Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Дедроиндикация гидрометеорологических процессов в Западной Сибири

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Дедроиндикация гидрометеорологических процессов в Западной Сибири"

г г Б

1 ' Российская академия наук

^ 0 ф£В ^9Э^иРское отделение Институт геофафии

на правах рукописи

Лаврентьева Наталья Ивановна

ДЕДРОИНДИКАЦИЯ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

11.00.07 - «Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

ИРКУТСК-

1998

Работа выполнена в Институте географии СО РАН.

Научные руководители - кандидат географических наук

Антипов А.Н. кандидат биологических наук Полюшкин Ю.В.

Официальные оппоненты: доктор географических наук

Шимараев М.Н. кандидат биологических наук Воронин В.И.

Ведущая организация: Институт экологии растений и животных УрО РАН (г. Екатеринбург)

Защита состоится 10 февраля 1998 года в 10°° на заседании специализированного совета Д-002.60.02 при Институте географии СО РАН.

Адрес: 664033, Иркутск-33, ул. Уланбаторская, 1. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГ СО РАН.

Автореферат разослан « & » января 1998 <ода.

Ученый секретарь специализированного

совета, кандидат географических наук----Ю.В.Рыжов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы: Из большого числа проблем, решаемых геоботаникой вместе с другими смежными дисциплинами, одной из важнейших является оценка связи растений и среды их произрастания в пространстве и во времени. В качестве основной характеристики при изучении изменений прироста использован доступный и хорошо изученный анатомический признак - ширина годичного кольца (слоя), измеряемая на поперечных срезах или кернах стволов деревьев.

В настоящее время в гидрологии суши одной из основных проблем является пространственно-временной анализ гидрометеорологических рядов. Во многих районах нашей страны и, прежде всего в Сибири, сеть ГМС станций и длительность наблюдений за процессами крайне недостаточны. Поэтому выводы, которые получены в ходе анализа рядов, отражают особенности гидрометеорологических элементов применительно к незначительному интервалу времени и ограниченным пространствам. В Западной Сибири исследователи (Петров, 1979; Ландшафтно-гидрологический анализ..., 1992; и др.) отмечают уникальность пойм Оби и Иртыша для исследования гидрологического и климатического режимов не только на региональном уровне, но и в глобальном масштабе. Своеобразие условий существования биоценозов в речных поймах и прилегающих к ним районам связано с влиянием на них весенне-летних половодий, а также летних дождевых и других паводков. В анализе этого гидрологического фактора, реакции на него популяций и сообществ наиболее перспективно искать циклические закономерности.

Прогнозы, даваемые на основе цикличности, позволяют предсказывать длительные тенденции изменений климатических и гидрологических условий. Именно такие прогнозы важны при составлении перспективных планов использования природных ресурсов.

Цель и задачи исследований. Цель работы - на основании материалов о радиальном приросте деревьев и гидрометеорологической информации выявить основные закономерности индикации

гидрометеорологических процессов во времени и пространстве для территории Сибири, а также исследовать возможность использования древесно-кольцевых хронологий для реконструкции и прогноза некоторых элементов гидрологического режима.

Для достижения этих целей требуется решить следующие частные задачи:

1. Разработать структуру интегрированной информационной системы (ИИС) для работы с временными рядами большой размерности, включающей в себя базы данных "Дендрохронология", "Гидрология" и "Метеорология", создать на машинных носителях базы данных (БД), систему управления БД, наполнить их информацией, адаптировать к поставленным задачам.

2. Обосновать применимость методов анализа случайных процессов и временных рядов к разложению на физические составляющие пространственно - временной дендрохронологической информации.

3.Создать программный комплекс, позволяющий выявлять закономерности связи в пространстве гидрометеорологических и дендрохронологических рядов.

4. Проанализировать циклическую структуру многолетних колебаний радиального прироста деревьев и элементов гидрологического режима.

5. Полученные закономерности использовать для ретроспективной оценки различных элементов гидрологического режима, а также для временной экстраполяции и пространственной интерполяции различных характеристик.

По результатам выполненных исследований на защиту выносятся следующие основные положения:

I. Анализ дендрохронологической ииформации как пространственно - распределенных временных рядов, доказывает применимость методов многомерного статистического анализа и предполагает применение информационных систем, как способа пространственной организации сбора, хранения, обработки и воспроизведения дендрохронологических данных;

II. Применение метода факторного анализа для матрицы пространственно - временных дендрохронологических рядов позволяет перейти от количественных характеристик к качественным и вычленить из рядов радиального прироста гидрологическую составляющую, хорошо коррелируемую с элементами гидрологического режима исследуемого района.

