Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Ресурсы почвенной влаги и их изменения по данным сетевых измерений и в моделях теории климата

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Ресурсы почвенной влаги и их изменения по данным сетевых измерений и в моделях теории климата"

¡Министерстве высшего и среднего специального образования РСФСР

'ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ВДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

1СЕРКЕП0ВА Пряна Байтурсуиовна

УДК 551-579.001.57+502.3

РЕСУРСЫ ПОЧВЕННОЙ ВЯАГИ й ИХ ИЗМЕНЕНИЯ ПО ДШЫЫ СЕТЕВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ И В МОДЕЭШХ ТВОИМ КЛИМАТА

Спеттальяость 11.00.11 -. П.00.09 -

охрана окруаадлей среда и рациональное ьспояьзование природных ресурсов, тлетеородогая, климатология , агрометеорология

Автореферат диссертации яа сониганав ученой степени кандидата географических наук

Ленинград - 1990

¡Работа выполнена в Государственном ордена Трудового Атасного

Знамени гидрологическом институте. •

Научный руководитель - 'доктор физико-математических наук

'К.Я.ВИННИКОВ.

Официальные оппоненты - доктор географических наук,

профессор 0. А.Дроздов .доктор географических наук ,А.В.Ыещерская.

'Ведущая организация - Агрофизический научно-исследовательский

институт

'Завита,состоится "¿3" 1990 г. в " час.

на, заседании специализированного совета Д.063.57.42 по защите диссертация на соискание ученой степени доктора наук при Ленинградском государственном университете, факультет географии и геоэкологии (адрес: 199178, Ленинград, В.О., 10-я линия, д.ЗЗ, ауд. 74).

С диссертацией мояно ознакомиться в Научной библиотеке

им. А.М.Горького Ленинградского государственного университета.

1

Автореферат разослан " " 1990 г.

Г.И. Мосолова

Ученый секретарь специализированного совета

ОБЩАЯ ХАРАКГЕБКЯЖА РАБОТЫ

Актуальность теш. Влажность почвы - один из основных источников влаги для растений, поэтому исследования ее современного режима и оценка его возможных изменений при развитии глобального потепления имеют особое значение для будущего естественных и искусственных экосистем.

Изучение этой характеристики является актуальной задачей современной климатологии в связи с тем, что некоторой современными физически® моделями теории климата было предсказано "летнее иссушение континентов" при глобальном потеплении, которое произойдет при повышении содержания в атмосфере газов, создающих парниковый эффект. Аридизация -климата мозет привести к повсеместному увеличению повторяемости засух и усилению их интенсивности, а в районах, страдающих от периодического недостатка влаги, и к гибели агробиогеоценозов.

В отличие от результатов, полученных с помощью этих моделей, анализ палеоклиматических данных не позволяет сделать вывод о возрастании засушливости климата в теплые эпохи прошлого. Кроме того, другими моделями теории климата "летнее иссушение континентов" в высоких и средних широтах при глобальном потеплении не обнаруживается.

Очевидно, что надежность модельных оценок изменения влажности почвы при повышении средней глобальной температуры воздуха зависит от того, насколько реалистично модели рассчитывают современный реззш влажности почвы. Материалы многолетних измерений влажности почвы, имеющиеся в СССР, позволяют осуществить ■ проверку результатов моделирования.

Решш влажности почвы определяется как климатическими факторами, так и условиями природопользования. В условиях, когда меняется и то и другое, планирование рационального использования природных ресурсов и любых природоохранных мероприятий требует информации о режиме влаги в почве и его изменчивости, а также оценок возможных тенденций изменения влагосодеркания почвы в будущем. Анализ и научное осмысление'данных измерений влажности почвы на сельскохозяйственных полях, осуществленные в работах С.А.Вериго, Л.А.Разуыовой, А .К. Шульгина, В.Е.Конторщикова, А.В.Мещерской, Л.С.Кельчевской, Е.Н.Романовой к др., представ-

яяот основу дла изучения- реала'гласности почвы нз только для практических потребностей сельскохозяйственного производства, но и для более ишрошо: климатологических обобщений.

Материал измерений влажности почвы в естественных условиях более наглядно отразшаг связь водного режима почз с климатическими условиями па сраввеншз с измерениями на сельскохозяйственных полях. Зга информация до настоящего времени нз использовалась и ыэ обобщалась с цзльгз изучения влалшости почвы как одной 513 вагт-пс характеристик ктзматичзежой сястеин.

