Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Анализ и прогноз динамики режима осадков и температуры воздуха в приземном слое атмосферы предгорной зоны КБР и построение модели адаптации аграрного сектора к их изменениям

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Анализ и прогноз динамики режима осадков и температуры воздуха в приземном слое атмосферы предгорной зоны КБР и построение модели адаптации аграрного сектора к их изменениям"

На правах рукописи

Архестов Герман Хабасович

АНАЛИЗ И ПРОГНОЗ ДИНАМИКИ РЕЖИМА ОСАДКОВ И ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ ПРЕДГОРНОЙ ЗОНЫ КБР И ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ АДАПТАЦИИ АГРАРНОГО СЕКТОРА К ИХ ИЗМЕНЕНИЯМ

Специальность 25.00.30 - Метеорология, климатология,

агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 9 АПР 2015

Нальчик-2015

005568052

005568052

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»

Научный руководитель: Ашабоков Борис Азреталиевич

доктор физико-математических наук, профессор, ФГБУ «Высокогорный геофизический институт», г. Нальчик

Официальные оппоненты: Каменецкий Евгений Самойлович

доктор физико-математических наук, Южный математический институт Владикавказского научного центра РАН и РСО-Алания, г. Владикавказ

Болдырев Антон Сергеевич

кандидат физико-математических наук, доцент, ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», г. Ростов-на-Дону

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение «Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова», г. Санкт-Петербург

Защита состоится 19 июня 2015 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д.327.001.01 при ФГБУ «Высокогорный геофизический институт» по адресу: 360030, КБР, г. Нальчик, пр. Ленина, 2, e-mail: vgikbr@yandex.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ «Высокогорный геофизический институт» по адресу: 360030, г. Нальчик, пр. Ленина, 2

Автореферат разослан 16 апреля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук

Н. В. Кондратьева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

Глобальное потепление климата становится фактором, способным оказать значительное влияние на все сферы человеческой деятельности. Оно уже оказывает влияние на условия проживания и здоровье населения многих регионов Земли, на окружающую среду, на функционирование различных отраслей экономики. Особенно заметными будут последствия изменений климата для сельского хозяйства, которое является одной из самых погодозависимых отраслей экономики. В связи с этим представляет интерес анализ их последствий для производства сельскохозяйственной продукции и поиск путей его адаптации к изменению агроклиматических ресурсов регионов. Этим и обусловлено то, что проблемы анализа и прогноза изменений природно-климатических характеристик регионов и их последствий для аграрного сектора привлекают повышенное внимание исследователей (Диденко О.В., Дронин Н.М., Зайгатов И.Б., Зарытовская А.И., Израэль Ю.А., Кириленко А.П., Яновский Л.П.). Такое же внимание уделяется исследованию влияния изменений климата и на другие сферы деятельности (Бедрицкий А.И., Грищенко И.В., Катцов В.М., Поросенков Ю.В., Прохоров Б.Б., Ранько-ва Э.Я., Ревич Б.А.). Существенное развитие получила и проблема адаптации различных сфер деятельности, включая и производство сельскохозяйственной продукции, к изменениям климата (Коршунов A.A., Ханджоко JI.A., Зоидзе Е.К., Шостак З.А., Клещенко А.Д., Рогозина P.E., Сиротенко О.Д., Павлова В.Н.). В то же время есть немало вопросов, которые требуют дальнейшего развития. К ним относятся анализ и прогноз изменений агроклиматических ресурсов территорий, разработка моделей и определение эффективных путей развития сельскохозяйственного производства с учетом изменений климата и другие. Серьезные трудности возникают и при решении такой важной проблемы, как снижение рисков, связанных с опасными погодными явлениями, влияние которых на различные сферы деятельности усиливается в результате потепления климата. В связи с этим необходимо принимать эффективные меры, направленные на решение отмеченных проблем. Это относится и к формулировке этих задач, анализу информационного их обеспечения, а также к разработке методов их решения.

Важнейшими из этих задач являются анализ и прогноз изменений природно-климатических характеристик, которые должны быть проведены для каждого региона. Основной информацией, используемой для их решения, являются временные ряды метеорологических параметров, характеризующих агроклиматические ресурсы территорий. Что касается методов анализа этих рядов, то преимущественно для этой цели ис-

пользуются математико-статистические методы. Но требования к этим методам должны быть достаточно высокими.

Этими обстоятельствами и обусловлен выбор темы диссертационного исследования, которое посвящено анализу и прогнозу динамики климатических переменных, построению модели и исследованию изменений агроклиматических ресурсов предгорной зоны Кабардино-Балкарской Республики (1СБР) на исходном отрезке времени и в предстоящие годы, разработке модели и определению оптимальной траектории развития регионального аграрного сектора с учетом изменений агроклиматических ресурсов.

Цель работы.