Ш.Дендрохронологическая информация из пойменных местообитаний Нижней Оби может использоваться для реконструкции и прогнозирования гидрологического режима Оби.

Научная новизна работы. Без синтеза знаний невозможно обеспечить комплексный междисциплинарный подход к решению актуальных задач современной науки. Настоящая работа выполнена математическими методами на основе биологического материала радиального прироста древесины и • характеристик гидрометеорологического режима по территории Западной Сибири. Математический подход позволил выявленные закономерности циклических колебаний использовать для долгосрочных прогнозов развития природных процессов.

Доказано, что пространственно ' - временная дендрохронологическая информация позволяет установить связь с многолетними колебаниями климата и с элементами гидрологического режима в исследуемом районе.

Разработана математическая модель, с помощью которой по дендрохронологическим характеристикам построены ненаблюдаемые функции, через которые можно выйти на наблюдаемые природные процессы.

Показано, что древесно-кольцевые хронологии исследованных деревьев хорошо описывают многолетнюю динамику изменений гидрологического режима Оби и Иртыша и могут использоваться для их реконструкции и прогноза.

Практическая значимость работы. Реконструированные характеристики элементов гидрологического режима использовались при кратко- и долгосрочном прогнозировании прироста древостоев и изменений гидрологического режима рек Оби и Иртыша. Результаты

работы автора использовались для анализа уровня водности р. Куда и прогнозирования максимального уровня половодья в ее верховьях.

Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены на Международном рабочем совещании по дендрохронологическим методам в лесоведении и экологическом прогнозировании (Иркутск, 1987), V Всесоюзном совещании по проблемам дендрохронологии и дендроклиматологии (Свердловск, 1990), XI конференции молодых географов Сибири (Иркутск, 1990), российско-германском семинаре по методам временного анализа и ГИС (Ганновер, 1994).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 161 стр., содержит 21 рисунок, 11 таблиц. Список литературы включает 188 наименований, в том числе 9 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. Использование дрееесно-кольцевых хронологий для реконструкции гидрологических и климатических факторов среды (литературный обзор).

Анализ литературы показал, что методы индикации природных процессов и структур по изменчивым признакам растительности достаточно широко используются в различных областях науки. На их основе можно выявлять закономерности погодичной и многолетней изменчивости климатически обусловленной доли прироста деревьев. (Битвинскас, 1972, 1974, 1990; Молчанов, 1976; Шиятов, 1974, 1975; 1986; и др.). Полученные дендрохронологические ряды могут быть с успехом использованы для точной датировки и выявления частоты повторяемости таких катастрофических явлений как лавины, сели, буреломы (Адаменко, 1968; Турманин и др., 1968; Алексеев, Новицкая, 1990; и др.), пожары (Молчанов, 1957, 1976; Полюшкин и др., 1980; Воронин и др., 1987; и др.). Кроме работ по установлению связей между колебаниями стока рек и годичным приростом деревьев (Рудаков, 1964,

1980; Полюшкин и др., 1983; Полюшкин, 1987; Агафонов, 1996; и др.) существует ряд исследований по применению методов дендроклиматологии при определении колебаний уровня воды озер и водохранилищ (Штггников, 1954; Галазий, 1964; Орлов, 1970; Адаменко и др., 1982; и др.).

Ю.В.Полюшкиным и А.Н.Антиповым предложено понятие дендроиндикации как совокупности подходов и методических приемов анализа пространственно-временных различий гидрологических объектов и процессов по косвенным (индикационным) признакам деревьев, произрастающих в экосистемах суши с выраженным гидрогенным характером (Полюшкин, 1979, 1983, 1987; Полюшкин и др., 1983; Ландшафтно-гидрологические..., 1989; Ландшафтно-гидрологический..., 1992).

Обзор различных методик гидрологической классификации и районирования территории Западной Сибири (Малик, 1972; Корытный, 1974, 1991; Никитин, Земцов, 1986; Бураков, Земцов, 1989) показал возможность на основании представлений о закономерностях взаимодействия процессов и факторов осуществлять генетически обоснованную пространственно-временную экстраполяцию.