Запасы почезеной влаги» параду е термическими условиями, является .осногасиз агрощшматичасвими ресурсами» учат кохори:; изобходии прл обосновании к проведении мероприятий по поеькенцю почвенного плодородия и рациональном природопользовании. Б связи с оаидаемши изменениями климата особое значение имеют вопросы охранн почв, т.к. резервы увеличения шюцадк пашни ограш-чеш.

Рель работы - на основа данных сетевых измерений влажности почвы в СССР для естественных ландшафтов изучить ее реши, изменения и изменчивость» еыяскить возможности использования отой информации для проверка реалистичности воспроизведения полей влажности почва современными трехмерными моделями теории климата, исследовать влажность почен как характерютику климатической система, которая является элементом почвенного климата и одним из основных агроклиматических ресурсов, определяла! воз-мсености сельскохозяйственного производства.

Ешш поставлена следующие основные задачи. исследования:

- изучить сеть гидрометеорологических, агрометеорологических и водно балансовых станций» осучествлшщих текущие наблоде-шш за влагасодержанием корнеобитаемого сдоя почвы в условиях естественного растительного покрова, и систему ее измерений;

- выбрать наиболее надеяные в отношении однородности поч-венно-климатических условий рады наблюдений;

- построить карты-схемы географического распределения средних сезонных характеристик влакности метрового слоя почвы для естественной растительности и сравнить данные измерений с рассчитанными значениями содержания доступной почвенной влаги в

моделях теории климата;

- дать количественную оценку временной изменчивости вда&г

кости почви и проверить гагагезу С.Манабе о равенстве времени затухания автокорреляционных функций рядов влагосодержания почвы откспенпга полевой шгагоеияостя к испаряемости;

- изучи!ь сезонную структуру современных трендов влаго со дергания почвы и меру ее соответствия сценартяз "летнего иссушения континентов";

- оценить влияние агроклиматических условий ка реакм влал-иости почвы я дать реяокевдацпп по рацгшкальноглу землепользования б связи с возиояшсгя измекзкяяки отнаата.

Научная но риз на. и основт.тд .результата:

- впервые проведено сбобпешге катерпагоз йноголетшпт измерении злагосодеряания кетрогого слоя uc-zzii под естественным растстельккм пскро-ом и показана цзязсссбразкость использования этой информации дал проверяй реалистичности госпрснзведения сапр?"9ккл.:л трзгнзрз-гцнн кодсллли ?оср:п! нл:"'гга ре~и;ла здаз-постп почт. Пострсзга sspTU-czcirj, отрат.а:зд!!э ггзоясыэршсти геогргфгсзсгого распределим срс-д:л:х гпасзпзй злато содзрдакш ".хтроЕОГО слоя почга з уело-::.-;: сстсствсппого растительного покроЕа для чзт!.-рзз: сезонов года. Ировздспо са^т.'тас-:;г;,с дагакх кзкзрзтай с расстг"тап:г_г"л с псгтсцкз рлда мэдэдзй тзор:гл ::лп:-ата гзлпиипанп ззсхпгстз га^'л. Ог:з покапало, что з районах избыточного и дсстатсдюгэ узлгпгтепил :'одзль?~:-з оценки сильно озяззеии из-за гздоунета постуядз.'гия грутгголгг под з верхние слои почвы для ecos t-зсяцзз года. В готггпэ t-'.есяци ио-делыя» оцекхи такав оказались значительно ниле давних пзкэве-ккй. Вняснилоеь, что характер годового года злагосодзргакм печзк нодэлпрузтея удовлетворительно;

- исследована врегагякая изменчивость влагосодерзаляя почты под естественной растительностью, получены омшрлчзеппз оценки автокорреляционных фуняцгй п их характерное временных масштабов затухания. Показано их соответствие, согласно гипотезе C.líа-набе и Т.Делворта, отнотэнию полевой влагое:,исостя з испаряемости,- изучены современные тренды влаякостя почвы; показанс, что

их сезонная структура не соответствует гипотезе "летнего иссушения континентов";

- исследовано влияние агроклиматических условий на оОщт каотину крупномасштабного распределения влажности почвы?