Цель работы заключается в анализе и прогнозе динамики агрометеорологических фактороз, определяющих продуктивность сельскохозяйственных культур в предгорной зоне Кабардино-Балкарской Республики, в построении модели агроклиматических ресурсов и прогнозе их изменений, в разработке модели и оптимизации производства сельскохозяйственной продукции в данной климатической зоне с учетом динамики агроклиматических ресурсов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- формулировка основных задач проблемы адаптации аграрного сектора к изменению агрометеорологических условий;

- анализ динамики временных рядов метеорологических параметров, определяющих агроклиматические ресурсы (количество атмосферных осадков и средняя температура воздуха в приземном слое атмосферы в различные сезоны года) предгорной зоны Кабардино-Балкарской Республики;

- прогноз временных рядов этих же метеорологических параметров;

- разработка модели и прогноз динамики агроклиматических ресурсов данной климатической зоны;

- разработка модели определения производственно-экономических показателей аграрного сектора с учетом изменений агроклиматических ресурсов;

- определение на основе данной модели оптимальной траектории развития аграрного сектора региона с учетом изменений агрометеорологических факторов.

Научная новизна полученных результатов.

В диссертации впервые получены следующие результаты:

1. Сформулированы основные задачи проблемы адаптации аграрного сектора к «медленным» изменениям агрометеорологических

условий производства сельскохозяйственной продукции, предложены методы решения этих задач.

2. По данным за период с 1961 г. по 2011 г. проведен анализ динамики основных метеорологических параметров, определяющих продуктивность сельскохозяйственных культур в предгорной зоне Кабардино-Балкарской Республики (количество осадков и средняя температура воздуха в приземном слое атмосферы в различные сезоны года).

3. Осуществлен прогноз динамики этих метеорологических параметров до 2030 г.

4. Разработана модель и осуществлен прогноз динамики агроклиматических ресурсов предгорной зоны территории КБР до 2030 г.

5. Разработана модель и определены производственно-экономические показатели развития регионального аграрного сектора до 2030 г. с учетом изменений агроклиматических ресурсов.

Практическая значимость результатов работы.

Полученные в работе результаты, помимо решения задачи адаптации производства сельскохозяйственной продукции к изменению природно-климатических характеристик регионов, могут быть использованы для определения приоритетных направлений развития отраслей аграрного сектора, а также для разработки стратегий устойчивого развития данного сектора.

Разработанные в работе методы и модели также могут найти применение при решении задач адаптации функционирования аграрного сектора других регионов к изменению агроклиматических ресурсов.

Основные результаты и положения, выносимые ыа защиту:

1. Формулировка основных задач проблемы адаптации производства сельскохозяйственной продукции к изменениям климата, результаты анализа этих задач и методов их решения.

2. Закономерности изменения метеопараметров, определяющих агроклиматические ресурсы территорий (количество атмосферных осадков и средняя температура воздуха в приземном слое атмосферы в различные сезоны года).

3. Результаты прогноза динамики метеопараметров, определяющих агроклиматические ресурсы территорий, до 2030 г.

4. Метод и результаты построения модели агроклиматических ресурсов предгорной климатической зоны Кабардино-Балкарской Республики в виде произведения функций, связывающих продуктивность культур и агрометеорологические факторы.

5. Метод прогноза агроклиматических ресурсов территорий, основанный на прогнозировании динамики агрометеорологических

факторов на первом этапе и вычислении их значений на основе построенной их модели - на втором.

6. Результаты прогноза динамики агроклиматических ресурсов предгорной зоны КБР.

7. Модель определения производственно-экономических показателей регионального аграрного сектора.

8. Результаты расчетов на основе данной модели производственно-экономических показателей регионального аграрного сектора до 2030 г. с учетом изменений агроклиматических ресурсов.

Личный вклад автора.

Постановка задачи осуществлена совместно с научным руководителем. Сбор и подготовка метеорологической информации, а также информации о производственно-экономических показателях регионального аграрного сектора, разработка программных средств и алгоритмов для анализа и прогноза динамики метеопараметров, обуславливающих агроклиматические ресурсы предгорной климатической зоны КБР, определение показателей регионального аграрного сектора до 2030 г., проведение расчетов и анализ полученных результатов автором осуществлены самостоятельно.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на Международной научной конференции по региональным проблемам гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды (г. Казань, 2-5 октября 2012 г.); на Международной научной конференции «Региональные эффекты глобальных климатических изменений в XXI веке (причины, последствия, прогнозы)» (г. Воронеж, 26-27 июня 2012 г.); на Международном симпозиуме «Устойчивое развитие: проблемы, концепции, модели» (г. Нальчик, 28 июня -3 июля 2013 г.); на семинаре кафедры физики конденсированного состояния Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова (2014 г.); на семинаре отдела Физики облаков Высокогорного геофизического института (2015 г.); на общегеофизическом семинаре в Высокогорном геофизическом институте (2015 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы из 133 наименований. Общий объем работы составляет 134 страницы компьютерного текста, включая 19 таблиц и 17 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертационной работы обосновывается актуальность темы исследования, формулируются цель и задачи работы, кратко излагается ее содержание, раскрывается научная новизна полученных результатов, обсуждается их практическая значимость, приводятся основные положения, выносимые на защиту, а также сведения о публикациях и апробации работы.