Рассмотренные методики дают возможность привязать полученные в ходе пространственной дифференциации закономерности ландшафтно-гидрологической организации территории к закономерностям их многолетнего развития через реконструкцию явлений и процессов, временной привязки событий прошлого в локальных объектах. С другой стороны, были намечены основные задачи исследований, решаемые в работе.

ГЛАВА 2. Природные условия района исследования.

Исследования проводились на Нижней Оби в Березовском пойменном районе (Петров, 1979), а также на территории, охватывающей Уватский болотно-террасный (Прииртышье) и Курганский террасно-склоновый (Притоболье) долинные массивы, по которой

пространственно распределены точки взятия образцов, территориально привязанные к населенным пунктам (Рис.1).

Березовский

район

разбросанное множеством которыми обширные

Рис. 1. Тюменская и Курганская области. Размещение древесно-кольцевых серий. Районы исследований:

I. Березовский пойменный район;

II. Уватский бопотно-террасный район;

III. Курганский террасно-склоновый район.

расположен в пределах Мансийской синеклизы

(Нижнеобской впадины). С запада он ограничен Северо-Сосьвинским сводом, с востока -Белогорским материком. Пойма двухъярусная пониженная, имеет многорукавное

русло с проток, между расположены соровые слабообвалованные поверхности. Заболоченность Березовской поймы - следствие низкого гипсометрического положения поверхности

пойменных массивов

относительно меженного уреза и продолжительного стояния высоких уровней половодий. Устойчивая продолжительность половодья 4-4,5 месяца с окончанием в сентябре, что вызвано растянутостью

снеготаяния на огромной площади бассейна Оби, замедленным отеканием талых и дождевых вод в связи с

равнинностью и слабой расчлененностью водосборов, малой густотой речной сети, залесенностью, обилием озер и болот, огромной аккумулирующей емкостью пойм (Максимов, 1974).

Исследовалось 12 серий по 10 деревьев с длиной ряда от 227 до 84 лет. В каждой серии для анализа использовались деревья, в которых связи с факторами среды наиболее четко выражены и синхронность между кривыми прироста разных серий оказалась самой высокой.

Уватский район исследования охватывает 4 пойменных района на Иртыше в пределах Тюменской области (Петров, 1979).

Для исследуемого района растительность, прежде всего лесная, достаточно полно отражает такие важнейшие процессы, как дренированность территории или аккумуляцию влаги.

По признакам растительного покрова рассматриваемый район относится к подтайге благодаря отепляющему влиянию Иртыша и как бы втягивается по долине на север в подзоны южной и средней тайги. Здесь распространены обширные, плоские, слабо дренированные и слабо расчлененные эрозией водноаккумулятивные равнины, чрезмерно заболоченные. В отдельных частях территории болотами занято более 40% площади. Лишь узкие приречные, несколько осушенные полосы покрыты лесами.

Расположен район в центральной пониженной части ЗападноСибирской равнины в широкой долине, изобилующей протоками, старицами, ложбинами, озерами, болотами, которые после спада половодья остаются занятыми водой.

Весеннее половодье на Нижнем Иртыше (главная фаза водного режима, во многом определяющая природные процессы в долине реки) обычно высокое и продолжительное. Общая средняя продолжительность половодья составляет 134-151 день (Петров, 1979).

Для режимной сети характерны ее недостаточная плотность и кратковременность наблюдений.

Самым маловодным за весь период наблюдений был 1967 г. (модульный коэффициент - 2.5). К числу лет с высокими весенними водами (модульный коэффициент больше 1, обеспеченность менее 20 %) можно отнести 1892, 1898, 1908, 1912, 1914, 1923, 1928, 1941, 1947,

1957, 1966, 1970, 1971, 1975-1977, 1979-1980 гг. Выделяются маловодные серии наибольшей продолжительности - с 1930 по 1940г, 1951-1955 и 1975-1978 гг.

Одним из экстремальных по всей территории исследуемого района, как по продолжительности, так и по высотным отметкам, был 1941 год, обеспеченностью 2.5 %, что позволяет отнести его к аномальным по водности годам, а также к наиболее неблагоприятному для вегетации растительности году.

Экстремально маловодным является 1967 год, обеспеченность 96%, длительность половодья составила около 100 дней. Этот год помимо низкой водности характеризовался и незначительной суммой осадков, что создало условия для существенной засушливости вегетационного периода.

