Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Физико-статистические предпосылки и методика оценки вероятности возникновения скрытых заморозков

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Физико-статистические предпосылки и методика оценки вероятности возникновения скрытых заморозков"

На правах рукописи

? /г

0055371«

КОНОНЕНКО ОЛЬГА ВЛАДИМИРОВНА

ФИЗИКО-СТАТИСТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ И МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ВЕРОЯТНОСТИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ СКРЫТЫХ ЗАМОРОЗКОВ

Специальность 06.01.03 - агрофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

7 НОЯ 2013

Санкт-Петербург 2013

005537142

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Агрофизический научно-исследовательский институт Россельхозакадемии»

Научный руководитель: Доктор физико-математических наук,

профессор, член-корреспондент РАСХН Усков Игорь Борисович

Официальные опноненты: Архипов Михаил Вадимович

доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией ГНУ АФИ Россельхозакадемии

Мосолова Галина Ивановна кандидат географических наук, доцент кафедры климатологии и мониторинга окружающей среды Санкт-Петербургского Государственного Университета

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский

институт сельскохозяйственной метеорологии (ФГБУ «ВНИИСХМ»)

Защита диссертации состоится 04 декабря 2013 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 006.001.01 при ГНУ Агрофизический научно-исследовательский институт Россельхозакадемии по адресу: 195220, г. Санкт-Петербург, Гражданский пр., д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Агрофизического научно-исследовательского института.

Автореферат разослан «л ^ » <£ЬсТЛ^ср ^ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

¿Г

Канаш Е. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Заморозок - опасное агрометеорологическое явление, наносящее существенный урон сельскохозяйственным культурам. Заморозки радиационного типа возникают на фоне устойчивых положительных среднесуточных температур в период активной вегетации. Поздние весенние заморозки повреждают посевы, приводят к частичной или полной гибели молодые неокрепшие побеги и цветки, что впоследствии приводит к существенному снижению урожайности и качества сельскохозяйственной продукции. Ранние осенние и поздние весенние заморозки приводят к сокращению вегетационного периода для теплолюбивых культур. Согласно многолетним исследованиям (Гольцберг И. А., 1961; Голубова Т. А., 1976) заморозки радиационного типа возникают ежегодно в весенний и осенний сезоны. В связи с изменениями климата смещаются зоны выращивания малоустойчивых к заморозкам культур и сортов, что придает дополнительную значимость и актуальность изучению процессов возникновения заморозка. Особо отметим актуальность исследования факторов возникновения скрытых заморозков в связи с повышенным вниманием к страхованию посевов. Своевременное принятие мер для защиты сельскохозяйственных культур от заморозка может существенно уменьшить потери, наносимые этим опасным явлением.

Возникновение и развитие заморозка обуславливают метеорологические факторы динамического характера и метеорологические факторы местного характера (Чудновский А. Ф„ 1949). По степени преобладания этих явлений выделяют три типа процесса возникновения заморозка: адвективные заморозки, связанные с передвижением холодных масс воздуха из других районов, радиационные заморозки, возникающие вследствие интенсивного ночного излучения подстилающей поверхности, и, при одновременном воздействии обоих факторов, заморозки смешанного типа. Скрытый заморозок относится к радиационному типу заморозков. В физической модели радиационного

выхолаживания поверхности такой тип заморозка может возникать в приповерхностном слое воздуха (в слое нахождения вегетирующих растений).

В настоящее время для предупреждения сельскохозяйственных организаций о заморозках с заблаговременностью менее 24 часов, вероятность наступления заморозка оценивают по разности температур воздуха в дневной и вечерний сроки наблюдения (метод Броунова), или по разности температур воздуха и поверхности почвы (Берлянд М. Е., 1960; Чудновский А. Ф., 1977). Методы среднесрочных прогнозов с заблаговременностью 1-5 суток используются в основном только для предсказания заморозков адвективного типа.

Динамико-статистический подход оценки вероятности возникновения заморозков является перспективным направлением в развитии новых методов прогноза заморозков радиационного типа.

Предпосылки для разработки методики оценки вероятности возникновения скрытых и радиационных заморозков заключаются в низкой оправдываемости прогнозов такого рода явлений. Надежность предвидения возникновения скрытых заморозков повысит привлечение анализа статистической природы скрытых и радиационных заморозков, оценка климатической обусловленности этих явлений, физико-статистический анализ и обобщение синоптических ситуаций, предшествующих возникновению скрытых заморозков, определение метеорологических предпосылок вероятности возникновения скрытого заморозка.

Цель работы. Разработка методики предвидения и оценки вероятности возникновения скрытых и радиационных заморозков.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

- Анализ опубликованных методов прогнозирования и предсказания заморозков различного типа формирования.

- Анализ процессов формирования и развития скрытых и радиационных заморозков в суточном цикле раздельно для весеннего и осеннего сезонов.

-Оценка возможности и достаточности использования данных ежедневных срочных наблюдений регулярной метеорологической сети для определения вероятности возникновения скрытых и радиационных заморозков.

- Разработка динамико-статистического подхода оценки вероятности возникновения заморозков.

- Разработка методики оценки вероятности возникновения скрытых и радиационных заморозков.

Методы исследования. Работа выполнялась поэтапно в соответствии с перечисленными выше задачами. Для решения поставленных задач применялись методы численного анализа и математической статистики.

Научная новизна.

1. Исследована динамика формирования и развития скрытого и радиационного заморозков в суточном цикле раздельно для весеннего и осеннего сезонов.

2. Показано, что скорость изменения разности температур воздуха и поверхности почвы, оцениваемая в определенные синоптические сроки, является эффективным показателем предвидения вероятности возникновения скрытого заморозка.

3. Разработана методика предвидения и оценки вероятности возникновения скрытых заморозков.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Разработана методика физико-статистического анализа и оценки вероятности возникновения и развития скрытых и радиационных заморозков.

Установлены региональные сроки синоптических наблюдений для предсказания вероятности возникновения заморозков в Северо-Западном регионе ЕТР по разработанной методике.