В первой главе изложены результаты анализа тенденций изменений климата Земли, обсуждаются современные представления о факторах, влияющих на климат, и вероятные причины его изменения. Проводится анализ возможных последствий изменения климата для различных сфер человеческой деятельности. При этом особое внимание уделяется последствиям данного явления для аграрного сектора. Отмечается, что они могут быть существенными для данного сектора. Обсуждаются возможные механизмы влияния изменения климата на производство сельскохозяйственной продукции, а также основные задачи, встречающиеся в проблеме адаптации данной отрасли к изменению агрометеорологических условий ее функционирования вследствие потепления климата. Таким образом, показано место диссертационного исследования в проблемах анализа и прогноза изменений климата, определения их последствий, адаптации сельского хозяйства к изменениям агрометеорологических факторов.

Во второй главе приводятся результаты анализа проблемы адаптации аграрного сектора к изменению агрометеорологических условий производства продукции. Формулируются основные задачи, возникающие на пути решения данной проблемы, обсуждаются методы их решения.

К задачам проблемы адаптации аграрного сектора к изменению климата относятся следующие:

- прогноз динамики агроклиматических ресурсов региона;

- определение целевых индикаторов развития аграрного сектора в различные моменты рассматриваемого отрезка времени;

- определение комплекса мероприятий, необходимых для доведения урожайностей сельскохозяйственных культур, обусловленных агрометеорологическими факторами региона, до целевых индикаторов;

- определение показателей развития регионального аграрного сектора в различные моменты времени.

При решении последней задачи предлагается использовать такую

модель, которая позволяет оптимизировать функционирование аграрного сектора в целом с учетом взаимодействия его отраслей. В следующих разделах этот вопрос затрагивается более подробно.

В главе также изложен метод прогнозирования динамики агроклиматических ресурсов, который состоит из двух этапов. На первом из них прогнозируются основные агрометеорологические факторы, определяющие агроклиматические ресурсы региона, а на втором, пользуясь взаимосвязью между ними, на интервале упреждения определяются агроклиматические ресурсы. Для прогнозирования динамики агрометеорологических факторов предлагается использовать метод прогнозирования временных рядов, основанный на учете скрытых в этих рядах цикличностей. Изложен метод построения зависимости агроклиматических ресурсов от агрометеорологических факторов. При этом в качестве наиболее важных агрометеорологических факторов, определяющих урожаи сельскохозяйственных культур, используются количество осадков (мм) и температура воздуха (°С) в различные сезоны года. Предположено, что зависимость урожайности озимых культур от агрометеорологических факторов описывается выражением вида:

Тл_

у = Y0T?T°>iT>T?T3°< (да + q3)b' (q3 + qB)b* (qB + qj', (i)

а зависимость урожайности остальных культур от этих же факторов имеет вид:

Тл

у = Y0T^T^e~T> (q3 + qB )*' {qв + qл )A> . (2)

где Т3,ТВ,ТЛ,Т0, - средняя температура воздуха соответственно в зимние, весенние, летние и осенние сезоны года; q3, qB , qn, qQ -количество осадков в эти же сезоны; Г0 - параметр, имеющий смысл урожайности.

Остановимся на некоторых особенностях этих моделей. Построение моделей в виде (1) и (2) позволяет учитывать на качественном уровне взаимосвязь между продуктивностью сельскохозяйственных культур и агрометеорологическими факторами. При записи этих выражений было предположено, что озимые культуры погибают при отсутствии осадков в одном из следующих периодов: осенне-зимний, зимне-весенний или весенне-летний. Таким же образом, как можно заметить из (2), яровые культуры погибают при отсутствии осадков в зимне-

весенний или в весенне-летний период. А от количества осадков в зимний и осенний сезоны их урожайности зависят слабо. Можно еще заметить, что повышение средней температуры воздуха в зимние, весенние и осенние сезоны благоприятно влияет на урожайность культур. Что касается температуры воздуха в летние сезоны, то, согласно моделям, ее повышение до определенного значения также является благоприятным для урожайности культур, а влияние на нее дальнейшего ее повышения уже является отрицательным.

Далее в главе обсуждаются особенности задачи определения показателей развития регионального аграрного сектора в различные моменты времени, проводится анализ различных вариантов ее постановки. Показано, что в общем случае данная задача является многокритериальной задачей принятия решений, реализация которой может встречать серьезные трудности. Для решения данной задачи записана модель функционирования отраслей аграрного сектора, производящих и перерабатывающих растениеводческую продукцию. Она позволяет по производственно-экономическим показателям сельскохозяйственной отрасли оптимизировать функционирование аграрного сектора в целом.