Начало цикла потепления отмечено одновременно на всей территории и относится к 1918 году, а конец - к 1952-1954 гг. Региональной особенностью является снижение амплитуды колебаний температуры воздуха относительно многолетней средней величины с севера на юг от 2 до 1°С.

Потепление, наблюдавшееся более трех десятилетий, постепенно сменилось похолоданием, которое продолжалось больше двух десятилетий (с 1953-1955 до 1977-1978 гг.). Однако близ южной границы тайги этот период похолодания не выражен. Зафиксированы лишь незначительные колебания температуры воздуха около среднемноголетней величины.

Аномально теплые и холодные летние сезоны в северной и южной половине территории не совпадают. Так, например, в южной половине наиболее теплым был 1940 г., а в северной - 1943 г.

Исследовалось 12 серий по 10 деревьев с длиной ряда от 258 до 71 года.

Курганский район исследований расположен в долине р. Тобол в Курганской области в зоне лесостепи. Одна из наиболее важных ее особенностей - обилие болот, особенно на Обь-Иртышском междуречье, в займищно-лугово-солончаковой лесостепи. Остепненные травяно-

кустарничковые и травяно-сосновые леса широко представлены как в приуральской части зоны (по Тоболу и его левым притокам), так и в ее восточной части (по Оби и по лощинам стока Приобья); они развиты на оподзоленных (дерново-подзолистых) песчаных и супесчаных почвах.

По рельефу зона неоднородна. В ее пределах выделяются более приподнятые и лучше дренированные приуральская и приобская части и центральная пониженная часть.

Густота речной сети в северо-восточной наиболее обводненной части зоны достигает 70 - 130 м на 1 км2 площади бассейна, а в южной части Барабы и Ишимской лесостепи - 30 - 50 м на 1 км2. Реки характеризуются малыми уклонами, медленным течением и небольшой глубиной. Весеннее половодье чисто снегового происхождения обычно бывает кратковременным (1,5-2 месяца).

Тобольская лесостепь представляет собой плоскую нерасчлененную заболоченную равнину с абсолютными отметками 100 -120 м. Средняя температура июля здесь 18, а января -18°. Сумма средних суточных температур воздуха за период с температурой выше 10° - около 1900°. Продолжительность безморозного периода составляет 100 дней. Вегетационный период продолжается около 160 дней.

Количество выпадающих осадков в Тобольской лесостепи составляет 400-430 мм. Грунтовые воды пресные и располагаются на глубинах 10-12 м и глубже.

На хорошо дренированных участках распространены выщелоченные или оподзоленные черноземы; значительные площади занимают оподзоленные почвы боровых песков. Древесная растительность представлена в Тобольской лесостепи, главным образом, сосновыми лесами с березой и осиной или чистыми сосновыми борами (Западная Сибирь, 1963; Природа таежного Прииртышья, 1987).

Исследовалось 10 серий по 10 деревьев с длиной ряда от 132 до 61 года.

ГЛАВА 3. Объекты и методы исследования.

Анализ состояния природных компонентов проводился на ключевом участке (на Нижней Оби - Березовский пойменный район

(Петров, 1979)) и комплексном физико-географическом профиле (Уватский болотно-террасный и Курганский террасно-склоновый долинные массивы). При организации профиля были приняты следующие критерии выбора (Антипов и др., 1984):

1. Полный охват в пределах профиля экологической амплитуды - русло, пойма, терраса;

2. Возможность привязки полученных в ходе исследований материалов к рядам наблюдений, осуществляемым на гидрометеорологической сети, географических и иных стационарах, гидрогеологических постах.

Организация полевых исследований, отбор образцов в натуре и первичные замеры ширины годичных колец осуществлялись Ю.В.Полюшкиным, гидроклиматические режимные исследования на стационарах и в маршрутах - под руководством А.Н.Антипова.

Для проведения дендрохронологического анализа были отобраны модельные деревья, на прирост которых неклиматические факторы оказывали бы возможно меньшее влияние. Для построения дендрохронологических рядов использовалась сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.).

В качестве локальных характеристик гидрологического и температурного режимов в исследуемых районах использовались данные гидрометеостанций, расположенных в ближайших к районам сбора образцов древесины, и располагающих длительными рядами наблюдений.