- проведен анализ изменений приземной температуры воздуха в результате распашки бывших.целинных земель Северного Казахстана, следствием которой, вероятно, является изменение режима влажности почвы;

- оценены статистические характеристики выбросов временных рядов влагосодержания в теплый период года для современного климата и для глобального потепления на 1°С к 2°С с цельп определения вероятностей возникновения почвенных засух;

- впервые влажность почвы рассматривается как характеристика климатической системы и исследуется возможность привлечения данных ее измерений для оценки климатических условий увлажнения в связи с предстоящими изменениями климата и-вероятностью возникновения "летнего иссушения континентов", предсказанного некоторыми моделями теории климата.

Методическая основа. Исследование выполнено на основе современных методов математической статистики и теории случайных процессов применительно к физической климатологии метеорологии.

Практическая данность. Материалы работы могут быть использованы для усовершенствования методов расчета составляющих гидрологического цикла и уточнения параметров, входящих в расчетные схемы влажности почвы в моделях теории климата.

Материалы диссертации вошли в отчеты по двум темам 1У.25а.07 "Изучить влияние возможных изменений климата на гидрологический цикл" (1986-1990 гг.) (в Ш "Атмосфера" 03.02.Н4) и 1У.25а.1 • "Оценить возможные изменения климата под влиянием антропогенных воздействий на период до 2010 г. и на XXI столетие, их влияние на водные ресурсы, биосферу и хозяйственную деятельность человека" (1989-1990 гг.) плана НИР и ОКР Госкомгидромета СССР.

Апробация работы. Результаты работы бьши доложены на конференции молодых учёных и специалистов ТРИ (Ленинград, 1985), на секции Ученого совета ГГИ (1988), на 13 (Ленинград, 1988) и 14 (США, 1989) заседаниях Рабочей группы УШ "Влияние изменений в окружающей среде на климат" по выполнению соглашения между СССР и США в области охраны окружающей среды, на семинарах Отдела ■исследования изменений климата и влагооборота в атмосфере (1988, 1Э89), Отдела динамической метеорологии ГГО им. А.И.Воейкова (1990), лабораторий 120, 121 и 172 Агрофизического научно-исследовательского института (1990) и кафедр климатологии и геоэкологии факультета географии и геоэкологии ЛГУ.

Публикации. Основные результаты работы изложены в четырех научных статьях. Две пз них написаны в соавторстве с научным руководителем Я.Я.Винниковш* В них личный вклад автора заключался в участии на всех этапах работы, от постановки задачи до получения и анализа результатов и написания текста.

Структура я.объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем работы составляет 125 страницы кашинолисаного текста, в том числе б таблиц и 12 рисунков- Список литературы содержит 146 наименований.

ГОДЕРШНИЗ РАБОТЫ

I. ПРОБЛЕЙ РЕШ4 ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ В СОВРЕМЕННОЙ НШАТОШГШ

Моделирование изменений влажности почвы б средств*:» глобального потепления с помощью моделей теории клнката представляет собой исключительно слсшнув задачу, поскольку его результаты невозможно проверить по экспериментальным данным. Даае для сов-реиекных климатических условий трудно оцзшш, реалистичность воспроизведения полей влажности почвы. Поэтому з рсботгз, выполненных с помощью климатических моделей, онп либо кз приводятся, либо указывается лпзь на пх качественное согеасоганке с общи«! представлениями о полз влеткостя почеы па гоктшгзнтзх, основанными,на раогределетти-каблядаем« су.:м атмосферных осадков. Если численно моделируемые высокие значения влажности почвы соответствует области!.! с попызенкыгл количеством осадков, а низкие - района:.! пустшь, то считается, что модель удовлетворительно описывает поле влажности почва.

■ ОбнаруппЕЗиеся противоречия в оценках язгззненип злгпности почвы при глсбалькоч потепления, вызванном удвоением концентрации С0«> в атмосфере, некоторые авторы попытались разрешить путем сравнения результатов мсделиро-апия, полученных с помощью различных моделей, которые, в основном, не согласуются между собой. Высокая степень параметризации резина влажности почеы, сложность реальных гидрологических процессов, отсутствие фактических данных даке после тщательного анализа различий в списании гидрологического цикла в моделях не позволяет получить вывод о преимуществе той или другой модели. Единственным критерием в такой ситуации мояет служить только проверка результатов