Определена частота возникновения, продолжительность и интенсивность скрытых и радиационных заморозков в поздневесенние и раннеосенние периоды, что может быть использовано селекционерами при выведении новых

сортов, устойчивых к кратковременным воздействиям отрицательных температур.

Основные положения, выносимые на защиту:

- Физико-статистический анализ и обобщение метеорологических данных, обуславливающих возникновение скрытых и радиационных заморозков;

- Методика оценки вероятности возникновения скрытых заморозков.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались на научной сессии Агрофизического института по итогам 2012 года.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано четыре работы, включая 1 статью в журнале, рекомендованном ВАК России для опубликования научных результатов диссертаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения и списка литературы. Основной материал изложен на 164 страницах и содержит 70 рисунков и 33 таблицы. Список литературы содержит 120 наименований, из них 26 зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна и положения, выносимые на защиту.

В первой главе исследовано состояние изученности вопроса, определены подходы изучения заморозков, рассмотрены факторы их возникновения и существующие методы прогнозирования. Показано, что опасный для растений заморозок - комплексное сложное явление, определяющееся совокупностью климато-географического, физико-метеорологического и биологического факторов. Рассмотрены основные подходы изучения заморозков: географо-статистический, физико-математический и оценка физиологической заморозкоустойчивости сельскохозяйственных культур.

Выявлено, что большинство существующих методов предвычисляют ночной температурный минимум, а не сам факт вероятности возникновения заморозка. Показана необходимость статистическо-вероятностного подхода для более надежной оценки вероятности возникновения заморозков.

Анализ литературы показал, что большая часть методов прогнозирования радиационных заморозков, учитывающих физическую природу возникновения этого явления, основана на математических моделях, строящихся на базе рассмотрения суточного хода температуры почвы, растительного покрова, приземного воздуха, процессов турбулентного переноса тепла в нижних слоях атмосферы.

Методы предсказания скрытого заморозка основаны на анализе вечернего ночного выхолаживания подстилающей поверхности и приземного воздуха с учетом изменения теплового баланса системы «почва - растение - воздух».

Во второй главе исследована статистическая структура скрытых и радиационных заморозков. Проанализированы метеорологические условия и параметры, сопутствующие возникновению заморозков, раздельно по каждой метеорологической станции для весеннего и осеннего сезонов. Проведен физико-статистический анализ и обобщение данных наблюдений.

Радиационные заморозки возникают вследствие выхолаживания поверхности почвы. Рост эффективного излучения поверхности почвы в тепловом балансе системы «почва - атмосфера» приводит к охлаждению подстилающей поверхности и далее, путем теплообмена и турбулентного перемешивания, охлаждаются припочвенные слои воздуха.

Скрытые заморозки занимают особое место, ибо по показаниям метеоприборов они не фиксируются. Скрытый заморозок может возникнуть только при радиационном выхолаживании поверхности, при этом зона отрицательных температур может находиться в приповерхностном слое воздуха. Скрытые заморозки характеризуются отрицательной температурой растительного покрова или укрывных культивационных сооружений на фоне

положительной температуры окружающего воздуха. Такие явления наблюдаются весной и осенью в ночное время в период вегетации растений.

Скрытые заморозки могут формироваться как самостоятельное явление, либо в течение ночи перейти в заморозок радиационный. Поскольку природа формирования срытых заморозков связана с радиационным выхолаживанием обращенных к небосводу поверхностей и это не всегда поверхность почвы, наступление таких заморозков сложно зафиксировать стандартными измерительными приборами метеорологической сети. Каждому радиационному заморозку предшествует заморозок скрытый.

Для изучения статистической структуры скрытых и радиационных заморозков использованы данные срочных наблюдений штатной метеорологической сети со срочностью 3 часа за период с мая по октябрь с 1966 по 1979 годы по пяти метеорологическим станциям Ленинградской области: Винницы, Волосово, Волхов, Ефимовская и Лесогорский. Исходным материалом для выборки являлись таблицы основных метеорологических наблюдений (ТМ-1).

Для исследования процесса формирования и развития скрытых и радиационных заморозков и разработки методики вероятностной оценки их возникновения использованы данные ежедневных срочных наблюдений штатной метеорологической сети со срочностью 3 часа за период с мая по октябрь с 1966 по 2010 годы по трем метеорологическим станциям Ленинградской области: Белогорка, Выборг и Тихвин. Исходным материалом являлись данные, опубликованные ВНИИГМИ-МЦД на сайте http://www.meteo.ru/climate/sp_clim.php.

Метеорологические станции подобраны с учетом физико-географических характеристик их местоположения.

Ефимовская и Лесогорский наблюдалось 858 дней с радиационными заморозками, из них 505 весной и 353 осенью. Количество дней со скрытыми заморозками заметно выше и составляет 1065 дней, из них 663 весной и 402 осенью, т.е. действительно не всякий скрытый заморозок переходит в радиационный.

Радиационные заморозки за исследуемый период в 47% случаев возникают в 1 декаде мая, в 24% во второй и в 25% в третьей (рис. 1). В июне месяце радиационные заморозки возникают крайне редко.

Скрытые заморозки в 30% случаев возникают в третьей декаде мая и в 11 % в июне. Т.е. около 40% скрытых заморозков возникают в период активной вегетации растений в конце мая - начале июня.

Рис. 1. Частота возникновения скрытых и радиационных заморозков в весенний период по декадам

0,30

Ü

11

1 декада мая 2 декада мая 3 декада мая ик

■ Радиационные заморозки О Скрытые заморозки

Скрытые заморозки довольно кратковременны и в 45% случаев длятся около 0,5 часа, а в 44% случаев их длительность составляет от 1 до 3 часов (рис. 2). Продолжительность радиационных заморозков колеблется от 1,5 до 14 часов, но в 75% случаев их продолжительность не превышает 6 часов.