Для экологических интерпретаций гидрологического режима поймы, а также для характеристики водности реки использовался показатель водности - среднесуточный уровень воды за период открытого русла и для различных отрезков времени внутри этого периода (Агафонов, 1996).

Кроме этого показателя использовались следующие элементы гидрологического режима:

- средняя месячная температура воды периода открытого русла;

- средний уровень воды периода открытого русла (май -сентябрь;

- максимальный уровень половодья;

- средний уровень воды (май-сентябрь);

- максимальный уровень воды (май-сентябрь).

При этом использовались связи как с гидрологическими условиями текущего, так и предшествующего года. В последнем случае производился сдвиг ряда собственных значений рассматриваемого фактора на 1 год назад, относительно ряда наблюдений реконструируемого элемента гидрологического режима

Для определения характера связей радиального прироста исследуемых пробных деревьев с климатическими факторами, использовались среднемесячные температуры воздуха, количество осадков за период с мая по сентябрь; ряды средних годовых значений температуры поверхности океана в квадратах Смеда; числа Вольфа (Витинский, 1989)..

Внутривековые колебания среднесуточной температуры воздуха характеризуются материалами наблюдений в придолинных и долинных ландшафтах крупных рек лесотундры (г.Салехард, с 1883 г.), северной (г.Березово, с 1883 г.), средней (г. Ханты-Мансийск, с 1897 г.) и южной (г.Тобольск, с 1885 г.) тайги Западной Сибири (Климатический .... 1955, 1956; Справочник..., 1972; Природа таежного..., 1987).

Для изучения многолетних колебаний атмосферных осадков использовались длиннорядные данные наблюдений на

метеорологических станциях. Наиболее длинные ряды Нижней Оби и Нижнем Иртыше в пунктах: Салехард (с 1892 г.), Демьянское (с 1897 г.), Тобольск (с 1891 г.). Дополнительно взяты материалы метеорологической станции Сургут (с 1892 г.), расположенной в средней части широтного отрезка Оби.

Было сделано предположение, что исследуемая природная система работает как модель с несколькими входами (климатические, гидрологические, антропогенные, катастрофические, почвенные и другие

процессы) и одним выходом (дендрохронологические характеристики). Графически это можно представить следующим образом.

существует q линейных систем с постоянными параметрами, задаваемыми частотными характеристиками (Я,((),; = 1,..,?). На входы систем поступают полностью определенные наблюдаемые входные процессы {Y¡{t),i=\,..,q), которые преобразуются в один наблюдаемый выходной процесс X(t).

В шум на выходе L(t) включены все отклонения от этой модели, в том числе, ненаблюдаемые входные процессы, нелинейные и нестационарные эффекты и инструментальный шум.

Решена обратная задача для нашей модели; т.е. по наблюдаемым дендрохронологическим характеристикам построены ненаблюдаемые функции, через которые можно выйти на наблюдаемые природные процессы с помощью основной гипотезы факторного анализа.

При установлении тесноты связи радиального прироста с факторами природной среды использовался спектральный анализ, множественный регрессионный анализ, модель Бокса-Дженкинса, расчет коэффициентов синхронности и сходства циклов, а также графический метод сопоставления временных рядов.

Автором разработаны: программный комплекс STAN (методика факторного анализа) и LANA (корреляционный и множественный регрессионный анализ, подбор прогнозных значений), на языке программирования Fortran-IV для IBM - совместимых компьютеров, а также использовался пакет прикладных программ STADIA.

ГЛАВА 4. Структура дендроклиматического банка.

Разработан программный комплекс, включающий в себя интегрированную информационную систему, которая позволяет работать с рядами большой размерности, а также комплекс программ для обработки дендрохронологической информации.

В рассматриваемой системе "Дендрохронология" находятся ряды индексов приростов, причем количество этих рядов ограничено только физическими возможностями машинных носителей.

Каждое дерево, занесенное в БД, имеет уникальный идентификационный номер. Все данные об этом дереве - составляющие объекта "Характеристики дерева" (ХД). Информация о каждом дереве включает: регистрационный номер; географическую привязку; код местоположения (из объекта "Местоположение - гидротоп" (МГ)); код древостоя (объект "Тип древостоя" (ТД)); код породы (объект "Порода дерева" (ПД)); год взятия керна; описание дерева.

Кроме вышеперечисленных существует еще объект "Индексы прироста" (ИП), атрибутами которого является регистрационный номер и года, за которые есть данные.