При записи модели было предположено, что сельскохозяйственные предприятия в регионе могут производить п видов сельскохозяйственных культур, которые будут занимать площади пашни, равные Х2....Хп- Общая площадь пашни в регионе пусть будет равна х0. Считаются известными себестоимости производства культур и их урожайности: и У1,У2,...,У„ соответственно. Объем финансовых ресурсов, используемых для производства сельскохозяйственных культур, обозначим через Ф0(1). При определении объемов производства этих культур должны учитываться потребности самого аграрного сектора (у/1', v2m,...,v¿1)) и перерабатывающих предприятий (у/2), у/2), ...,у„(2)). Пусть последние производят т видов продуктов, объемы которых обозначим х„+1,хп+2,...х„+т. Предположим еще, что для производства единицы продукции вида и+/ требуется щ„+у единиц г'-го вида растениеводческой продукции. Такое предположение означает, что технологии переработки сельскохозяйственной продукции известны.

Производственно-экономические показатели перерабатывающей отрасли также заданы: себестоимости продукции равны гп+2з...г„+т, а объем финансовых ресурсов отрасли, используемых для производства продукции, равен Ф0(2). Цены реализации продукции сельского хозяйства равны Р1ъР2,...Рт а цены реализации продукции перерабатывающей

отрасли - сл+/1 с„+2.....сл+т. Отсюда можно записать условие, которое

должно выполняться для рентабельного функционирования обеих отраслей:

Р, > Ъ > Сп+] > 2п+] 0 = йп; у =

Очевидно, что одна и та же культура может использоваться для производства двух и боле«; видов продуктов. Потребности в других видах сырья, которые не производятся в региональном сельском хозяйстве, в модели явно не учитываются. В случае необходимости затраты на их приобретение можно учитывать через себестоимости продукции перерабатывающих предприятий. С учетом сделанных предположений систему ограничений, описывающую производство и переработку сельскохозяйственных культур в региональном аграрном секторе, в общем случае записывается в виде:

п

X х< - х0 (3)

1=1

х1=а1х0 (/ = (4)

где а/ - доля пашни, занимаемой ¡-ой сельскохозяйственной культурой.

Yixi>vP+vP (г = 17^") (5)

(6)

Е хп+] = У.х, (/ = Г77") (7)

у=1

я 1.п+у - затраты/'-ой культуры на производство единицы продукции вида/

т

X + у = Ф$2) (8)

У=1

1=1

х . > V

(9)

Получена система линейных ограничений, которым должны

удовлетворять производственно-экономические показатели аграрного сектора.

В случае, когда предприятия образуют одну экономическую систему, эффективность ее функционирования определяется структурой продуктов перерабатывающей отрасли, что позволяет использовать целевую функцию следующего вида:

и тогда приходим к задаче линейного программирования. В этом выражении Ппп - прибыль перерабатывающей отрасли, спЧ - цены реализации единицы продукции перерабатывающей отрасли. Неизвестными переменными задачи (3) - (10) являются площади пашни хЛ х2.....х„, занимаемые сельскохозяйственными культурами, и объемы производства продуктов перерабатывающей отраслью х„+/,*п+2,... хп+т.

Модель (3) - (10) можно дополнить и другими ограничениями на использование того или иного ресурса или характеризующими технологию производства и переработки продукции.

В третьей главе изложены метод и результаты анализа и прогноза временных рядов агрометеорологических факторов, определяющих продуктивность сельскохозяйственных культур. К ним относятся количество атмосферных осадков и средняя температура воздуха в различные сезоны года. При этом были использованы данные с 1961 г. по 2011 г. метеостанций, расположенных в гг. Нальчик и Баксан. Для исследования динамических свойств временных рядов метеопараметров они были представлены в виде двух и трех частичных временных рядов, для которых вычислялись и сравнивались среднее значение, сред-неквадратическое отклонение, коэффициенты асимметрии и эксцесса, максимальное и минимальное значения и их разброс. Для повышения достоверности полученных результатов проведен анализ линейных трендов рядов.

В качестве примера остановимся на результатах анализа данных о количестве осадков в зимние сезоны в г. Нальчик. В таблице 1 приведены результаты расчетов статистических характеристик частичных временных рядов метеопараметра. Можно заметить, что в случае двух частичных временных рядов наблюдается незначительное увеличение среднего значения данного метеопараметра и составляет всего 0,7 мм. Его изменение четко заметно в случае трех частичных рядов, где данная характеристика имеет тенденцию к уменьшению.

шах

(10)

Таблица 1.

Статистические характеристики частичных временных рядов количества осадков в зимние сезоны (г. Нальчик)

Интервалы врем.ряда (гг.) Среднее значение (мм) Среда г-квадр. откп. (мм) Коэфф. асимм. Коэфф. эксцесса Мин. значение (мм) Макс, значение (мм) Разброс (мм)

1961-1977 78,0 18,9 -2,76 43,95 38 117 79

1978-1994 71,3 18,5 19,9 56,20 48 115 67

1995-2011 70,5 17,5 18,1 61,50 47 117 70

1961-1985 73,0 18,0 8,36 67,10 38 117 79

1986-2011 73,7 19,3 23,1 69,50 47 117 70

Обращает на себя внимание то, что минимальное значение метеопараметра, хотя не очень быстрыми темпами, но увеличивается с течением времени. И это происходит при неизменном значении максимального значения, что приводит к уменьшению разброса между ними. Это может свидетельствовать о том, что осадки в данной климатической зоне региона становятся более интенсивными и однородными.

