidification during the summer period and body height of rainfall in the fall.
climatic normal
standard period
post-basic period WMO
weighted moving averages (WMA)
trend
Cox-Stuart’s criterion
ordinary least squares (OLS)
criterion to Abbe-Linnik

Для сухостепной зоны Юга Европейской России по м/с Моздок отсутствует анализ массива данных осадков за постбазовый период ВМО (1991–2017 гг.), как и рассчитанных климатических норм стандартного периода ВМО 1961–1990 гг. Вследствие этого мы не имеем объективной картины изменений в динамике осадков на м/с «Моздок» (индекс ВМО 37145, 136 м н.у.м.) и их агроклиматической оценки.

Цель исследования: устранить отсутствие анализа для месячных, сезонных и годичных рядов осадков по м/с «Моздок» за временно́й интервал 1961–2017 гг. (1961–1990, 1991–2017) на основе статистических методов исследования массива метеоданных и выявления новых агроклиматических параметров изучаемой территории.

Материалы и методы исследования

При выполнении работы задействован статистический инструментарий анализа и оценки режима осадков за многолетний период, применяемый в метеорологии и климатологии.

Общие и специальные вопросы статистики по рядам динамики изложены в работах И.И. Елисеевой, И.И. Егоровой и др. [1], А.Н. Кобзаря [2], Б.Б. Лемешко и др. [3]. Среди зарубежных авторов специальные вопросы статистики раскрыты в работе Л. Закса [4], методологии климатической статистики – в изданиях и руководствах Н.А. Дашко [5], ВМО [6–10].

Оценка рисков для сельского хозяйства на Северном Кавказе с учетом роста температур и неоднозначности динамики осадков дана в монографии Отделения сельскохозяйственных наук РАН [11], а также исследованиях Ульяновского НИИ сельского хозяйства [12].

С целью идентификации временно́го периода, следующего за базовым (1961–1990), и мониторинга изменений климата нами предложено квалифицировать временно́й интервал начиная с 1991 г. как «постбазовый период ВМО» [13].

Данное понятие естественным образом предполагает рассматривать этот временно́й отрезок как «постбазовый период ВМО» в русле рекомендаций саммита ВМО в 2014 г. [6, 7].

При выполнении работы использованы массивы данных специализированных интернет-ресурсов [14] и Гидрометцентра Российской Федерации [15].

Обоснованность использования критерия Кокса – Стюарта для выявления трендов по средним величинам с точки зрения мощности и надежности, а также его свойствами быстроты вычислений, оценивается как достаточно высокая, наряду с критерием Аббе – Линника [3, с. 23]. При оценке значений критерия Кокса – Стюарта бралась величина ẑфакт не менее критической 1,96, статистически подтверждающая наличие / отсутствие тренда для двустороннего табличного значения при 95 % доверительной вероятности и уровне значимости 0,05 [4, с. 355–356].

При сглаживании многолетних рядов динамики применялась взвешенная скользящая средняя (3-летний интервал) с коэффициентами бинома Ньютона (1*2*1) для повышения надежности расчетов по периодам ВМО, так как простые скользящие средние в ряде случаев не дают надежного результата [1, с. 180]. Степень стабильности базового периода ВМО 1961–1990 гг. оценивалась по CV, с которым сопоставлялась динамика постбазового периода ВМО 1991–2017 гг., согласно принятым рекомендациям ВМО [6] и предшествовавшей дискуссией о применимости новых климатических норм и введении скользящего периода ВМО (rolling period) через каждое десятилетие по моделям 30/30 и 30/10 [8–10].

Проведено сопоставление значений ẑфакт критерия Кокса – Стюарта и результатов количественных показателей линейного тренда по методу наименьших квадратов (МНК) и критерию Аббе – Линника [3, 4]. Сравнение показало высокую степень достоверности результатов по установлению трендов для оцениваемых интервалов 1991–2017 гг. Расчеты проведены на основе ПП Excel.

Результаты исследования и их обсуждение

Суммы осадков по месячным интервалам на м/с «Моздок» репрезентируют структурную динамику процесса увлажнения территории, как в течение года, так и стандартных периодов ВМО.

Проведенный анализ цикла осадков, как видно из табл. 1–2, показал их активную изменчивость: снижение в летние месяцы и увеличение в холодный период. Соответственно, определялось наличие/отсутствие трендов.

Таблица 1

Суммы осадков по месяцам на м/с «Моздок» за временные интервалы ВМО*

Месяцы года

Периоды ВМО

Сравнение 1991–2017 с 1961–1990

Месяцы года

Периоды ВМО

Сравнение 1991–2017 с 1961–1990

1961–1990

1981–2010

1991–2017

1961–1990

1981–2010

1991–2017

I

24

25

27

3

VII

54

44

46

–8

II

26

24

25

–1

VIII

51

41

36

–15

III

32

29

29

–3

IX

32

36

39

7

IV

38

41

46

8

X

29

34

37

8

V

54

54

53

–1

XI

28

37

32

4

VI

72

68

65

–7

XII

31

30

31

0

Таблица 2

Величины коэффициента вариации (CV), критерия Кокса – Стюарта (ẑфакт), эмпирического Аббе – Линника (А-Л) и МНК по месячным показателям осадков по периодам ВМО на м/с «Моздок» (для А-Л: n = 25, qкрит = 0,684)

Месяцы

года

CV

ẑ

А-Л: эмпир.