По времени начала процесса выхолаживания наблюдается достаточно четкое разделение заморозков на вечерние и ночные (рис. 3). Начало вечерних приходится на период с 21:00 до 24:00 часов, но большая часть заморозков формируется после полуночи, а около 50% от общего числа заморозков, формируется с 2 до 5 часов утра.

\ -Скрытые заморозки ----Радиационные заморозки

Рис. 3. Относительная частота времени начала скрытых и радиационных заморозков в суточном цикле

Поскольку скрытые заморозки непродолжительны и зачастую в течение ночи трансформируются в радиационные, время их окончания приходится на период с 22 часов вечера до 7 часов утра, при этом около 60% оканчиваются с 3 до 7 утра без ярко выраженного пика. Время окончания радиационных заморозков имеет достаточно четкую картину распределения (рис. 4) - 96% заморозков заканчиваются после полуночи, большая часть из которых - в период с 5 до 7 утра.

Рис. 4. Относительная частота времени окончания скрытых и радиационных заморозков в суточном цикле

Время окончания «чистых» скрытых (не трансформировавшихся в течение ночи в радиационные) и радиационных заморозков приходится на период с 5 до 7 утра (рис. 5).

Время окончания "чистых" скрытых и радиационных заморозков в суточном цикле, часы.

—*—Скрытые - - Радиационные

Рис. 5. Относительная частота времени окончания «чистых» скрытых и радиационных заморозков в суточном цикле

При скрытых заморозках в большинстве случаев температура воздуха имеет слабоположительные значения в интервале от 0,5 до 2,5°С. Распределения скорости ветра и облачности при скрытых и радиационных заморозках практически не имеют сезонного хода. Скорость ветра на высоте флюгера при 90% всех заморозков не превышает 3 м/с, полное отсутствие облачности зафиксировано в 70% случаев заморозков весной и 60% случаев осенью.

В третьей главе показана климатическая обусловленность возникновения скрытых и радиационных заморозков.

На станциях Белогорка, Выборг и Тихвин с мая по октябрь с 1966 по 2010 годы наблюдалось 1787 дней с заморозками, из них 1108 весной и 679 осенью. Радиационные заморозки составили 776 дней, из которых 479 наблюдались весной и 297 осенью. Количество дней со скрытыми заморозками заметно выше и составляет 1011 дней, из них 629 весной и 382 осенью.

Количество и частота возникновения весенних и осенних заморозков в разные годы меняется, в основном весенние заморозки превалируют над осенними (рис. 6 и 7), хотя физическая природа их возникновения одинакова, но осенью запасы тепла в почве больше. И для радиационных и для скрытых заморозков на весну приходится 60%, на осень 40% случаев.

Рис. 6. Относительная частота возникновения скрытых заморозков по годам и

сезонам

Рис. 7. Относительная частота возникновения радиационных заморозков по

годам и сезонам

Ежегодная повторяемость заморозков радиационного типа в весенний и осенний периоды на протяжении последних 44 лет указывает на климатическую обусловленность этого явления в широтах Ленинградской области.

В четвертой главе исследована динамика изменения состояния системы «почва - воздух». Проведен анализ предикторов, определяющих возникновение и развитие процесса. Разработана методика оценки вероятности возникновения скрытых заморозков. Проведена апробация предлагаемой методики. Приведены результаты расчетов вероятности возникновения скрытых заморозков для метеорологических станций Ленинградской области.

Для предсказания заморозков радиационного типа различными исследователями предлагается оценивать разность температур воздуха и поверхности почвы (Берлянд М. Е., 1960; Чудновский А. Ф., 1977).

Наблюдаемые температуры поверхности почвы и воздуха и их разности в период радиационного выхолаживания, даже при соблюдении идеальных условий (отсутствие ветра и облачности), показывают неоднозначность этих зависимостей и, следовательно, их низкую прогностическую значимость. На самом деле разность температур «воздух - почва» (рис. 8) показывает лишь, что в момент перехода этой разности через 0 в зону положительных значений

11

температура воздуха стала выше температуры почвы, а при переходе через 0 в зону отрицательных значений наоборот, температура почвы, вследствие нагрева после восхода солнца, превысила температуру воздуха. При этом абсолютные значения температур обоих параметров могут быть как положительными, так и отрицательными, и переход любого из этих параметров

I

в зону отрицательных температур их разность не определяет.

Скрытые заморозки, ГМС Волхов.

у = 4Е-05Х5 - 0.001 бх* + 0.0069Х3 - 0.0116хг - 0.0064Х + 1.6776

//

/у-

-з -5- ) " 3 -""""б

Время, часы.

-Полиномиальный (ТОтоипс!)--Полиномиальный (ТА|Г) - - - . Полиномиальный (Та!Г-Тдтс|)

Рис. 8. Обобщенный ход температуры поверхности почвы и воздуха на уровне метеобудки и их разность при скрытых заморозках, аппроксимация полиномом

5 степени

Явление радиационного заморозка с точки зрения физико- ( энергетического состояния системы «почва - атмосфера» заключается в | последовательном понижении температуры поверхности почвы в результате | радиационного выхолаживания и последующем отводе тепла из припочвенных слоев воздуха вследствие турбулентного теплообмена. При этом скорость выхолаживания поверхности почвы и воздуха различны, поскольку поверхность почвы получает дополнительный приток тепла из нижележащих почвенных слоев, а скорость выхолаживания воздуха при отсутствии инверсии I в приземном слое определяется его низкой теплопроводностью.

При скрытом заморозке скорость изменения температуры поверхности почвы выше скорости изменения температуры воздуха на высоте метеобудки, что объясняется различнйми теплофизическими характеристиками почвы и

воздуха. При скрытом заморозке, прежде всего, идёт формирование процесса выхолаживания поверхности за счет лучистого обмена с небосводом. В этом случае, естественно, изменение температуры воздуха отстает от изменения температуры почвы.

Таким образом, предпринятая обработка наглядно показывает, что разность температур почвы и воздуха не может достоверно отражать интенсивность процесса развития скрытого заморозка, в то время как скорость изменения разности этих характеристик может быть принята в качестве определяющей для понимания этого процесса.