Эталонные дендрошкалы (ДЭД) представляют изменчивость радиального прироста деревьев вида в основных типах его произрастания. Наличие эталонных дендрошкал позволяет учитывать изменение радиального прироста с возрастом, а затем исключать возрастной тренд в целях нормирования рядов. Схема работы БД "Дендрохронология" выглядит следующим образом:

Для решения комплекса данных создана система взаимосвязанных задач обработки данных (СОД). На универсальном языке программирования, в системе CLIPPER 5.5 написаны программы обработки, заполнения (загрузки) и корректировки БД и программа распечатки выходных форм.

ГЛАВА 5. Анализ связей древесно-кольцевых хронологий с элементами гидрологического и климатического режимов.

Уватско - Курганский физико-географический профиль.

Проведено разложение исходных данных на факторные составляющие. На выделяемые три фактора приходится 74% общей дисперсии. Фактор 1 Ц) является функцией от средней температуры воздуха при <р= 65-70 и среднего прироста толщины деревьев. Коэффициент множественной корреляции Ru = 0.729. Фактор 2 (f2) -функция от суммы осадков и среднего уровня воды; rm = °-657. Фактор 3 (/3) - функция отклонения глобальной температуры Земли от среднемноголетней, средней температуры воздуха чисел Вольфа

{V). Коэффициент множественной корреляции RM = 0.65 .

Фактор /2 определен как "гидрологический", т.е. фактор, отвечающий за анализ гидрологических показателей исследуемого района, а фактор /3 как "метеорологический".

Рассмотрен "гидрологический" фактор на примере гидрологических условий низовий Иртыша и Тобола.

В годы с половодьями катастрофического характера, когда пойма затоплена в течение 4 месяцев, а уровень подъема полых вод достигает высоты почти 12 м над средней многолетней меженью, у деревьев этой зоны местообитаний формируются наиболее узкие годичные кольца и при разложении на факторы подобные циклические совпадения выносятся в отдельный фактор.

Сильные затопления наблюдались в 1914, 1927-1928, 1933, 1941, 1947, 1950, 1957, 1966, 1970, 1971 и 1979-1980 гг., когда глубина затопления достигала примерно 3 м, а продолжительность стояния

высоких уровней воды на пойме составляла 100-120 суток. Наибольшая глубина затопления была определена в 1941 г., а наибольшая продолжительность в 1947 г.

Годы, когда не затапливались даже пониженные участки поймы и характеристики затопления были наименьшими, относятся к маловодным, они следуют один за другим сериями из 2-3 лет, например, 1900-1901, 1954-1956, 1972-1974.

При сопоставлении исходных рядов радиального прироста сосны с условиями гидрологического режима текущего года по данным гидрометеостанций, ближайших к точкам взятия образцов, отмечено присутствие слабых связей между ними за исключением среднего уровня веды в июне.

Сопоставление этих же рядов с условиями гидрологического режима предшествующего года показало усиление влияния последнего на прирост, но незначительно.

При сопоставлении ряда собственных значений "гидрологического" фактора с полем факторов условий гидрологического режима района исследований, наиболее тесная связь прироста выявлена с такими элементами гидрологического режима текущего и предшествующего года, как средний уровень воды над низкой поймы и максимальный уровень половодья (г=0,68), а также средний уровень воды в июне (г=0,70).

Для анализа "метеорологического" фактора рассмотрены ритмы и циклы метеорологических элементов в долинных ландшафтах таежного Обь-Иртышья.

Начало цикла потепления отмечено одновременно на всей территории и относится к 1918 г., а конец - к 1952-1954 гг. Потепление, наблюдавшееся более трех десятилетий, сменилось похолоданием(1953-1955), которое продолжалось более двух десятилетий. Последний весенний цикл потепления начался в 1969-1970 гг.

Климатические ресурсы территории оцениваются по сочетанию условий температуры приземного слоя воздуха и атмосферных осадков. Длительность, интенсивность, время наступления различных фаз

циклических колебаний осадков весной и летом имеют совершенно автономный характер во внутригодовом цикле. Особенно устойчива многоводная фаза первой половины XX века (1907-1950 гг.), которой предшествовала серия весьма засушливых лет, понижение осадков (1953-1971 гг.), невыраженное повышение осадков в последние 15 лет.

Наблюдается хорошая согласованность вековых циклов по литературным данным с ходом "метеорологического" фактора.