МНК – уравнение

1961–1990

1991–2017

1961–1990

1991–2017

1991–2017

I

1,0

1,15

1,21

1,63

0,425

y = 0,5422x + 19,734, R² = 0,2

II

1,1

1,81

2,52

0,24

0,390

y = 0,06x2 – 1,694x + 33,62, R² = 0,1

III

0,9

0,42

–0,55

–1,63

0,587

y = –0,024x2 + 0,48x + 27,70, R² = 0,1

IV

0,2

0,16

2,52

–0,24

0,347

y = 0,0047x3 – 0,2058x2 + 2,4084x + 23,128, R² = 0,1

V

0,1

0,09

–0,55

0,93

0,331

y = –0,0324x3 + 1,3391x2 – 14,372x + 80,432, R² = 0,4

VI

0,1

0,07

1,21

0,93

0,132

y = –0,0265x3 + 1,0256x2 – 9,7363x + 77,544, R² = 0,1433

VII

0,1

0,05

2,52

0,24

0,492

y = –0,002x4 + 0,1023x3 – 1,629x2 + 7,7148x + 43,36, R² = 0,1

VIII

0,1

0,07

1,21

2,32

0,337

y = –0,0074x3 + 0,3279x2 – 3,7831x + 44,451, R² = 0,1

IX

0,1

0,09

1,86

0,93

0,387

y = 0,0628x2 – 0,982x + 38,35, R² = 0,1

X

0,2

0,13

0,55

1.63

0,504

y = 25,452x0,137, R² = 0,1

XI

0,3

0,6

–1,86

–3,01

0,007

y = 50,446e-0,041x, R² = 0,4

XII

4,4

6,7

–0,1

–0,24

0,667

y = 29,165x1E-05 R² = 9E-106

Для всех периодов ВМО, в том числе вновь принятого за 1981–2010 гг. по модели 30/10 [6, 9], наблюдается неравномерный ход осадков.

Так, например, август 1991–2017 гг., несмотря на положительное значение ẑфакт критерия Кокса – Стюарта (2,32), показывает затухающий тренд отрицательной направленности, поскольку сумма осадков была меньше, чем по стандартному периоду ВМО 1961–1990 на 15 мм. Сложная конфигурация ряда отражается графиком полинома 3 степени.

За период 1991–2017 гг., в сравнении с климатическими нормами 1961–1990 гг., произошли структурные изменения. Из табл. 2 видно, что наблюдаются тенденции, но с разными знаками трендов: отмечены для августа (плюс) и ноября (минус).

Соответственно, критерий Аббе – Линника подтверждает наличие трендов, как и МНК, где использовались различные графики трендов с оптимально возможной аппроксимацией R2 = 0,1–0,4 (табл. 2), в зависимости от характера разброса значений многолетнего ряда осадков на точечной диаграмме.

Основная часть массива данных характеризуется незначительными величинами положительного или отрицательного знака критерия Кокса – Стюарта в интервале 1–8 мм. Однако для оценки хозяйственно важных параметров это весомый фактор, так как в случае недостатка увлажнения прирост осадков на 1 мм способствует увеличению урожая сельскохозяйственных культур на 10 кормовых единиц в зерновом эквиваленте [12].

Динамика осадков по сезонам года. Осадки по сезонам демонстрируют обобщенные внутригодовые различия при фоновом росте тепловых ресурсов и стабильности суммы осадков за год.

Из табл. 3–4 следует, что, с учетом климатических норм 1961–1990, наблюдается тенденция межсезонного смещения сумм осадков между летом, теплым периодом, с одной стороны (тенденция снижения), весной, осенью и за холодный период – с другой (тенденция роста), за постбазовый период 1991–2017 (табл. 3).

Таблица 3

Суммы осадков по сезонам года для временных интервалов ВМО на м/с «Моздок», мм

Сезоны года

Референтные периоды

Отклонения 1991–2017 от 1961-1990, мм

1961–1990

1981–2010

1991–2017

Зимний

81

78

83

2

Весенний

124

124

127

3

Летний

177

154

147

–30

Осенний

89

105

108

19

Холодный период – ХП (XI–III)

141

143

143

2

Теплый период – ТП (IV–X)

330

318

321

–9

Год

471

463

464

–7

Таблица 4

Величины коэффициента вариации (CV), критерия Кокса – Стюарта (ẑфакт), эмпирического Аббе – Линника (А-Л) и МНК по значениям сумм осадков (сезоны и год) для периодов ВМО на м/с «Моздок» (по А-Л: n = 25, qкрит = 0,684)

Периоды ВМО

Сезон

CV

ẑфакт

А-Л: эмпир.