моделирования .на основе данных измерений вдагосодержания почвы, " которая позволит найти пути усовершенствования параметризаций, входящих в расчетные схемы, уточнить значения параметров, учесть дополнительные физические процессы, ответственные за формирование режима влажности почвы. Необходимо принимать во внимание-и неоднородность водно-физических свойств почв и обратные связи в климатической системе. Проблема режима влажности почвы в современной климатологии частично может бить решена на основе данных прямых измерений, имеющихся э СССР, которые позволят сравнить результаты моделирования с эмпирическими данными.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ВДША ШАЕШСТИ ПОЧВ НА ТЕРРИТОРИИ СССР В ЕСТЕСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Для изучения режима влажности почвы в условиях естественных ландоаафгов были проанализированы материалы многолетних измерений влагосодержания метрового слоя почвы, принятого в моделях теории климата в качестве характеристики увлажнения земной поверхности. Большая часть этой информации (—'3000 станций) относится к сельскохозяйственным полям с различными культурами. И, поскольку эти данные подвержены влиянии не только метеорологических условий, а зависят и от применяемой агротехники, они не использовались в данной работе. Из 300 станций, осуществляющих измерения на участках с. ненарушенным естественным растительным покровом, были отобраны¿станций с наиболее надежными рядами наблюдений. Но даже эти ряды обладают серьезными недостатками и при их статистической обработке необходима максимальная осторожность. Периоды наблюдений на них оказались короткими. Большинство станций ведут наблюдения с 1972 года, за исключением нескольких станций пустынно-пастбищной зоны Казахстана. Рады содержат много пропусков. Термостатно-весовой метод, принятый на сети в качестве,единого, также далек от совершенства. .

При отборе рядов для исследования требовалось, чтобы распределение станций по освещенной данными территории было по возможности равномерным и обеспечивалось постоянство местоположения наблюдательного участка и используемых агрогидрологичес-ких констант. Особое внимание уделялось репрезентативности участков в смысле гидрологического режима деятельного слоя почвы как окружающей местности, так и природно-ландшафтной зоны, в которой они находятся.

Анализ данных измерений агрогидрологическнх констант, входящих а схемы параметризации испарения и стока,показал, что использование постоянного значения полевой влагоемкоста (150 мм) метрового слоя почвы кеоправдано» Эта величина значительно меняется по территории в зависимости ст типа почв и их разновидностей по механическому составу. В работе приводится схематизация значений долевой влагоемкости, а также влажности завядания и полной полевой влагоемкости для различных физико-географических зон и типов почв.

Для сравнимости данных моделирования с измерениями в работе рассчитаны нормы влагозапасов для каждого месяца и для всех сезонов года. По этим данным были составлены карты-схемы распределения влагосодерзания кетрового слоя почвы для зимы, весны, лета и осени (в процентах по отношению к полевой влагоемкости). При высокой степени генерализации данных наблюдений (изолинии проводились кратно 2Ш) поля фактической влажности почвы обнаруживают зональный характер. Значения влагасодержания почвы во все сезоны года закономерно уменьшаются с северо-запада на юго-восток, что согласуется с общим характером изменения содержания продуктивной влаги на картах, построенных агрометеорологами для сельскохозяйственных полей. Нарты норм влагозапасов, построенные агрометеорологами» относятся к определенным датам или фазам в развитии конкретных сельскохозяйственных культур, поэтому использовать их для сравнения с результатами моделирования невозможно. Сезонные карты, построенные з данной работе, обладают множеством недостатков и их следует рассматривать только в качестве упрощенной модели пространственного распределения влагозапасов.

Сравнение полей влажности почв по данным измерений и по результатам, полученным с помощью моделей GFDL (Лаборатория геофизической гидродинамики Дринстонекого университета, США) и 0SU, (Орегонский университет, СЖ) показало, что модельные оценки существенно нияе наблюдаемых во все сезоны года в северных районах и летом - в южных районах. Если бы рассчитанные в абсолютных единицах значения влагосодеряания относились к более близким к реальным значениям полевой нлагоемкости, которые ка иге для песчаных и супесчаных почв составляют от 70 до 120 км, т.е.

