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.