Что касается коэффициента асимметрии, то в случае трех частичных рядов имеет место резкое его увеличение на отрезке 1978-1994 гг. по сравнению с его значением на предыдущем отрезке времени. А на отрезке 1995-2011 гг. он незначительно уменьшился и стал равным 18,1. Такое его поведение может свидетельствовать о наличии во временном ряду метеопарамгтра циклических составляющих, а также о появлении на отрезке 1995-2011 гг. тенденции уменьшения значений метеопараметра. Это утверждение подтверждается и характером изменения среднего значения метеопараметра - замедлением роста среднего количества осадков в конце рассматриваемого отрезка времени. В будущем, вероятно, будет иметь место некоторое уменьшение количества зимних осадков.

На рисунке 1 приводятся значения данного метеопараметра на рассматриваемом отрезке времени и их линейный тренд. Можно заметить, что изменение г.о времени количества зимних осадков носит достаточно сложный характер, в начале и в конце данного отрезка времени разброс значений метеопараметра значительный. Судя по

поведению линейного тренда, количество зимних осадков на интервале упреждения останется в среднем без изменений или будет уменьшаться медленными темпами.

ц, мм

140

20

/ / } / У # } / / ^ # # / / ? ✓ # / } / # / ^

Годы

Рисунок 1. Динамика количества осадков в зимние сезоны

Что касается последствий такой тенденции изменения количества осадков в зимние сезоны для аграрного сектора, то они будут зависеть от характера изменения остальных агрометеорологических факторов, в том числе температурного режима воздуха в зимние сезоны. В частности, если снежный покров в зимние сезоны будет носить неустойчивый характер, то озимые культуры могут пострадать от заморозков.

По такой же схеме был проведен анализ изменений количества осадков и средней температуры воздуха и в другие сезоны года. Получено, что количество осадков в весенние сезоны меняется примерно таким же образом, что и в зимние сезоны. В летние и осенние сезоны изменение данного метеопараметра носит иной характер: наблюдается увеличение количества осадков. В целом годовое количество осадков в данной климатической зоне региона имеет тенденцию к увеличению.

Что касается средней температуры воздуха, то наблюдается устойчивое ее повышение во все сезоны года. Наиболее заметное ее повышение происходит в зимние сезоны, и оно связано с повышением нижней границы ее значений. По результатам расчетов повышение температуры воздуха в летние сезоны преимущественно связано с

повышением верхней границы. Сохранение этой тенденции в будущем может иметь негативные последствия для сельского хозяйства региона.

Полученные результаты анализа изменений количества атмосферных осадков и средней температуры воздуха в различные сезоны года были дополнены результатами анализа наличия аномальных элементов в их временных рядах, что дает дополнительную информацию о поведении рассматриваемых агрометеорологических факторов. В некоторых случаях они позволяют обойти неоднозначности, возникающие при интерпретации результатов расчетов. Для проведения исследований был использован метод Ирвина.

По результатам расчетов временные ряды метеопараметров содержат достаточно много аномальных элементов. Их количество во временном ряду средней зимней температуры воздуха, например, равно 23, т.е. примерно половина элементов временного ряда являются аномальными. Во временных рядах других метеопараметров таких элементов также достаточно много. Анализ содержания этих элементов во временных рядах показал, что климатическим изменениям более подвержена средняя температура воздуха в весенние, а затем в зимние сезоны. Им менее подвержена средняя температура воздуха в летние и осенние сезоны. Что касается временных рядов количества осадков в различные сезоны года, то содержание таких элементов в этих рядах заметно меньше.

Можно еще заметить, что аномальные элементы распределены во временных рядах неравномерно. Во временном ряду средней зимней температуры воздуха, например, они сосредоточены преимущественно в первой его половине. Во временном ряду количества весенних осадков эти элементы большей частью находятся в начале и конце ряда, а вторая половина временного ряда количества летних осадков практически состоит из аномальных элементов. Таким же образом вторая половина временного ряда количества осадков в осенние сезоны более насыщена такими элементами.

В данной главе приводятся модель и результаты прогнозирования динамики средней температуры воздуха и количества осадков в различные сезоны года в предгорной зоне рассматриваемого региона. Модель состоит из линейной составляющей и к циклических составляющих:

У (О = А0 + В01 + ]Г А,соз-— + 5,8 ш—-ТГ1 Т, Г,. у

(И)

где А0, В0, А„ В, - неизвестные коэффициенты и Т, - периоды циклических составляющих (1=1,2, ...,к). Периоды Т, также являются неизвестными.

Для нахождения Т, используется метод, основанный на построении и анализе фазовых портретов метеорологических параметров, затем неизвестные коэффициенты А0, В0, А,, В, находились методом наименьших квадратов.