низе 150 мм, то картина распределения шхатгности почвы была бы блике к фактической. На севера ЕГС при используемой параметризации испарения значения влагосодержания ограничены критическими величинами, составляющими 75% от полевой влагаемкости,

3 зоне

сверх которых вся влага уходит в сток. Реальные ке поля^избыточного увлажнения могу? достигать 100? к более*

Сравнение годового года данных наблюдений и моделируемой влажности почвы осуществлялось по осреднзнным внутри четырех болыдкг районах данным. При этом результаты ыоделировадащ по моделям бПЗЬ, ОЗи и 11ИМ0 (Метеорологическая слукба Соединенного Королевства» Великобритания) были проинтерполированы в точки с координатами станций, а затем осрзднзны арифметически такке, как и данные наблвдений. Границы районов: (I) 55-60° с.ш., 22,5-47,5°в.д.; (2) 50-55°с.щ.» 22,5-60°в.д.; (3) 50-55° с.ш., 60-105°в.д.; (4) 42,5-50°с.ш., 47,5-77,5°в.д.

В районе I иэмереннуз значения превшшзт рассчитанные. Они значительно больше максимально возможных величин при используемых в моделях параметризациях. Это различие объясняется тем, что сгеш расчета влагосодержания почвы не учитывают поступления грунтовых вод в качества одного из основных источников почвенной влаги в эти? широтах.

Для летнего сезона получаемая в моделях влааность почвы очень сильно занижена во всех районах для моделей СГСЬ и 0511, а для модели 11КМ0 - в I, 2 и 4 районах. В 3 районе результаты, полученные с помощью модели иКМО, завышены по .сравнения с фактическими данными с апреля по август. .

Следует отметить, что характер годового хода моделями воспроизводится удовлетворительно. ■

Юинее 55°с.ш. летом по данйым моделей и полу-

чены очгнь нкзкие значения продуктивной влаги в почве, составляющие 1-2 мм, тогда как по данным измерений даже-в-наиболее засушливом 4 районе в метровом слое остается около 15 мм влаги. Вероятно, это занижение летнего влагосодеркания могло явиться основной причиной вывода о "летнем иссушении континентов", которое должно последовать за глобальным потеплением климата.

3. СТАТИСТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ВРЕМЕННЫХ РЯДОВ ВЛАГОСОДЕР-ЖАНКЯ МЕТРОВОГО СЛОЯ ПОЧВЫ

Временная статистическая структура рядов запасов продуктивной влаги под сельскохозяйственными культурами исследовалась в работах В.И.Конторщикова и М.ВЛетровой, а также А.В.Мещерской, в которых отмечена их высокая степень инерционности и оценены масштабы их временной изменчивости.

Для условий естественной растительности по исследованиям в Южной Каролине (США), выполненным Юу'и Круиз (1Э82), автокорреляционный анализ рядов ежедневных значений влагосодержания почвы в слое 1,68 и показал, что значимая корреляция сохраняется более I5Q дней. Сильная автокорреляция, обнаруженная в данных, позволила авторам сделать предположение, что процесс изменения влажности почвы во времени можно описать с помощью модели авторегрессии. С этой целью была, использована Марковская модель первого порядка, которая объясняет до 90=? изменчивости в данных.

3 недавней работе Т.Делворта и С.Макабе (1988) вскрыт физический механизм формирования временного спектра колебаний влажности почвы. При .этом показано, что дифференциальное уравнение, описывающее формирование случайного марковского процесса первого порядка

¿U-AyCtJ'-zU), (Г)

где Л - константа, 2 (Л) - белый шум, Ъ . - время, практически совпадает с уравнением, описывающим в модели Лаборатории геофизической гидродинамики формирование влакности почвы, если предположить, что у (Л) - влагосодержание деятельюго слоя почвы, g(-fc) - разность количества осадков (поступающих в виде довдя, а также при таянии снега) и стока; - E0/Wf , где Е0 - испаряемость, a Wf - полевая влагоемкость деятельного слоя почвы.

Из многочисленных исследований мы знаем, что спектр временных рядов атмосферных осадков в большинстве районов земного шара чрезвычайно близок к спектру белого шума. Можно думать, что и спектр входящей в 2(t) разности осадков и стока такт:: не очень сильно отличается от белого шума. Анализ временных рядов этой разности, полученных на основе модели Лаборатории геофизической гидродинамики в упомянутой работе Т.Делворта г. С.Ма-

набе, подтверждает этот вывод. Ьо спектр колебания влагосодер-жания деятельного слоя почвы содержит информацию о вероятности возникновения почвенных засух. Причем, так как единственный параметр Л, определяющий временную структуру колебаний влаго-содержания почвы, имеет вполне ясный физический смысл 7> = Е0/и''{, его возможные изменения при развитии антропогенного глобального потепления климата могут быть оценены и без моделирования длинных временных рядов с помощью климатических моделей общей циркуляции атмосферы.