Для оценки вероятности наступления скрытого заморозка предлагается принять в качестве величины, определяющей основной характер и направленность динамического процесса радиационного выхолаживания, разность скорости изменения температур воздуха и поверхности почвы (или скорости изменения их разности) А7" = ДТ'в - АТ'„, где ДТ'в - скорость изменения температуры воздуха на высоте метеобудки (2 м), ДТ'„ - скорость изменения температуры поверхности почвы. Вероятность возникновения заморозка N3

определяется как Р = , где N3 - количество дней с заморозком при скорости

изменения разности температур воздуха и поверхности почвы в выбранном диапазоне, - полное количество дней наблюдений при тех же условиях.

Для анализа оценки вероятности наступления скрытого заморозка использованы срочные наблюдения по данным Росгидрометцентра с 1977 по 2010 годы только по станциям Белогорка, Выборг и Тихвин. Выбор периода обусловлен наличием в эти годы данных минимальной температуры поверхности почвы между сроками, что позволяет точнее оценивать факт наступления заморозка.

Вероятность наступления заморозков определяется величиной скорости изменения разности температур воздуха и поверхности почвы, наблюдаемые в 2 срока: в 18 и 21 час. Чем выше скорость изменения в эти сроки наблюдений, тем выше вероятность возникновения заморозков при прочих равных условиях.

Под равными условиями в данном случае понимается температура воздуха в срок наблюдения.

Из таблицы 1 видно, что чем позже срок наблюдения и ниже температура воздуха, тем вероятнее наступление события. Величина динамики разности температур влияет на изменение оценки вероятности возникновения скрытого заморозка.

На примере оценки вероятности возникновения скрытого заморозка для станции Тихвин показано, что если скорость изменения разности температур воздуха и поверхности почвы составляет от 1 до 3,5°С/час и температура воздуха в 21 час составляет 10°С и ниже, вероятность возникновения заморозка на поверхности почвы составляет 74%. Если при тех же параметрах температура воздуха составляет 4°С и ниже, вероятность возникновения заморозка составляет 95%.

Таблица 1. Оценка вероятности возникновения скрытого заморозка по данным срочных наблюдений в 18 и 21 час на станции Тихвин

Время наблюдения Температура воздуха, °С < 18 < 16 < 14 < 12 < 10 <8 <6 <4

1 V ^ ), °С/час

18:00 0,5-3,5 0,45 0,50 0,53 0,57 0,60 0,70 0,68 0,80

21:00 1-3,5 - - 0,55 0,66 0,74 0,85 0,89 0,95

При анализе метеорологических параметров после 21 часа следует заметить, что скорости изменения температур поверхности почвы и воздуха различны и каждая из них уменьшается по мере приближения ко времени начала заморозка. При этом скорость изменения температуры поверхности почвы выше, чем скорость изменения температуры воздуха. Так же нужно учитывать, что знак этой разности при переходе от режима формирования заморозка собственно к заморозку меняется на обратный.

Скорость изменения разности температур воздуха и поверхности почвы изменяется в широком диапазоне и может колебаться, например, в мае от -7 до +8°С/час в суточном цикле.

Из анализа данных, приведенных в таблице 2 можно заключить, что существенную роль в анализе метеорологической ситуации, предрасполагающей систему к возникновению скрытого заморозка, играет температура воздуха в срок наблюдений. Например, если температура воздуха в 21 час на станции Тихвин составляет ниже 4°С, за нижнюю границу диапазона разности скоростей изменения температур нужно принимать 0°С/час, а если в это же время температура воздуха колеблется в пределах от 8 до 12°С, минимальную разность скоростей целесообразно принять равной 1°С/час.

Таблица 2. Относительная частота скорости изменения разности температур

воздуха и поверхности почвы (май, 21 час, ГМС Тихвин)

Т воздуха, °С 0-г4 4- -8 84 12 12- -16

Скорость ез И (Я ЬЙ сз 03

изменения о со Ьй о о со СО о со ¿й СО о со ¿£ СО

разности о. о 5 о, я о о. о <5 Си К О £Х О и О. X О О. О О О. К О

температур, а СЗ 2 2 св 2

°С/час СО со со м со со со со

0 0.11 0 0.02 0.08 0.01 0.04 0.21 0.04

0.5 0.23 0.47 0.07 0.38 0.03 0.20 0.00 0.10

1 0.22 0.40 0.12 0.28 0.10 0.24 0.05 0.16

1.5 0.11 0.13 0.18 0.08 0.09 0.16 0.02 0.19

2 0.14 0 0.11 0.08 0.17 0.15 0.09 0.13

2.5 0.11 0 0.18 0.05 0.13 0.10 0.02 0.10

3 0.02 0 0.16 0.01 0.20 0.07 0.14 0.12

3.5 0.03 0 0.08 0.01 0.14 0.03 0.33 0.06

4 0.00 0 0.05 0 0.07 0.00 0.14 0.07

4.5 0.02 0 0.02 0 0.04 0.00 0.09 0.01

5 0.02 0 0.01 0 0.02 0.01 0.05 0.00

На рисунке 9 показана частота возникновения заморозков при различных скоростях изменения разности температур для интервалов температур поверхности почвы. На станции Тихвин заморозки чаще всего возникают, если в 21:00 температура поверхности почвы составляет от 2 до 8°С и скорость изменения разности температур воздуха и поверхности почвы находится в пределах от 1 до 3°С/час. Если при таких же температурах поверхности почвы скорость изменения разности температур менее 1°С/час, вероятность возникновения заморозка невелика.

Скорость изменения разности температур воздуха и поверхности почвы, град

С/час. I

1

} —•— заморозок 2-4 - - -в- - - нет заморозка 2-4 —*— заморозок 4-8 • ■ -х- - • нет заморозка 4-8 )

Рис. 9. Распределение скорости изменения разности температур на станции

Тихвин в мае при различных температурах поверхности почвы в 21:00

I

Повысить достоверность предвидения возникновения заморозков можно, выбирая соответствующие диапазоны разности для каждого интервала температур воздуха. Таким образом, для оценки вероятности возникновения заморозков назначаются диапазоны скорости изменения, обеспечивающие наибольшую достоверность.