На рисунке 2 приводятся значения количества зимних осадков на интервале 1961-2011 гг., а также его прогнозные значения до 2030 г. Анализ полученных результатов показал, что тенденция постепенного уменьшения сохранится в динамике суммарного количества зимних осадков. Наличие такой тенденции подтверждают и результаты анализа исходного временного ряда данного метеопараметра. Уменьшение количества осадков в зимние сезоны, судя по линейном}' тренду, составит на отрезке времени 1961-2030 гг. примерно 15 мм.

Я, мм

20

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69

Годы (1961-2030 гг.)

Рисунок 2. Фактические (сплошная линия; 1961-2011 гг.) и прогнозные (пунктирная линия; до 2030 г.) значения количества осадков в зимние сезоны

Таким же образом был проведен прогноз динамики количества осадков и в другие сезоны. Получено, что тенденция изменения количества осадков в весенние сезоны примерно такая же как и в зимние сезоны. В летние и осенние сезоны имеет место увеличение количества осадков. В целом количество осадков за год в данной климатической зоне региона имеет тенденцию к увеличению. Повышение средней тем-

пературы воздуха будет наблюдаться во все сезоны года. Более быстрыми темпами она будет повышаться в зимние, а затем в весенние сезоны. В летние и осенние сезоны темпы ее повышения примерно одинаковы и они меньше, чем в зимние и весенние сезоны.

Относительно влияния поведения средней температуры воздуха в зимние, весенние и осенние сезоны на производство сельскохозяйственной продукции можно отметить, что в целом оно будет благоприятным. А что касается влияния ее поведения в летние сезоны, то однозначно оценить его не представляется возможным. С учетом того, что последствия высоких температур воздуха могут быть негативными для развития растений, изменение средней температуры воздуха в эти сезоны может отрицательно с разиться на производстве растениеводческой продукции.

Остановимся на результатах прогноза динамики агроклиматических ресурсов региона. Для этой цели был применен метод, основанный на прогнозировании агрометеорологических факторов на первом этапе и вычислении урожайности культур, соответствующей прогнозным значениям метеопараметров, с помощью выражений (1) и (2), - на втором. На рисунке 3 приведены результаты прогнозирования (до 2030 г.) урожайностей некоторых культур, соответствующих линейным трендам агрометеорологических факторов на интервале упреждения. Можно заметить, что на рассматриваемом отрезке времени имеет место изменение агроклиматических ресурсов, однако происходит оно медленными темпами.

ц/га

70 60 50

' озимая пшеница

40 - - - -кукуруза на зерно

30

подсолнечник

20 10 О

-ка ртофель

12345678 9 101112 13 1415 1617 1819

Гэды (2012-2030 гг.)

Рисунок 3. Прогнозные значения урожайности культур (ц/га) на отрезке времени 2012-2030 гг. (цифра 1 на оси абсцисс соответствует 2012 г.)

Наблюдается незначительное повышение урожайности картофеля, обусловленное изменением агрометеорологических факторов (менее чем на 1 ц/га), а урожайности озимой пшеницы и подсолнечника практически остались без изменений. Что касается урожайности кукурузы на зерно, то, видимо, будет иметь место ее снижение, т.е. изменения агрометеорологических условий не благоприятствуют ее повышению.

В главе приводятся результаты расчетов, посвященные определению траектории развития аграрного сектора с учетом трансформации агрометеорологических факторов. Они были проведены с использованием изложенной выше модели. В качестве входных данных используются урожайности культур, общая площадь пашни, финансовые ресурсы отраслей, а также параметры, характеризующие технологию переработки культур. Остальные показатели отраслей агропромышленного комплекса (АПК) в различные моменты времени (структура посевных площадей, объемы производства продукции, затраты финансовых ресурсов на производство различных видов продукции, значения прибыли и т.д.) получаются в результате расчетов. С учетом нынешнего состояния аграрного сектора республики его развитие, предусматривающее выход на уровень передовых стран Европы к 2030 г., было представлено в виде трех этапов длительностью примерно 5, 10 и 5 лет.

При определении целевых индикаторов развития регионального аграрного сектора было предположено, что для обеспечения устойчивого развития сельской местности к 2030 г. он должен выйти на уровень развитых европейских стран. Следует отметить, что показатели аграрного сектора этих стран вполне достижимы для природно-климатических и почвенных условий республики. Было также предположено, что в сельском хозяйстве республики будут производиться традиционные для республики культуры. Данные, характеризующие технологию переработки сельскохозяйственных культур, были получены в результате обследования перерабатывающих предприятий.

Анализ полученных результатов показывает, что и на третьем этапе развития сельского хозяйства республики будут производиться все отмеченные культуры. Из них наибольшую площадь в структуре посевных площадей занимает пшеница, затем следуют зерновые культуры, картофель и кукуруза. Итоги расчетов показывают, что затраты на переработку сельскохозяйственных культур зависят от структуры продуктов переработки, которая с течением времени претерпевает существенные изменения. Функционирование перерабатывающей отрасли на третьем этапе,

например, потребует больше финансовых ресурсов, чем функционирование сельского хозяйства: 80111,8 и 25462,7 тыс. руб. на 1000 га пашни. Имеет также место увеличение значения целевой функции. По сравнению с ее значением на первом этапе, на третьем она увеличилась более чем в два раза: 19096,6 тыс. руб. против 8779,23 тыс. руб. В пересчете на всю площадь пашни (200 тыс. га) данный показатель на этих этапах принимал значения: 3820,0 и 1756,0 млн. руб.