Для проверки гипотезы Т.Делворта и С.Манабе были использованы временные ряды наблюдений на 30 станциях, данные которых не имели большого перерыва в зимние месяцы. Тем не менее, и на этих станциях в рядах измерений оказывается до 5С$ пропущенных значений.

Наличие очень большого числа пропусков во временных рядах измерений влажности почвы затрудняет применение к ним общепринятых стандартных методов спектрального анализа. Положение упрощается, поскольку в данном случае мы ожидаем, что временные . ряды измерений влажности почвы соответствуют статистической модели марковского процесса первого порядка и, следовательно, имеют автокорреляционную функцию вида

4{х) =^ехр(-ПТ), (2)

где "г(Т) - автокорреляционная функция, г - временно?, сдвиг, Д - константа.

Величина 1/Л» называемая временным масштабом автокорреляционной функции, имеет смысл временного сдвига, для которого

уменьшается в е раз. Параметры экспоненциальной, функции легко определяются графически. Для оценки автокорреляционных функций временных рядов с пропусками использовались формулы, ранее предложенные для этой цели в работе (Винников и др., 1973^, смысл которых заключается в том, что значения автокорреляционной функции для каядого временного сдвига оценивается по имеющимся в ряду наблюдениям. При этом средние к дисперсии пере считывают ся для каждого временного сдвига заново. Из рядов наблюдений предварительно исключался годовой ход средние декадных величин. Годовым ходом дисперсии пренебрегали.

Результаты расчетов показали, что автокорреляционные функ-вии вполне удовлетворительно описываются аппроксимирующим выра-

жением, соответствующим представлению процесса в виде суммы белого и красного шума. Эмпирические оценки времени корреляции { 1/Л ) были получены путем вшолненной вручную графической аппроксимации корреляционных функций.

Теоретические оценки этого ве параметра, равные отношению влагоемкостн деятельного слоя почва к испаряемости, были получены по материалам расчетов испаряемости Е0 для современных климатических условий территории СССР, выполненных К."Я.Вин-никовым и Н.А.Лемешко (1987) с помощью комплексного метода М.Й.Будыко (1971).

График сравнения эмпирических и теоретических оценок масзта-ба корреляции показал, что они удовлетворительно согласуются между собой. Систематические различия между оценками в среднем отсутствуют. Коэффициент корреляции между ними составляет 0,6. Средние значения 1/Л и У/^/ Е0 по выборке из 30 полученных оценок совпадают и равны 2,8 мес. Стандартные отклонения татаге близки и равны 0,9 мес.

Следует иметь в виду, что в районах, где зеркало грунтовых вод присутствует в метровом слое почвы в течение всего года, . характеризующихся большим значениями стока, схема расчета влажности почвы не соответствует реальному гидрологическому циклу, что подтверждается различиями рассчитанных в помощью модели 6ГБи значений и данных наблюдений в этих районах.

Исследования временной изменчивости влагосодержания почвы имеют практическое приложение для расчета характеристик случайных выбросов рядов влагосодержания, особенно вниз за некоторый уровень, при котором развитие и состояние растений резко ухудшаются. Обычно это наблюдается при влажности почвы, соответствующей 25-30&- от значения полевой влагоемкости и ниже, т.е. при влажности разрыва капилляров. Пребывание влажности почвы ниже этого уровня приводит к почвенной засухе. Зная величины испаряемости и полевой влагоемкостн, по которым определяется параметр Д, легко рассчитать статистические характеристики выбросов.

Для семи станций степной и лесостепной зон были рассчитаны характеристики случайных выбросов вниз за уровень 30£ от полевой влагоемкостя. Для современного климата нормы влагосодержания рассчитаны по данным, используемым в работе в качестве ис-

ходного материала. Изменения корм температуры воздуха, испаряемости и влагосодержания почвы для глобального потепления на 1° и 2°С взяты по данным работы (Винников, Лемешко, 1987), основанной на использовании оценок климатических условий будущего из монографии (Антропогенные изменения климата, 1987).

Воспользовавшись аппаратом теории случайных выбросов, разработанным применительно к анализу .метеорологических процессов РЛ.Каганом и Е.й.£едорченко, а также предположив, что при изменениях климата коэффициент вариация влагозапасов остается неизменным, были рассчитаны средние вероятности выбросов вниз, число пересечений и продолкительность пребывания значений влагосодержания ниже уровня, определенного как 30? от У\/{.