За дни с заморозком принимались дни, когда минимальная температура поверхности почвы между сроками наблюдений принимала отрицательные значения, хотя для оценки возникновения собственно скрытых заморозков на поверхности растительного покрова в случае, когда прогноз строится на основании температуры поверхности почвы, за дни с заморозком можно принимать так же и те дни, в которые минимальная температура поверхности I почвы достигала 0,5°С и даже 1°С не переходя в отрицательную зону, поскольку, теплоемкость почвы гораздо выше теплоемкости растений и при развитии радиационного выхолаживания поверхности, растительный покров будет выхолаживаться сильнее поверхности почвы.

Из таблиц 3-6 видно, что независимо от сезона и срока наблюдения, оценка вероятности возникновения заморозка по «верхней границе» температуры воздуха приводит к преувеличенному ожиданию возможности возникновения скрытого заморозка, и чем выше температура воздуха, тем

сильнее завышение этого ожидания. При ограничении только верхнего значения температуры воздуха, в выборку попадают все ситуации заморозков, проявлявшихся и при более низких температурах воздуха, которые и обуславливают более высокую вероятность возникновения заморозков. В случае, когда за верхнюю границу принимается максимальная температура воздуха, при которой наблюдался заморозок, такая оценка означает собственно вероятность возникновения заморозка в любой день мая или сентября соответственно при заданных границах диапазона скоростей изменения разности температур воздуха и почвы.

С точки зрения предсказания явления в конкретный день, оценка по температурному интервалу дает более точную картину вероятности возникновения заморозка по данным срочных наблюдений. Оценка лишь по верхней границе может использоваться для выбора культур по характеристикам морозостойкости или для определения оптимальных сроков посевных работ.

Совместное рассмотрение весеннего и осеннего сезонов не представляется корректным, поскольку разности скоростей в различные сезоны отличаются даже знаком - весной такие разности положительны, а осенью, например, в 18 часовой срок измерения отрицательны (таб. 5 и 6).

Таблица 3. Оценка вероятности возникновения скрытого заморозка в мае по данным срочных наблюдений в 18 и 21 час на станции Тихвин для верхних границ температуры воздуха

Время наблюдения Температура воздуха, °С <4 <6 <8 <10 <12 <14 <16 <18 <21

Скорость изменения, 0 С/час

18:00 0,5-3,5 0,73 0,84 0,75 0,68 0,63 0,58 0,54 0,47 0,40

21:00 1,5—4- 0,95 0,89 0,85 0,74 0,66 0,55 - - -

Таблица 4. Оценка вероятности возникновения скрытого заморозка в мае по данным срочных наблюдений в 18 и 21 час на станции Тихвин для их

интервалов температуры воздуха

Время наблюдения Температура воздуха, °С <4 456 658 8510 10512 12514 14516 16218 18521

Скорость изменения, "С/час

18:00 0,5-3,5 0,73 0,88 0,66 0,56 0,57 0,46 0,43 0,20 0,12

21:00 1,5-4 0,95 0,82 0,79 0,53 0,47 0,20 - - -

Таблица 5. Оценка вероятности возникновения скрытого заморозка в сентябре по данным срочных наблюдений в 18 и 21 час на станции Тихвин для верхних границ температуры воздуха

Время наблюдения Температура воздуха, °С <4 <6 <8 <10 <12 <14 <16 <18

Скорость изменения, °С/час

18:00 0,5^1 0,69 0,72 0,52 0,45 0,38 0,34 0,31 0,28

21:00 (-0,5)-3 0,75 0,60 0,48 0,35 0,28 - - -

Таблица 6. Оценка вероятности возникновения скрытого заморозка в сентябре по данным срочных наблюдений в 18 и 21 час на станции Тихвин для их интервалов температуры воздуха

Время наблюдения Температура воздуха, °С <4 456 658 8510 10512 12514 14516 16518

Скорость изменения, °С/час

18:00 0,5-} 0,69 0,74 0,36 0,38 0,28 0,22 0,18 0,08

21:00 (-0,5 )-3 0,75 0,50 0,31 0,12 0,03 - - -

Предложенный подход позволяет дифференцировать метеорологические ситуации, приводящие с определённой степенью вероятности к формированию скрытого заморозка по их динамике.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Скрытые и радиационные заморозки возникают вследствие радиационного выхолаживания подстилающей поверхности. Каждому радиационному заморозку предшествует заморозок скрытый.

2. Ежегодная повторяемость скрытых и радиационных заморозков в весенний и осенний периоды на протяжении последних 44 лет указывает на климатическую обусловленность этого явления на территории СевероЗападного региона (Ленинградская область).

3. Наблюдаемые разности температуры воздуха и поверхности почвы в период радиационного выхолаживания, даже при соблюдении идеальных условий отсутствия ветра и облачности, показывают низкую прогностическую значимость для определения вероятности возникновения заморозков.

4. При скрытом заморозке скорость изменения температуры подстилающей поверхности выше скорости изменения температуры воздуха на высоте метеобудки поскольку, прежде всего, идёт формирование процесса выхолаживания поверхности почвы за счет лучистого обмена с небосводом, и изменение температуры воздуха отстает от изменения температуры почвы.

5. При развитии и протекании радиационных заморозков изменение температур воздуха и почвы происходит примерно с равными скоростями, поскольку процесс радиационного выхолаживания уже сформирован. Изменение температуры воздуха при радиационном заморозке является прямым следствием изменения температуры поверхности почвы.

6. Разность температур почвы и воздуха не может достоверно отражать интенсивность процесса развития скрытого заморозка, в то время как скорость изменения этой разности может быть принята в качестве определяющей для понимания процесса формирования скрытого заморозка.