Для проведения сравнительного анализа в таблице 2 приведены значения объемов производства некоторых культур в 2009 г. и последующих этапах.

Таблица 2.

Объемы производства сельскохозяйственных культур на различных этапах развития сельского хозяйства (тыс.т.)

Культура 2009 г. первый этап 2030 г.

1. Пшеница 235,0 283,1 693,6

2. Кукуруза 230,0 321,0 263,15

3. Картофель 201,5 256,0 270,0

4. Овощи 312,9 357,6 945,4

5. Подсолнечник 28,5 49,1 58,8

Можно заметить, что объемы производства культур увеличиваются. Производство пшеницы в 2030 г., например, увеличится более чем в два раза по сравнению с 2009 г. В денежном выражении (в ценах 2009 г.) производство сельскохозяйственных культур в 2009 г. равнялось 3330,0 млн. руб., а в 2030 г. - 13370,8 млн. руб. Имеет место, как можно заметить, четырехкратное увеличение данного показателя.

Полученные результаты показывают, что изменение агроклиматических ресурсов региона заметно не повлияет на продуктивность и объемы производства сельскохозяйственных культур. Правильная организация функционирования аграрного сектора с учетом изменений климатических переменных, определяющих продуктивность культур, позволит обеспечить устойчивое развитие аграрного сектора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты, полученные в настоящей диссертационной работе, можно сформулировать следующим образом:

1. С использованием данных за период с 1961 г. по 2011 г. проведено исследование изменения средней температуры воздуха и количества атмосферных осадков в предгорной климатической зоне в различные сезоны года. Для этой цели использована схема, основанная на представлении исходных временных рядов метеопараметров в виде частичных рядов, для каждого из которых вычисляется достаточно широкий набор статистических характеристик. На основе сравнительного анализа значений этих характеристик делаются выводы об изменении метеопараметров в различные сезоны.

2. Результаты исследований показали, что в рассматриваемой климатической зоне территории КБР наблюдается увеличение годового количества осадков. Оно происходит за счет его увеличения в летние и осенние сезоны, в зимние и весенние сезоны имеет место некоторое снижение количества осадков.

3. Получено устойчивое повышение средней температуры воздуха во все сезоны года. Наиболее быстрыми темпами оно происходит в зимние сезоны, и оно связано с повышением нижней границы средней температуры воздуха. А повышение средней температуры воздуха в летние сезоны на рассматриваемом отрезке времени преимущественно связано с повышением верхней границы интервала ее значений, что в будущем может иметь отрицательные последствия для сельского

хозяйства региона.

4. Изменения температурного режима воздуха и режима атмосферных осадков в данной климатической зоне региона различны в различные сезоны года, и они уже в состоянии повлиять на функционирование регионального сельского хозяйства.

5. Построена модель прогнозирования временных рядов количества осадков и средней температуры воздуха в различные сезоны года, основанная на выделении и учете скрытых во временных рядах метеопараметров периодичностей.

6. Проведены расчеты по прогнозированию динамики средней температуры воздуха и количества атмосферных осадков в различные сезоны года в рассматриваемой климатической зоне. Получено, что на интервале упреждения сохранятся тенденции, содержащиеся во временных рядах их значений на исходном отрезке времени. Они заключаются в повышении средней температуры воздуха во все сезоны

19

года, в увеличении количества осадков в летние и осенние сезоны и, напротив, в некотором уменьшении их количества в зимние и весенние сезоны.

7. Для оценки агроклиматических ресурсов построена модель, описывающая зависимос ть урожайности сельскохозяйственных культур от агрометеорологических факторов, в качестве которых используются количество атмосферных осадков и средняя температура воздуха в различные сезоны года.

8. С использованием данной модели, описывающей зависимость урожайности сельскохозяйственных культур от агрометеорологических факторов, осуществлен прогноз агроклиматических ресурсов (урожай-ностей сельскохозяйственных культур, обусловленных агрометеорологическими факторами) в предгорной зоне республики до 2030 года. Результаты расчетов показали, что в предстоящий двадцатилетний период времени существенных изменений агроклиматических ресурсов в рассматриваемой климатической зоне не ожидается.

9. Предложена модель оптимизации производственно-экономических показателей регионального аграрного сектора, которая позволяет определять оптимальную траекторию его развития с учетом изменений агрометеорологических факторов.

10. Получена траектория развития регионального аграрного сектора с учетом изменений агрометеорологических факторов вследствие потепления климата. При этом проблема определения производственно-экономических показателей регионального аграрного рассмотрена с учетом взаимодействия его отраслей, а целью его функционирования определено обеспечение устойчивого развития сельской местности региона.

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы исследования.