Для современного климата вероятность почвенных засух на выбранных станциях составляла от 20£ для станции Чаглы до 40^ для Омска. Средняя продоляительность непрерывного пребывания значений влажности почвы ниае 30$ от У/* составляет от 3,2 декад для станции Родниковка до 4,8 декад для Омска. Число таких событий для Огурцово и Чаглы составило 9 раз за 10 лет, для Омска - 18 раз за 10 лет. При глобальном потеплении на 1° на 5 станциях, где нормы влагосодержания уменьшаются, наблюдается возрастание вероятностей засух на 2-6$, а там, где нормы увеличиваются - уменьшение на 2-9%. Остальные характеристики выбросов вниз меняются мало.

При глобальном потеплении на 2°С нормы влагосодерпаная в степной и лесостепной зонах увеличиваются. Наибольшее увеличение наблюдается на станции Чаглы. Оно составило 19 мм. Вероятность почвенных засух при этом уменьшилась с 20 до 12^, средняя непрерывная продолжительность снизилась на 0,5 декады, а число засух сократилось от 9 до 6 раз за 10 лет.

Таким образом, применение аппарата теории выбросов позволила получить вывод, что при развития глобального потепления не следует ожидать существенного увеличения вероятностей возникновения почвенных засух. При использовании оценок климатических условий будущего, основанных на применении палеоклиматических аналогов более теплых эпох прошлого, при потеплении на 1°С вероятности засух несколько увеличиваются, а при потеплении на 2°С - уменьшается.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЖЕЕОРОДЭГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ И АГРОКШАТИЧЕСШ УСЛОВИЙ НА ЗЛАГ0С0ДЕРШШЕ ПОЧВЫ

Ограниченны?? объем данных не позволяет надежно изучить закономерности долговременных изменений режима влажности почвы. Однако была сделана попытка выявить сезонную структуру трендов злагосодержания метрового слоя почвы за единый период (19721585 гг.) для уже упомянутых четырех районов.

Были выявлены положительные линейные тренды влагосодеряания метрового слоя почвы для первого, второго и третьего районе? вг-все месяцы года. Сопоставление их годового года с линейнкмк трендами осадков и температуры за тот же период позволило обне-руйить, что тренды осадков также оказались положительным; и того же масштаба, что и тренды влажности почвы (10-30 лег'.-,

а влияние температуры при качественном анализе не проявляется. Рост осадков, по-видимому, является основной причиной увеличения влажности почвы, которое в среднем для годовых величин составило 20 мм/10 лет для I и 2 районов и 15 мм/Ю лет для 3 района. В районе 4, где осадки значительно меньше испаряемости, и-,: изменение и не может привести к изменению влажности почвы. Значимых трендов влагосодержания в этом районе не обнаружено.

Изучаемый период (1972-1985 гг.) характеризовался быстрым потеплением северного полупария на —0,2°С/Ю лет (Зинников и др., 1987), и можно было ожидать, что в оценках сезонных трендов влагосодержания обнаружится картина "летнего иссушения континентов" с уменьшением летней и увеличением зимней влажности почвы. Это предположение не подтвердилось.

К числу других факторов, влияющих на формирование режима влажности почвы,следует отнести факторы антропогенного характера. Это прежде всего сельскохозяйственное освоение территории, распашка целинных и залежных земель, а также мелиорация и агротехника, с помощью которых добивается повышения почвенного плодородия, препятствуя свободному испарению с поверхности латки и укрывая некоторое количество влаги в почве для повышения к устойчивости урожайности.

На основе анализа данных по распаханности бывших целинных земель Казахстана до и после распашки в 1954-1955 гг. была выбрана группа метеорологических станций, попавших в район нал-

большего увеличения площади пазни. Б Кустанайской области по отдельным районам площадь пешня увеличилась в 8-9 раз. А в целом в период освоения целины распаханность в Северном Казахстане увеличилась в 3 раза (от 7-6 млн.га до 21-23 млн.га).