Известно, что в высоких широтах температура воздуха летних месяцев является основным экологическим фактором, определяющим величину радиального прироста деревьев (Шиятов, 1986; Агафонов, 1996).

Однако, для полученного ряда собственных значений "метеорологического" фактора не удалось установить зависимостей со средними месячными температурами воздуха за период с мая по август текущего и предшествующего года, а также с количеством осадков с мая по август, в то время как сами ряды радиального прироста показывали наличие зависимостей, хотя и слабых.

Достаточно сложно определить структуру фактора /,, у которого не выявлено определенных зависимостей ни с одним отдельным элементом поля глобальных и локальных характеристик, несмотря на достаточно высокий коэффициент множественной корреляции и коэффициенты частной корреляции с исходными данными рядов радиального прироста. Возможно, это обусловлено тем, что в этой составляющей собраны биологические особенности вида, возраст древесного растения и условия местообитания. Эта составляющая названа фактором "шумов", и исключена из дальнейшего анализа, хотя для других задач именно этот фактор может представлять наибольшую ценность.

Березовский пойменный район.

В качестве исходных характеристик анализировалась совокупность обобщенных дендрохронологических рядов. Теснота связи между обобщенными дендрохронологическими рядами оценивалась коэффициентами корреляции (К). Степень воздействия общих факторов

по отношению к двум рассматриваемым рядам оценивалась коэффициентом синхронности Ксинх- Диапазон варьирования этих коэффициентов: (4=0,20-0,77; Кс„„х=43-96%.

Проведено разложение исходных данных на факторные составляющие.

Фактор 2 (/2) - является функцией от суммарного уровня водности, суммарного уровня воды над низкой поймой. Коэффициент множественной корреляции =0.798. Фактор 3 (/,) - функция от средней температуры воздуха за июль и средних месячных осадков за май и июльй^ = 0.689.

По аналогии с рассмотренными выше зависимостями, фактор /2 является "гидрологическим", фактор /3 - "локальным климатическим", фактор/ -фактором "шумов".

"Гидрологический" фактор является функцией от среднего уровня водности (Рис.2). Зависимость среднего уровня водности и "гидрологического" фактора достаточно высока (Р?=0,76) и, несмотря на довольно короткий ряд наблюдений, позволяет построить модель для реконструкции данных.

3000

3

2500

Рис. 1 Реконструкция водности Оби открытого русла для

Березовского пойменного района

-Рад собственных значений

-Реконструированный ряд

ГЛАВА 6. Реконструкция и прогноз элементов гидрометеорологического режима.

На основе выявленных особенностей в цикличности природы появляется возможность прогнозировать ряд следующих друг за другом циклов природных процессов.

Наши задачи, сформированы и решаемы на основе пространственно-временных выборок и зависят от объема временных выборок. При небольшом числе временных периодов, т.е. в случае короткой предыстории, решается задача выявления пространственных связей результативного показателя с факторными признаками.

При достаточно большом числе временных периодов наблюдения, т.е. в случае длительной предыстории, решается задача выявления закономерностей в динамике показателей. Найденные закономерности могут быть использованы как для объяснения, описания общих закономерностей развития объектов, так и для прогнозирования значений показателей.

Уватско-Курганский район исследования.

Для проведения районирования в исследуемом районе и прогнозирования элементов гидрометеорологического режима использованы методы кластерного анализа и авторегрессии Бокса-Дженкинса (ARIMA), представленные в статистическом пакете программ STADIA.

Поскольку нами уже было доказано, что разложение совокупности природных объектов, характеризуемых древесно-кольцевыми хронологиями оправдано, то для проведения районирования была использована матрица собственных значений U(fi,rj), где Г) - факторы разложения, rj - номер природного объекта. Все природные объекты разбились на два класса, причем в один класс попали природные объекты, расположенные на Нижнем Иртыше,

Уватский район исследований; к другому классу относятся объекты, расположенные на реке Тобол, Курганский район исследований. Кроме этого, наблюдался природный объект, который не вошел ни в один из этих классов: обобщенный ряд объекта, пространственно расположенного рядом с Курганом у д. Березовка, но в котором природные циклы настолько частые, что дерево не успевает отреагировать на них и дендроряд практически не отличается от «кривой большого роста» . Этот ряд был добавлен в исследуемую матрицу для возможности проверки данных на несоответствие поставленной задаче при массовой обработке материалов.