Скрытый заморозок - климатически обусловленное опасное агрометеорологическое явление. Вероятность возникновения скрытого заморозка может быть оценена по скорости изменения разности температур воздуха и поверхности почвы, наблюдаемых в определенные синоптические

сроки. Для географической широты 50-55° с.ш. этими сроками являются 18 и 21 час. Явление скрытого заморозка сезонное и его следует ожидать в поздневесенний и раннеосенний периоды, при метеоусловиях определяющих возникновение и развитие радиационных заморозков. Предложенный метод оценки вероятности возникновения скрытого заморозка по скорости изменения разности температур воздуха и почвы в указанные сроки позволяет с вероятностью 60—95% предвидеть наступление этого события.

Публикации

1. Кононенко О. В. Климатическая обусловленность радиационных и скрытых заморозков // Материалы науч. сессии АФИ по итогам 2012 года. СПб.: РАСХН, АФИ, 2013, с. 105-110.

2. Кононенко О.В. Физико-статистические факторы предвидения скрытых заморозков // Вестник РАСХН, 2013, № 6, с. 5-7.

3. Кононенко О. В. Глобальные изменения климата и прогноз рисков в сельском хозяйстве // в к.м. под ред. Иванова Л. И., Кирюшина В. И, М.: РАСХН, 2009, с. 290-302.

4. Кононенко О. В., Усков И. Б. Методика статистического анализа пыльных бурь для пространственной дифференциации почвозащитных технологий // Сб. докладов Всероссийской научно-практической конференции ВНИИЗиЗПЭ. 1921 сентября 2006. Курск, с. 528-533.

Отпечатано в ГНУ АФИ Россельхозакадемии 195220, Санкт-Петербург, Гражданский пр., д. 14. Тираж 100.

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Кононенко, Ольга Владимировна, Санкт-Петербург

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ АГРОФИЗИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ

На правах рукописи

Кононенко Ольга Владимировна

04201453063

ФИЗИКО-СТАТИСТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ И МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ВЕРОЯТНОСТИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ СКРЫТЫХ

ЗАМОРОЗКОВ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук Специальность 06.01.03 - агрофизика

Научный руководитель член-корреспондент РАСХН, доктор физ.- мат. наук, профессор Усков И.Б.

Санкт-Петербург 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА..............................9

1.1 Географо-статистический подход...................................................13

1.2. Физико-математический подход....................................................21

1.2.1. Факторы возникновения радиационного заморозка...........................21

1.2.2. Методы прогноза и предсказаний заморозка....................................29

1.3.Оценка физиологической заморозкоустойчивости сельскохозяйственных

культур..........................................................................................50

Выводы по первой главе.....................................................................51

ГЛАВА 2. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ПРИРОДА СКРЫТЫХ И РАДИАЦИОННЫХ ЗАМОРОЗКОВ................................................................................53

2.1. Объект исследования...................................................................53

2.2. Описание местоположения источников информации............................57

2.3. Методика формирования выборки метеорологических данных...............70

2.4. Метеорологические условия возникновения радиационного и скрытого заморозков.....................................................................................72

2.4.1. Метеорологические параметры, сопутствующие возникновению радиационного заморозка..................................................................72

2.4.2. Метеорологические параметры, сопутствующие возникновению скрытого заморозка......................................................................................75

2.5. Возникновение и развитие скрытого и радиационного заморозков..........79

2.5.1. Статистика радиационных заморозков...........................................79

2.5.2. Статистика скрытых заморозков..................................................90

2.6. Физико-статистический анализ и обобщение данных.........................103

Выводы по второй главе........................... .......................................111

ГЛАВА 3. КЛИМАТИЧЕСКАЯ ОБУСЛОВЛЕННОСТЬ РАДИАЦИОННЫХ И

СКРЫТЫХ ЗАМОРОЗКОВ..............................................................112

Выводы по третьей главе.................................................................120

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ПРЕДВИДЕНИЯ СКРЫТЫХ И РАДИАЦИОННЫХ

ЗАМОРОЗКОВ..............................................................................122

4.1. Динамика изменения состояния системы «почва-воздух»....................122

4.2. Анализ предикторов, определяющих возникновение, интенсивность развития и прекращения скрытого заморозка.........................................134

4.3. Физико-статистические предпосылки и методика оценки вероятности

возникновения скрытых заморозков....................................................140

Выводы по четвертой главе................................................................151

ВЫВОДЫ.....................................................................................152

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................153

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................154

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Заморозок - опасное агрометеорологическое явление, наносящее существенный урон сельскохозяйственным культурам. Заморозки радиационного типа возникают на фоне устойчивых положительных среднесуточных температур в период активной вегетации. Поздние весенние заморозки повреждают посевы, приводят к частичной или полной гибели молодые неокрепшие побеги и цветки, что впоследствии приводит к существенному снижению урожайности и качества сельскохозяйственной продукции. Ранние осенние и поздние весенние заморозки приводят к сокращению вегетационного периода для теплолюбивых культур. Согласно многолетним исследованиям (Гольцберг И.А., 1961; Голубова Т.А., 1976) заморозки радиационного типа возникают ежегодно в весенний и осенний сезоны. В связи с изменениями климата смещаются зоны выращивания малоустойчивых к заморозкам культур и сортов, что придает дополнительную значимость и актуальность изучению процессов возникновения заморозка. Особо отметим актуальность исследования факторов возникновения скрытых заморозков в связи с повышенным вниманием к страхованию посевов. Своевременное принятие мер для защиты сельскохозяйственных культур от заморозка может существенно уменьшить потери, наносимые этим опасным явлением.

Возникновение и развитие заморозка обуславливают метеорологические факторы динамического характера и метеорологические факторы местного характера (Чудновский А.Ф., 1949). По степени преобладания этих явлений выделяют три типа процесса возникновения заморозка: адвективные заморозки, связанные с передвижением холодных масс воздуха из других районов, радиационные заморозки, возникающие вследствие интенсивного ночного излучения подстилающей поверхности и, при одновременном воздействии обоих факторов, заморозки смешанного типа. Скрытый заморозок относится к

4

радиационному типу заморозков. В физической модели радиационного выхолаживания поверхности такой тип заморозка может возникать в приповерхностном слое воздуха (в слое нахождения вегетирующих растений).

В настоящее время для предупреждения сельскохозяйственных организаций о заморозках с заблаговременностью менее 24 часов, вероятность наступления заморозка оценивают по разности температур воздуха в дневной и вечерний сроки наблюдения (метод Броунова), или по разности температур воздуха и поверхности почвы (Берлянд М. Е., 1960; Чудновский А.Ф., 1977). Методы среднесрочных прогнозов с заблаговременностью 1-5 суток используются в основном только для предсказания заморозков адвективного типа.

Динамико - статистический подход оценки вероятности возникновения заморозков является перспективным направлением в развитии новых методов прогноза заморозков радиационного типа.

Предпосылки для разработки методики оценки вероятности возникновения скрытых и радиационных заморозков заключаются в низкой оправдываемости прогнозов такого рода явлений. Привлечение анализа статистической природы скрытых и радиационных заморозков, оценки климатической обусловленности этих явлений, физико-статистического анализа и обобщения метеорологических ситуаций, предшествующих возникновению скрытых заморозков, определения физико-статистических предпосылок вероятности возникновения скрытого заморозка повысит надежность предвидения возникновения таких явлений.

Цель работы. Разработка методик предвидения и оценки вероятности возникновения скрытых и радиационных заморозков.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

- Анализ опубликованных методов прогнозирования и предсказания заморозков различного типа формирования.

- Анализ процессов формирования и развития скрытых и радиационных заморозков в суточном цикле раздельно для весеннего и осеннего сезонов.

Оценка возможности и достаточности использования данных ежедневных срочных наблюдений регулярной метеорологической сети для определения вероятности возникновения скрытых и радиационных заморозков.

- Разработка динамико - статистического подхода оценки вероятности возникновения заморозков.

- Разработка методики оценки вероятности возникновения скрытых и радиационных заморозков.

Методы исследования. Работа выполнялась поэтапно в соответствии с перечисленными выше задачами. Для решения поставленных задач применялись методы численного анализа и математической статистики.

Научная новизна.

1. Исследована динамика формирования и развития скрытого и радиационного заморозков в суточном цикле раздельно для весеннего и осеннего сезонов.

2. Показано, что скорость изменения разности температур воздуха и поверхности почвы, оцениваемая в определенные синоптические сроки, является эффективным показателем предвидения вероятности возникновения скрытого заморозка.

3. Разработана методика предвидения скрытых заморозков.

4. Разработана методика оценки вероятности возникновения скрытых заморозков.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Разработана методика физико-статистического анализа и оценки вероятности возникновения и развития скрытых и радиационных заморозков.

Установлены региональные сроки синоптических наблюдений для предсказания вероятности возникновения заморозков в Северо-Западном регионе ЕТР по разработанной методике.

Определена продолжительность и интенсивность скрытых и радиационных заморозков в поздневесенние и раннеосенние периоды, что может быть использовано селекционерами при выведении новых сортов, устойчивых к кратковременным действиям отрицательных температур.

Основные положения, выносимые на защиту:

- Физико-статистический анализ и обобщение метеорологических данных, обуславливающих возникновение скрытого заморозка;

- Методика предвидения скрытых заморозков;

- Методика оценки вероятности возникновения скрытых заморозков.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались на научной сессии по итогам 2012 года Агрофизического института. / Материалы научной сессии АФИ, СПб / 2-3 апреля 2013г.С.105-110.

Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре работы включая 1 статью в журнале, рекомендованном ВАК России для опубликования научных результатов диссертаций и три работы в соавторстве.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Основной материал

изложен на 164 страницах и содержит 70 рисунков и 33 таблицы. Список литературы содержит 120 наименований, из них 26 зарубежных авторов.

Содержание глав диссертации. В первой главе диссертации проведен анализ состояния изученности вопроса, рассмотрены факторы возникновения заморозков радиационного типа. Исследованы опубликованные методы прогноза и предсказания заморозков. Определены цели и задачи диссертационного исследования.

Во второй главе исследована статистическая структура скрытых и радиационных заморозков, метеорологические условия и параметры, сопутствующие их возникновению. Проведен физико-статистический анализ и обобщение данных наблюдений.

В третьей главе изучена климатическая обусловленность скрытых и радиационных заморозков на примере Северо-западного региона.

В четвертой главе исследована динамика изменения состояния системы «почва-воздух». Проведен анализ предикторов, определяющих возникновение и развитие процесса радиационного выхолаживания подстилающей поверхности. Разработана методика оценки вероятности возникновения скрытых заморозков. Проведена апробация предлагаемой методики. Приведены результаты расчетов вероятности возникновения скрытых заморозков для метеорологических станций Ленинградской области.

Глава 1. Состояние изученности вопроса.

Заморозок это понижение температуры воздуха до отрицательных значений при положительных среднесуточных температурах [73].

Опасный для растений заморозок это падение минимальной температуры воздуха ниже 0° на поверхности почвы или растительного покрова во время вегетационного периода на фоне положительных среднесуточных температур. В метеорологической будке во время заморозка в этом понимании минимальная температура может быть как ниже или равной нулю, так и несколько выше его, порядка 2°С 4°С.

Интенсивность заморозка, помимо температуры поступившей воздушной массы, зависит от целого ряда факторов, главным образом от свойств подстилающей поверхности и общих погодных условий во время заморозка.

Опасный для растения заморозок следует рассматривать не только как метеорологическое явление. Заморозок это комплексное сложное явление, определяющееся совокупностью климато-географического, физико-метеорологического и биологического факторов (Чудновский А.Ф. [85]).

Климато-географические факторы определяются влиянием климата, географического местоположения, высоты над уровнем моря и являются внешним фоном для возникновения заморозка. Внешний фон определяет характер и природу заморозка, время наступления первого мороза, частоту, длительность и интенсивность заморозков и зависит от интенсивности солнечной радиации, характера передвижения воздушных масс и теплофизических свойств почв в рассматриваемой зоне.

Физико-метеорологические факторы определяются влиянием местных условий. К их числу относятся ландшафтные особенности, микроклимат, физическое состояние почв, их тип и вид. Физические процессы тепло- и массообмена в системе «почва- растение -атмосфера» зависят от погодных условий, аэродинамической и термодинамической обстановки приземного слоя

воздуха, свойств и состояния подстилающей поверхности. Эти факторы малого масштаба накладываются на общий фон и формируют заморозок как местное явление.

Биологический фактор определяется степенью морозоустойчивости самого растения на каждом этапе вегетации и его адаптивными возможностями.

Величина опасности заморозка для сельскохозяйственных культур различна и зависит от многих факторов: времени наступления, интенсивности и длительности заморозка. Значительную роль играет и состояние самого растения (фазы его развития, культуры, сорта) и условий агротехники (густоты стояния, характера удобрений). Каждая конкретная культура и сорт предъявляют различные требования к термическому режиму периода вегетации. Одной из важных характеристик этого режима является наличие и интенсивность заморозков в течение вегетационного периода (Гольцберг И.А [23]).

В. Н. Степанов (1948) выделяет пять основных групп сельскохозяйственных культур по степени их устойчивости к заморозкам.

К первой группе относятся наиболее устойчивые культуры, выдерживающие кратковременное понижение температуры до -7°С ^ -10°С и ниже. К этой группе относится ряд растений умеренного пояса: ранние яровые хлеба, зернобобовые и масличные раннего высева.

Ко второй группе отнесены устойчивые к заморозкам культуры, выдерживающие заморозки до -5°С -8°С, такие как корнеплоды, большинство масличных, лен, конопля.

Третью группу составляют среднестойкие культуры, выносящие заморозки до -3°С -4°С, например, соя, могар, канатник.

Четвертая группа - малоустойчивые к заморозкам растения, выдерживающие кратковременные заморозки до -2°С -3°С, такие как картофель, кукуруза, просо.

Пятую группу составляют растения неустойчивые к заморозкам, всходы которых повреждаются при снижений температуры до -0,5°С -1,5°С. К этой группе относятся некоторые растения умеренных широт, например, гречиха, а

так же наиболее теплолюбивые растения: фасоль, рис, хлопчатник, бахчевые, кунжут, арахис и другие.

Генеративные органы растений значительно более чувствительны к заморозкам (таб.1) и повреждаются уже слабыми кратковременными заморозками около 0°С ^ -2°С. Гибель цветков большинства растений наблюдается при -3°С, -4°С, причем подобные повреждение в фазу цветения не зависят от от общей устойчивости культуры к заморозку. В фазе молочной спелости зерно основных зерновых культур повреждается заморозками при -2°С, -4°С.

Таблица 1.

Классификация сельскохозяйственных культур по устойчивости их к

заморозкам в разные периоды онтогенеза.

Культура Температура начала повреждение и частичной гибели, °С Температура гибели большинства растений, °С

всходы цветение Созревание (молочная спелость) всходы цветение Созревание (молочная спелость)

Наиболее устойчивые

Яровая пшеница -9,-10 -1,-2 -2,-4 -10,-12 -2 -4

Овес -8,-9 -1,-2 -2,-4 -8,-11 -2 -4

Ячмень -7,-8 -1,-2 -2,-4 -8,-10 -2 -4

Горох -7,-8 -3 -3,-4 -8,-10 -3,-4 -4

Чечевица -7,-8 -2,-3 -2,-4 -8,-10 -3 -4

Чина -7,-8 -2,-3 -2,-4 -8,-10 -3 -4

Рыжик яровой -8,-10 -3 -3,-4 -10 -3,-4 -4

Устойчивые

Люпин многолетний -6,-7 -3 -3 -8,-10 -4 -4

Вика яровая -6,-7 -3 -2,-4 -8 -3,-4 -4

Нут -6,-7 -2,-3 -2,-3 -8 -3 -3,-4

Люпин узколистный -5,-6 -2,-3 -3 -6,-7 -3,-4 -3,-4

Бобы -5,-6 -3 -2,-3 -6 -3 -3,-4

Подсолнечник -5,-6 -3 -2,-3 -7,-8 -3 -3

Горчица белая -6,-7 -2,-3 -3,-4 -8 -3 -4

Лен и конопля -5,-7 -1-,2 -2,-4 -7 -2 -4

Свекла сахарная и кормовая -6,-7 -2,-3 - -8 -3 -

Среднеустойчивые

Люпин желтый -4,-5 -2,-3 - -6 -3 -

Соя и могар -3,-4 -2 -2,-3 -4 -2 -3

Малоустойчивые

Кукуруза, просо, суданская трава, сорго, перилла -2,-3 -1,-2 -2,-3 -3 -2 -3

Картофель -2 -2 -5,-2 -2,-3 -2,-3 -3

Неустойчивые

Гречиха -1,-2 -1 -1,5,-2 -2 -1 -2

Фасоль -1,-1,5 -0,5 -2 -1,-1,5 -1 -2

Клещевина -1,-2 -1 -2,-3 -1,-2 -1,-2 -3

Хлопчатник -0,5 -0,5 -1 -1 -1 -1,-2

Бахчевые -1 -0,5, -1 -0,5 , -1 -1 -1 -1

Рис -0,5,-1 -0,5, -1 - -1 -0,5 -

Направленность исследования заморозков можно разделить на три основных подхода:

1) Географо-статистический

2) Физико-математический

3) Физическое моделирование заморозкоустойчивости сельскохозяйственных культур.

1.1. Географо-статистический подход.

В области географо-статистического подхода фундаментальные исследования были проведены Гольцберг И.А. [2, 3, 28]. Методологической основой работ Голь