Сравнивая разности температур по группе станций в зоне распашки и по группе станций вне зоны распадки к предполагая, что естественные изменения климата одинаковы на близкорасположенных станциях, было получено статистически значимое с вероятностью 9о% повышение температуры воздуха на бывших целинных землях весной, летом и осенью на 0,3-0,5°С. Причем, наибольшее повышение (0,5°С) обнаружено весной. Это иожпо объяснить тем, что именно в весенний период испарение с паши, на которой растительность или слабо развита или отсутствует, значительно ниже, чем с хорошо развитой естественной растительности лугов, латбкц, садов, а такке с озимых, которых в Северном Казахстане всего 3%. В результате уменьшения затрат тепла на испарение с папнл, поглощенная ее поверхность» солнечная радиация косет, в основном, расходоваться на нагревание воздуха в ярпзешом слог атмосферы путем турбулентной теплоотдачи и ддойюзолноеэго излучения.

То, что на сельскохозяйственна; полях режм влажности почем формируется в условиях, несколько отдпчавдикся от естественных, показано при сопоставлении положения одинаковых по значзнш изолиний под зерновыми сельскохозяйственными культурой и под естественным растительным покровом, а такге сравнение« средних за лето влагозгпасов.

БНЕОДЫ

1. Материалы сетевых измерений влагосодергания верхнего метрового слоя почвы на участках с естественным растительны:.! покровам после тщательного анализа на однородность и репрезентативность могут быть использованы для исследования пространствеино-¡зромзнкоЙ изменчивости влажности почвы и проверки реалистичности воспроизЕеиения моделями теории климата современного рекима ед&хкости почву.

2. В естественных природных условиях реальные значения по-лссоЙ влагоемкоста в метровом слое почвы изменяются от 70 мы для песчаных почв до 210 мм для почв тяжелого механического состава. Поэтому использование в параметризациях, рклдчаеиых в

схему расчета испарения и стока в моделях теории климата, постоянного значения эт'ого параметра (150 мл) является слетком грубым упрощением.

3. Современные модели теории климата недостаточно реалистично воспроизводят поля влажности почва. Сравнение результатов моделирования трех моделей с данными измерений показало, что на севере исследуемой территории в моделях не учитываются грунтовые воды в качестве одного из основных источников почвенной влаги,

а на юге модельные значения сильно занижены по сравнению-с наблюдаемыми.

4. По данным измерений получено эмпирическое подтверждение гипотезы "знабэ и Делворта о соответствии временного масштаба влажности почвы отношения полевой влагоемкостп к испаряемости. Временные ряды влагосодержания почва удовлетворительно аппроксимируются марковским процессом первого порядка. Параметр затухания автокорреляционной функции, обратный масштабу корреляции и имеющий смысл отношения испаряемости к полевой влагоемкости, содержит информацию о вероятности зозникновеная почвенных засух. При изменениях климата изменения во временной структуре рддов влажности почвы будут полностью определяться изменениями в испаряемости, которые следуют за изменениями температуры.

5. Если исходить из оценок климата будущего, основанных на применении палеохлкматических аналогов (Антропогенные изменения климата, 1987), то из результатов расчетов, выполненных на основе теории случайных Еыбросов,следует, что вероятность возникновения почвенных засух в степной' и лесостепной зонах СССР при глобальном потеплении на 1°С незначительно увеличится, а при потеплении на £°С - уменьшится.

6» Современные изменения и колебания климата сопровождаются значительным!! долговременными трендами влагосодержания деятельного слоя почвы. (.Автор ке предполагает, что ¡к можно экстраполировать на будущее). Зти тренды, в основном, оказываются положительными для всех месяцев года и обусловлены главным образом изменениями осадков. Сезонная структура этих трендов не соответствует сценарию "летнего иссушения континентов" с увеличением зимней и уменьшением летней влажности почвы.

7» Ожидаемые в ближайшие несколько десятилетий изменения режима влажности почвы в результате развития антропогенно: э

глобального потепления климата не превзойдут по масштабу изменения режима влажности почвы, которые имеют место в последние 10-15 лет. Изменений того тке масштаба можно достичь на сельскохозяйственных полях с помоцью современных агротехнических приемов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих статьях автора:

1. Оценка изменений температуры воздуха в Северном Казахстане в результате освоения целинных и залежных земель // Вопросы гидрологии суии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1968. - С.235-23Э.

2. Эмпирические данные и результаты моделирован:;л режима влажности почвы /,/ Метеорология и гидрология. - 1963. - !? II. -С.64-72. (В соавторстве с К.Я.Винниковым',.