Так как ортогональные проекции различных классов разложения оказались разнонаправленными, то с помощью дополнительных вычислений по каждому классу было выяснено, что при разложении на составляющие факторы на первое место в меньшем по численности классе выходит "гидрологический" фактор, а в большем классе -"метеорологический". Этот факт подтверждается и литературными данными. На реке Тобол от Кустаная до Кургана в наибольшей степени сказывается влияние зонально-климатического фона, а проявление поемности сокращается до минимума.

При проведении более дробного районирования по отдельным факторам, установлено, что наблюдается хорошее разложение по характеру гидрологического режима и типу питания, а также формам рельефа.

Березовский пойменный район.

Обобщенные ряды, представленные в Березовском пойменном районе, достаточно однородны. Применение кластерного анализа показало, что все объекты принадлежат одному классу с достаточно высоким уровнем сходства матрицы собственных значений, что позволяет построить прогнозные ряды для этого района исследований.

Одним из наиболее распространенных методов прогнозирования является метод экстраполяции, т.е. распространение прошлых и настоящих закономерностей, связей и отношений на будущее.

Типичным и наиболее применимым приемом экстраполяции является прогноз по одномерному временному ряду. Недостатком этого метода при решении нашей задачи является то, что прогнозируется только детерминированная компонента ряда динамики и не учитывается случайная компонента. Чтобы сделать прогноз более точным, надо отыскать закономерность изменения во времени этой случайной величины и сделать ее прогноз. Затем результаты прогноза детерминированной и случайной компонент объединяются.

Прогнозный ряд "гидрологического" фактора (Рис.3) построен для максимального уровня половодья периода открытого русла. Реконструированный ряды имеет длительность до 133 лет, значимую тесноту связи (г=0.83) и сходство (81%). Рассматривая полученный прогнозный ряд можно сказать, что:

- маловодный период с незначительными подтоплениями прогнозировался с 1985 по 1994 гг., что подтверждено инструментальными наблюдениями;

-очередной максимум уровня половодья будет наблюдаться в 1997-1998 году;

- очередной маловодный период ожидается в 2006-2015 гг.

На рис. 4 приведен прогнозный ряд "метеорологического" фактора, описывающего вековые климатические циклические составляющие (г=0.80; 8=69%).

Прогнозные циклы показали, что:

- с 1985 года начался очередной пик потепления, который будет продолжаться до 2000 года;

- с 2000-2001 года ожидается вступление в период похолодания, который продлится до 2009-2010 года.

{

Рис.3 Исходный и прогнозны« значения максимального уровня половодья для Березовского пойменного района.

- исходные значения; ■ -■ - прогнозные значения.

1Р

Рис. Исходный и прогнозные значения климатического фактора для

Березовского пойменного района. —- исходные значения; -— - прогнозные значения.

23

Выводы.

1. Гидрометеорологический режим Западной Сибири является основным экологическим фактором, определяющим величину и многолетнюю динамику радиального прироста древесной растительности.

2. Причиной образования неоднородности в распределениях является реакция деревьев на суммарное действие различных факторов, ограничивающих рост. Разработана математическая модель, описывающая полимодальные распределения.

3. Применение метода факторного анализа для матрицы пространственно распределенных дендрохронологических рядов вполне оправдано и позволяет вычленять из рядов радиального прироста гидрологическую составляющую, хорошо коррелируемую с элементами гидрологического режима исследуемого района.

4. Климатическая составляющая пространственно - распределенной дендрохронологической информации позволяет установить связь с многолетними колебаниями климата в исследуемом районе.

5. Древесно-кольцевые хронологии исследованных деревьев хорошо описывают многолетнюю динамику изменений гидрологического режима Оби и Иртыша и используются для их реконструкции и прогноза.

Список работ по материалам диссертации.

1. Лаврентьева Н.И. Дендрохронологический блок в информационной системе.: сб. Дендрокпиматология и дендрохронология. Свердловск. 1990, с.

2. Лаврентьева Н.И. Применение ГИС для дендроиндикации гидрометеорологических процессов.: Мат. XI конф. молодых географов Сибири. - Иркутск. 1990, с. 32-34.

3. Лаврентьева Н.И., Полюшкин Ю.В. База данных "Дендрохронология" как часть интегрируемой геоинформационной системы. : География и природные ресурсы. 1993. -вып. 1., с. 138-143.