МНК – уравнение линии тренда

1961–1990

1991–2017

1961–1990

1991–2017

1991–2017

Зима

0,96

1,24

1,21

0,24

0,463

y = 0,0854x2 – 1,72x + 86,2, R² = 0,1

Весна

0,12

0,9

0,1

–0,24

0,353

y = 125,48x–4E–05, R² = 3E–08

Лето

0,06

0,05

1,86

0,93

0,360

y = –0,035x3 + 1,4754x2 – 16,397x + 181,54

R² = 0,075, R² = 0,1

Осень

0,08

0,12

0,1

–0,24

0,491

y = 0,0781x2 – 2,3505x + 123,2, R² = 0,2

ХП

0,0

1,54

0,55

–0,93

0,430

y = 0,0699x2 – 2,7388x + 164,6, R² = 0,02

ТП

0,06

0,05

2,52

2,32

0,254

y = –0,08x3 + 3,3991x2 – 37,866x + 401,51, R² = 0,2

Год

0,08

0,08

1,86

1,63

0,265

y = 465,46x–0,004, R² = 0,1

*Примечание. расчеты проведены при n = 28 по 1961–1990 и n = 25 для 1991–2017 по взвешенным скользящим средним (трехлетний шаг), согласно биному Ньютона (1*2*1) [1].

Наибольшие изменения в суммах осадков 1991–2017 гг. отмечены в летние месяцы. Здесь, по сравнению с нормами, их значения снизились на 30 мм, отражением чего является тренд со знаком минус и сдвиг ẑфакт критерия Кокса – Стюарта с 1,86 до 0,93. Направленность тенденции по Коксу – Стюарту соответствовала значениям МНК (полином 3 степени) и Аббе – Линника.

Осенью зафиксирован максимум прироста осадков в сравнении с 1961–1990 – +19 мм, а также небольшой рост весной – +3 мм. Для осени величина ẑфакт по Коксу-Стюарту равна 0,24 (отсутствие тренда), но с положительным знаком суммы осадков. За холодный период года установлен прирост осадков на 2 мм. По теплому периоду отмечено снижение количества осадков – –9 мм.

Годичный цикл осадков. Осадки по оцениваемым периодам ВМО отражают временну́ю стабильность в пределах 464–471 мм. Снижение годичных сумм осадков на 7 мм за период 1991–2017 не показало наличия трендов. При этом график осадков меняется от относительного роста до определенного снижения. Тем не менее сложная конфигурация ряда дала график степенной зависимости и соответствующую предрасположенность к снижению.

Заключение

1. На фоне годичной стабильности осадков по периодам ВМО в 1961–1990 и 1991–2017 гг. на м/с Моздок происходило их внутригодовое перераспределение между месяцами и сезонами при положительном тренде нарастания суммарных и среднегодовых температур на характеризуемой территории. В этих условиях происходит трансформация режима увлажнения в климатической системе региона.

2. Структурная перестройка режима увлажнения периода 1991–2017 при росте температур и стабильности годичных осадков заставляет перестраиваться климатическую систему в южно-российских степях Северного Кавказа за счет смещения в сторону роста осадков за весенний и осенний периоды (+22 мм) и заметного уменьшения в летний период (–30 мм).

3. Статистика динамики осадков на основе совместно использованных параметрических (МНК и Аббе – Линник), а также знакового непараметрического (Кокс – Стюарт) критериев показала высокую степень надежности произведенных расчетов и полученных результатов.

4. Выявленные тренды, их знаковость в уравнениях МНК, значения Аббе – Линника позволяют с высокой степенью достоверности судить о характере происходящих изменений климата на изучаемой территории.

5. Установленные тенденции в динамике агроклиматических ресурсов увлажнения исследуемого региона дают научную основу для проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия, где должны подбираться устойчивые к дефициту увлажнения культуры и современные агротехнологии с учетом развития новейших систем орошения.

Библиографическая ссылка

Айларов А.Е., Тебиева Д.И., Доброносов В.В. ДИНАМИКА ОСАДКОВ В АГРОЛАНДШАФТАХ СУХОСТЕПНОЙ ЗОНЫ ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРЕДКАВКАЗЬЯ ПО ПЕРИОДАМ ВСЕМИРНОЙ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ ОРГАНИЗАЦИИ (ВМО) НА МЕТЕОСТАНЦИИ «МОЗДОК» // Успехи современного естествознания. 2019. № 8. С. 39-43;
URL: https://natural-sciences.ru/en/article/view?id=37180 (дата обращения: 07.07.2026).
DOI: https://doi.org/10.17513/use.37180