Дальнейшие исследования должны быть направлены на усовершенствование методов прогнозирования временных рядов метеопараметров и агроклиматических ресурсов территорий. Кроме этого, важно развивать методы расчета траектории развития регионального аграрного сектора с учетом влияния изменений климата для случая, когда элементы, образующие его, являются самостоятельными экономическими системами.

Результаты диссертационного исследования могут найти применение при разработке стратегии долгосрочного развития социально-экономических систем различных уровней, для решения задачи прогно-

зирования урожаев сельскохозяйственных культур, для анализа и прогноза динамики различных метеорологических параметров. В дальнейшем планируется расширить количество регионов, для которых будут проведены анализ и прогноз изменений природно-климатических характеристик, а также оптимизация производства сельскохозяйственной продукции с учетом изменений агроклиматических ресурсов.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Публикации в журналах из перечня ВАК Минобрнауки России

1.Архестов, Г.Х. Задачи определения и согласования целевых индикаторов в проблеме адаптации аграрного сектора к изменению агроклиматических ресурсов региона / Г.Х. Архестов, A.A. Ташилова // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. - Нальчик, 2013.- №6 (56).-С. 65-71.

2. Архестов, Г.Х. Об одном походе и некоторых результатах прогнозирования динамики агроклиматических ресурсов / Г.Х. Архестов, А.Х. Балкизова, И.М. Орсаева // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. - Нальчик, 2014. -№1(56). - С. 17-23.

3. Архестов, Г.Х. Анализ и прогноз изменений режима осадков в предгорной части территории Кабардино-Балкарской Республики / Г.Х. Архестов // Известия КБГУ. - 2014. - Т. 4, № 4. - С.5 - 11.

4. Архестов, Г.Х. О некоторых результатах анализа и прогноза климатических переменных, характеризующих режим осадков в предгорной части территории Кабардино-Балкарской Республики / Г.Х. Архестов // Доклады АМАН.-2014.-Т. 16, №3.-С.111-118.

Другие публикации

1. Архестов, Г.Х. Об адаптации аграрного сектора к изменению климата / Стасенко Д.В. // Сборник научных трудов «Современные проблемы региональной экономики». Издательство Кабардино-Балкарского научного центра РАН. - Нальчик, 2009. - С. 34-40.

2. Архестов, Г.Х. О проблеме адаптации аграрного сектора к изменению климата / Г.Х. Архестов, А.Х. Балкизова, Х.М. Темирхоева // Сборник научных трудов «Современные проблемы науки». Издательство Кабардино-Балкарского научного центра РАН. - Нальчик, 2011. -С. 22-25.

3. Архестов, Г.Х. Изменение климата и устойчивое развитие России / Б.А. Ашабоков, Г.Х. Архестов, JI.M. Федченко, A.B. Шаповалов //

Материалы Международной научной конференции по региональным проблемам гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды. -г. Казань, 2-4 октября, 2012. 101 с.

4. Архестов, Г.Х. Об одном подходе к прогнозированию агроклиматических ресурсов / Б А. Ашабоков, Г.Х. Архестов, Д.В. Стасенко // Материалы Международной научной конференции «Региональные эффекты глобальных климатических изменений в XXI веке (причины, последствия, прогнозы)». - Воронеж, 2012 г. - С. 356-360.

5. Архестов, Г.Х. О некоторых задачах проблемы адаптации аграрного сектора к изменению климата и методах их решения / Г.Х. Архестов, Д.В. Стасенко, Х.М. Темирхоева // Материалы Международного симпозиума «Устойчивое развитие: проблемы, концепции, модели», посв.20-летию КБНЦ РАН. - г. Нальчик, 28 июня - 3 июля, 2013 г. Т. 1. - С. 106-109.

6. Архестов Г.Х. Изменение климата и устойчивое развитие России / Б.А. Ашабоков, Г.Х. Архестов, JI.M. Федченко, A.B. Шаповалов // Метеоспектр, -№1, - 2013. - С. 145-149.

7. Архестов, Г.Х. Результаты прогноза динамики агроклиматических ресурсов в предгорной зоне КБР / Г.Х Архестов, А.Х. Балкизова, A.A. Ташилова, Х.М. Темирхоева, A.A. Штымов // Материалы Всероссийской открытой конференции по физике облаков и открытым воздействиям на гидрометеорологические процессы, посвященной 80-летию Эльбрусской высокогорной комплексной экспедиции АН СССР. -г. Нальчик, 7-9 октября, 2014 г., - С. 394 - 402.

8. Архестов, Г.Х. Модель определения траектории развития регионального аграрного сектора с учетом изменений агроклиматических ресурсов / Г.Х Архестов, А.Х. Балкизова, A.A. Ташилова, Х.М. Темирхоева, Х.В. Темботов // Материалы Всероссийской открытой конференции по физике облаков и открытым воздействиям на гидрометеорологические процессы, посвященной 80-летию Эльбрусской высокогорной комплексной экспедиции АН СССР. - г. Нальчик, 7-9 октября, 2014 г.- С. 402 -410.

Бумага офсетная. Формат 84x108 '/и- Гарнитура Тайме. Объем 1.0 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ №07