Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Изменение климата Казахстана и возможности адаптации за счет доступных водозапасов облачности

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктор географических наук, Чередниченко, Александр Владимирович, Бишкек

72 12/4

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ им. М.АДЫШЕВА ДИССЕРТАЦИОННЫЙ СОВЕТ Д.25.09.391

На правах рукописи УДК 551.583:551509

Чередниченко Александр Владимирович

ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА КАЗАХСТАНА И ВОЗМОЖНОСТИ АДАПТАЦИИ ЗА СЧЕТ ДОСТУПНЫХ ВОДОЗАПАСОВ ОБЛАЧНОСТИ

(25.00.36-Геоэкология) диссертация на соискание ученой степени доктора географических наук

Научный консультант д.т.н., профессор Малик Жолдасович Бурлибаев

Бишкек - 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 6

ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................7

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА^"ЙШЁНЁНЖ"^^ ......

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА 21

1.1. Изменение климата по данным МГЭИК 24

1.2. Об изменении климата Северного полушария 29

1.3. Современное состояние исследований изменения климата в Казахстане 42

ГЛАВА 2. ИЗМЕНЕНЙЁ"'КЛЙМАТА К .......

ЕГО ГЛОБАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ 49

2.1. О выборе периодов для расчета норм по температуре и осадкам 50

2.2. Временные ряды глобальной и региональной температуры 62

2.3. Анализ временных трендов температуры и осадков. Районирование территории 63

2.4. Индексы циркуляции для Атлантико -Европейского сектора и их проявление во временных рядах температуры и осадков на территории Казахстана 80

2.4.1. Индексы NAO и ЗОН ..............................................................................................80

2.4.2. Индексы Багрова и Токарева 86

2.5. Циркуляция атмосферы над Западной Сибирью и Северным Казахстаном 93

2.6. Тенденции изменения климата Средней Азии 96

2.7. Прогноз изменения климата Казахстана в течение XXI века 98

2.8. Возможные экологические последствия изменения климата 102

2.8.1. Последствия изменения климата для территории умеренных широт 102

2.8.2. Последствия влияния изменения климата на условия земледелия 105

2.8.3. Облачные ресурсы как одно из перспективных направлений

смягчения последствий изменения климата и засух 10$

ГЛАВА 3. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЛАЧНОСТИ.....НАД......

КАЗАХСТАНОМ 114

3.1. Характеристика облачности по спутниковым снимкам 114

3.1.1. Идентификация облачности по изображениям облачного покрова в видимом диапазоне спектра с полярно-орбитальных искусственных спутников Земли 115

3.1.2. Метод получения климатических характеристик облачности 123

3.1.3. Климатические характеристики облачности в летний период 126

3.2. Динамика облачности пустынных и полупустынных регионов по данным метеорологических радаров 132

3.2.1. Динамика облачности и осадков у восточного побережья Каспийского моря 133

3.2.2. Облачность и осадки в Прибалхашье 160

ГЛАВА 4. АЭРОСИНОПТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ.....OBiPA^BÄiH™'""ii......

ПРОСТРАНСТВЕННО - ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

КОНВЕКТИВНОЙ ОБЛАЧНОСТИ И ГРОЗ НАД СЕВЕРНЫМ

КАЗАХСТАНОМ 166

4.1. Аэросиноптические условия образования кучево - дождевой облачности и гроз 166

4.1.1. Развитие гроз в зависимости от типов аэросиноптических процессов 166

4.1.2. Термодинамические характеристики атмосферы при грозах 198

4.2. Облачность и осадки по данным метеорологических радаров 210

4.2.1. Особенности пространственного распределения и динамика конвективной облачности над Костананем и Павлодаром 210

4.2.2. Характеристики радиоэха облачности атмосферных фронтов, осадков и опасных явлений 223

4.2.3. Характеристики радиоэха облачности в районе Караганды 233

4.2.4. Конвективная облачность и грозы в районе Актобе 250

4.2.5. Особенности динамики радиоэха облачности в районе Астаны

и Караганды 265

ГЛАВА. 5 ВОДОЗАПАСЫ..........КОНВЕКТИВНЫХ..........ОЁЖкОВ........в"

ВЕГЕТАЦИОННЫЙ ПЕРИОД КАК АДАПТАЦИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ОТРАСЛИ РЕГИОНА ВЕСНОЙ 286

5.1. Характеристики радиоэха конвективной облачности в ближней зоне 286

5.2. О методе оценки доступных водозапасов конвективной облачности

на основе данных метеорологического радиолокатора 289

5.3. Облачные ресурсы конвективной облачности 303

5.4. Динамика облачных ресурсов Северного Казахстана в вегетационный период 317

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .............................................................................................338

СПИСОК ИСПОЛ^ЗОТАЙШХИСТОЧНЙШЙ.........................................................342

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ГРАФИКИ ХОДА ТЕМПЕРАТУРЫ ПО ШШТОРЫМ"" СТАНЦИЯМ КАЗАХСТАНА 367

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ГРАФИКИ ' ХОДА''' КОШЧЕСТВ А''" 'ОС А Д КО В ' ПО НЕКОТОРЫМ СТАНЦИЯМ КАЗАХСТАНА 377

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. СПИСОК СТАНЦИЙ,......ДАННЫЕ......КОТОРЫХ"

ИСПОЛЬЗОВАЛИСЬ В РАБОТЕ 387

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. СПУТНИКОВАЯ"ИНФОРЖЦЙЯ...............................................388

Приложение 4.1. Таблица яркости, снятая со спутниковых снимков за июнь 2003 г. в районе Костаная 388

Приложение 4.2. Примеры спутниковых снимков с указанием точек, в которых снимались величины альбедо 391

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. ТАБЛИЦЫ ПЕРИОДОВ МАКР0ПР6ЦЁСС'0В""НАД' ТЕРРИТОРИЕЙ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ЗА МАЙ-АВГУСТ 401

Приложение 5.1. Периоды макропроцессов за май-август 2003 г. 401

Приложение 5.2. Периоды макропроцессов за май-август 2004 г. 403 Приложение 5.3. Периоды макропроцессов за май-август 2005 г. 404 ПРИЛОЖЕНИЕ 6. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ"" КОНВЕКТИВНОЙ ОБЛАЧНОСТИ В ПРИБАЛХАШЬЕ 406

Приложение 6.1. Пространственное распределение конвективной облачности днем 406

Приложение 6.2. Пространственное распределение конвективной облачности ночью 407

ПРИЛОЖЕНИЕ 7 .ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНв1ЁКТЙВНОЙ ОБ ПО ДАННЫМ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО РАДАРА 408

Приложение 7.1. Средний диаметр основания конвективной облачности по станциям Северного Казахстана 408

Приложение 7.2. Средняя площадь основания конвективной облачности по станциям Северного Казахстана 410

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

В настоящей работе использованы следующие обозначения и сокращения: АК - арктические колебания БКП - биоклиматический потенциал BMO - всемирная метеорологическая организация ВФЗ - высотная фронтальная зона гПа - гектоПаскаль ЕТР - Европейская территория России ЗОН - комплексный индекс аномальности ИСЗ - искусственный спутник земли КБ - параметр (индекс) Багрова Кт - параметр (индекс) Токарева мБар - миллибар

МГЭИК - Международная группа экспертов по изменению климата

МОЦАО - модели общей циркуляции атмосферы и океана

MPJI - Метеорологический радиолокатор

МС - метеорологическая станция

ПВФЗ - планетарная высотная фронтальная зона

POL - полярное колебание

NAO - North Atlantic oscillations - Северо-атлантические колебания NOAA - Национальная администарция по исследованию атмосферы и океана РОЗО - радиоэхо облачности и зон осадков САК - Северо-атлантическое колебание РК - Республика Казахстан

РКСО - радиоэхо конвективной и слоистой облачности РКО - радиоэхо конвективной облачности

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации

Проблема изменения климата в последние годы стала одной из самых актуальных экологических проблем, обсуждаемых в научном мире. В последние годы во всем мире заметно выросло понимание возможных экологических и социальных последствий уже наблюдающегося и ожидаемого в дальнейшем глобального потепления. Стала очевидной необходимость разработки стратегии адаптации к предстоящим изменениям в каждом регионе, где учитывались бы одновременно ожидаемые изменения климата в нем, как отклик на глобальные изменения, так и особенности экономики на конкретной территории.

Большинство исследователей считают, что чем выше уровень индустриализации, тем меньше в процентном отношении убытки от изменения климата. Пострадают, таким образом, страны, в которых сельское хозяйство играет большую роль в экономике государства. Экономика Казахстана, имея индустриально-аграрную направленность, где сырьевая составляющая играет важную стабилизирующую роль, все же сильно зависит от состояния аграрного сектора. Несмотря на то, что основное зернопроизводство Республики сосредоточено в зоне рискованного земледелия в Северном Казахстане, страна полностью обеспечивает себя зерном и другими продуктами и, кроме того, зерно является важным экспортным товаром. Сельское хозяйство Республики обеспечивает ей стратегическую продовольственную безопасность.

Согласно «Второму национальному сообщению РК» повышение температуры по любому из сценариев «будет отрицательно сказываться на урожайности». В ряде мест со временем урожайность будет составлять только 25 - 60 % от ее многолетнего значения.

В Казахстане развито животноводство, дающее до 45 % доходов в аграрном секторе. Анализ совместного влияния ожидаемых изменений температуры и осадков, который содержится в том же «Втором национальном

сообщении», показал, что условия увлажнения в течение всего вегетационного периода будут ухудшаться. Даже ожидаемое увеличение количества осадков в летний период заметно не скажется на улучшении условий увлажненности на фоне повышения температуры.

Понятно поэтому, что проблема сохранения продовольственного самообеспечения, продовольственной независимости в условиях изменения климата весьма важна для Республики. В связи с этим данное исследование, направленное на оценку облачных водозапасов, как источника для вызывания дополнительного количества осадков, как средства адаптации к новым условиям, чрезвычайно актуально. Актуальность наследования возрастает еще потому, что результаты оценки доступных водозапасов над Северным Казахстаном показали, что они вполне достаточны, чтобы компенсировать ожидаемое ужесточение условий земледелия.

Изменение климата на территории Казахстана было объектом целого ряда исследований, в том числе спонсируемых из дальнего зарубежья. Данную проблему в Казахстане, Кыргызстане, Узбекистане и России изучали Израэль Ю.А., Мелешко В.П., Подрезов O.A., Чичасов Г.Н, Пилифосова О.В., Долгих С.А., Есеркепова И.Б., Семенов O.E., Вилесов E.H., Ахмадиева Ж.К., Кожахметова Э.П. и многие другие. Однако проблема изменения климата как в части познания причин, вызвавших наблюдаемые изменения, так и в части поиска путей адаптации и смягчения последствий, все еще далека от решения. В данном исследовании, развивая уже достигнутые результаты, мы стремились изучить связь происходящих изменений температуры и осадков с общей циркуляцией атмосферы. По нашему мнению только такой подход позволит в дальнейшем прогнозировать ожидаемые изменения климата на основе физических закономерностей вместо экстраполяции.

Выполнив анализ особенностей динамики временных рядов температуры и осадков по территории Казахстана и ее типизацию по характеру изменения температуры, исследования связи особенностей этих рядов с общей циркуляцией, особенно Атлантико - Европейского сектора, мы показали, что

поиск путей адаптации необходим. Поэтому мы предприняли попытку найти и обосновать эффективный способ адаптации, а также и смягчения последствий путем получения дополнительных осадков из доступных водозапасов облачности, особенно в вегетационный период.

Представляемая диссертационная работа является первой, в которой содержится научно обоснованный способ адаптации к региональному появлению глобального потепления за счет использования доступных водозапасов конвективной облачности, который возможно использовать и в засушливые годы.

Связь темы диссертации с крупными научными программами

Работа выполнена в соответствии с основными научно-исследовательскими работами, выполняемыми Казахским НИИ экологии и климата в данной области.

Автор ежегодно принимал участие или был ответственным исполнителем научно-исследовательских тем или разделов по выполнению Республикой Казахстан обязательств по Киотскому и Монреальскому протоколам в период с 1997-2009 гг., (более 10 тем), а также был руководителем хоздоговорной темы с Алматы Пауэр Консолидейтед по изучению грозовой активности на юге Казахстана в 2005 г. Совместно с институтом географии РК участвовал в теме «Метеорологические и агроклиматические риски в Казахстане» в 2008 г., где выполнил самостоятельный раздел с рядом карт, вошедших в Атлас МЧС РК.

Результаты каждого из этих исследований автор докладывал и защищал на Научно-техническом Совете Министерства охраны окружающей среды Республики Казахстан.

В настоящее время автор является также ответственным исполнителем подраздела, выполняющегося на кафедре метеорологии КазНУ им. аль-Фараби фундаментального исследования Министерства образования и науки РК: «Разработать научные основы использования метеорологических и климатических факторов при оценке доступного потенциала возобновляемых

источников энергии и водозапасов облачных систем для обеспечения устойчивого развития природно-антропогенных комплексов РК в условиях изменения климата».

Результаты исследования по диссертации частично уже внедрены в работу Министерства ООС, активно используются в учебном процессе Казахского Национального университета им. Аль-Фараби при подготовке специалистов-экологов и метеорологов.

Цель и задачи исследований

Целью данной работы является выявление и оценка величины проявления глобального потепления на территории РК, теоретическое обоснование и разработка научных основ использования доступных водозапасов облачности в качестве адаптационного потенциала к наблюдаемым и ожидаемым проявлениям глобального потепления и обеспечения устойчивого развития компонентов окружающей среды Северного Казахстана. Это достигнуто через комплексный анализ современных тенденций изменения климата во взаимодействии с общей циркуляцией атмосферы с одной стороны и оценкой влияния этих изменений на влагозапасы почвы, водные ресурсы, почву и земледелие в регионе в целом. Поиск пути адаптации осуществлялся через изучение физики образования, условий формирования полей облачности над территорией Казахстана, в частности над Северным Казахстаном, разработку метода оценки доступных водозапасов, оценку таких водозапасов и исследование их пространственно - временной динамики. Оценивалась достаточность такой адаптации к ожидаемым изменениям компонентов окружающей среды.

В связи с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Детальное установление характеристики, особенностей временной динамики климата по территории Казахстана, а также влияния этих особенностей на другие компоненты окружающей среды в частности на

водозапасы почвы, водные ресурсы и на сельскохозяйственное производство, в целом.

2. Выявление временных связей между индексами общей циркуляции атмосферы и динамикой температуры и осадков в Казахстане, с намерением в будущем использовать найденные связи для построения сценариев изменения условий хозяйственной деятельности.

3.Детальное картирование облачности над территорией Казахстана по данным метеорологических спутников и радаров. Общая оценка потенциала облачности. Анализ облачности и осадков над акваторией Каспия для возможного использования при пересчете водного баланса водоема.

4.Установление количественных параметров аэросиноптических, термодинамических характеристик атмосферы, при которых развивается конвективная облачность. Получение радиолокационных характеристик облачности в вегетационный период, как основы для разработки метода и при оценке водозапасов конвективной облачности, как средства адаптации земледелия региона к ожидаемым изменениям климата.

5. Разработка метода и оценка в климатическом аспекте доступного потенциала конвективной облачности над Северным Казахстаном, как эффективного средства адаптации к новым условиям и обеспечения устойчивого развития региона, в первую очередь - земледелия.

Научная новизна полученных результатов

Осуществлен первый всесторонний анализ изменения климата над территорией Казахстана во взаимосвязи с общей циркуляцией атмосферы, который показал, что это изменение уже затронуло все компоненты окружающей среды и хозяйственную деятельность, особенно земледелие, поэтому необходим поиск путей адаптации к происходящим изменениям. Для этого осуществлено теоретическое обоснование и развитие нового научного направления - привлечения доступных водозапасов облачности в качестве средства адаптации компонентов окружающей среды, в первую очередь

земледелия, к глобальному потеплению, а также в случае засух. В этом направлении получены следующие новые результаты:

1. На основе изученных нами особенностей временного хода температуры для Казахстана, представленного в виде обобщенного графика, показано, что ее изменение (рост), происходит во взаимосвязи с изменением глобальной температуры и температуры сопредельных регионов. Рост температуры сопровождается снижением на 15-20% влагозапасов в почве, снижением стока на 7-11%. В будущем, несмотря на некоторое ожидаемое увеличение количества осадков на 10-12% к 2050 г., оно не покроет возрастающего испарения. Поэтому ожидается ухудшение условий земледелия, что может угрожать продовольственной безопасности Республики.

Показано, что актуальным является не просто исследование климатических изменений, но и поиск путей адаптации и смягчения последствий, поиск путей устойчивого развития компонентов окруж