Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Системный анализ и моделирование ландшафтно-геофизических полей притихоокеанского геоэкотона

ВАК РФ 11.00.01, Физическая география, геофизика и геохимия ландшафтов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Упоров, Георгий Александрович, Иркутск

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГЕОГРАФИИ

На правах рукописи

УПОРОВ Георгий Александрович

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛАНДШАФТНО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ПРИТИХООКЕАНСКОГО ГЕОЭКОТОНА

Специальность 11.00.01 - Физическая география, геофизика и геохимия ландшафтов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель -доктор географических наук профессор Э. Г. Коломыц

ИРКУТСК - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ..... 12

1.1, Ключевые аспекты прикладного системного анализа........12

1.2. Основные понятия региональных ландшафтно-геофизических исследований......,,.,.,,.,,,,............20

1.3« Основы геоэкотонной концепции................ .. 26

1.4. Роль моделей ландшафтно-геофизических полей в эколого-

географических исследованиях ............... . .. . .. 31

2. ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЛАНДШАФТНО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ СЕВЕРОВОСТОЧНОГО ПРИАМУРЬЯ ........... ........... 39

2.1. Географическое положение региона. ................ 39

2.2. Геолого-геоморфологические условия .........................48

2.3. Климатические условия................................55

2.3.1. Климатическое районирование................. 55

2.3.2. Климатический режим......................57

3. ИЗУЧЕННОСТЬ И ПОДХОД К РАЗРАБОТКЕ МОДЕЛЕЙ ГИДРОТЕРМИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ СЕВЕРО-ВОСТОЧНОГО ПРИАМУРЬЯ................................63

3.1. Пространственная структура сети наблюдений,..........63

3.2. Изученность региональных гидротермических полей ........67

3.3. Системы описания гидротермических полей............75

3.4. Градиенты полей геоэкотона: теоретический анализ....... . 84

3.5. Количественные меры континуальности-дискретности полей геоэкотона, их роль в моделировании данных полей ........ 93

4. МЕТОДИКА МАТЕМАТИКО-КАРТОГРАФИЧЕСКОГО МОДЕЛИ-

РОВАНИЯ ЛАНДШАФТНО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ПРИТИХООКЕАНСКОГО ГЕОЭКОТОНА,.....................104

4.1. Выбор оптимальной формы отображения полей геоэкотона ... 104

4.1.1. Учет факторов картографической дискретности полей геоэкотона..............................104

4.1.2. Типы математико-картографических моделей полей, основанных на методах разложения полей по их вертикальной

и горизонтальной составляющим................108

4.2. Методика математико-картографического моделирования ланд-шафтно-геофизических полей притихоокеанского геоэкотона . . . 115

4.3. Метод топохроноизоаномал и его применение для изучения локальных пространственно-временных контрастов ландшафтно-геофизических полей, , . ,......... « ............ 128

5. ЛАНДШАФТНО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ СЕВЕРОВОСТОЧНОГО ПРИАМУРЬЯ.......................139

5.1. Система математико-картографических моделей гидротермических полей Северо-Восточного Приамурья.................139

5.2. Ландшафтно-геофизическое районирование Северо-Восточного Приамурья............................... .146

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................163

ЛИТЕРАТУРА.................................168

ПРИЛОЖЕНИЯ................................185

Введение

Актуальность темы. К приоритетным научным задачам относится информационное и методическое обеспечение экологической безопасности нашей страны и ее регионов (Федеральная..., 1992). Для экологических исследований большое значение имеет информация о гидротермических полях в приземном слое Земли в форме соответствующих им моделей. Такие поля в геофизике ландшафта называют ландшафтно-геофизическими (ЛГП). Для исследуемого региона система моделей ЛГП, адекватная задачам экологических исследований, еще не разработана.

Регионом исследования является северо-восточный сектор юга Дальнего Востока, ограниченный 55 и 47° с.ш., 131° в .д., Охотским и Японским морями (рис. 1). Этот регион, ядром которого является бассейн Нижнего Амура, мы называем Северо-Восточным Приамурьем (см. 2.1) и рассматриваем как часть географического экотона (геоэкотона) континентальной окраины тихоокеанского типа (Коломыц, 1987).

Объектом исследования являются среднемноголетние приземные гидротермические ЛГП притихоокеанского геоэкотона, факторы их формирования и пространственного распределения. Понятие "ЛГП притихоокеанского геоэкотона" обозначает ЛГП повышенной степени горизонтальной контрастности, типичные для юга Дальнего Востока и в целом материковых окраин Пацифики. Ввиду редкой и нерегулярной сети наблюдений, преобладающего горного рельефа, такие поля - сложный объект для моделирования. В этих условиях необходимо применение системной методики (Гарцман, 1971).

Выбор объекта исследования был обусловлен: 1) недостаточной изученностью пространственной и генетической структуры такого рода контрастных ЛГП; 2) экологической значимостью гидротермических характеристик приземного ландшафтного слоя Земли для биотических и биокосных структур ландшафтной сферы, их функциональной ролью в физико-географических процессах, средо- и ресуреообразующим

Рис. 1. Схема расположения региона исследования.

а - границы изучаемой территории, б - район летне-осенних геотопологических наблюдений в 1974 г. экспедиции ТИГ ДВО РАН (Коломыц, 1977).

значением для человека и его деятельности; 3) широким применением информации о региональных ЛГП в научных и прикладных географических исследованиях.

Примером актуальной области применения ландшафтно-геофизической информации являются региональные ландшафтно-экологические прогнозы в системе глобальных изменений климата (Коло-мыц, 1985; Коломыц, 1993; Экосистемы хвойного..., 1993; Экология ландшафтов..., 1995). Для их проведения необходимо разработать соответствующую систему (атлас) среднемасштабных карт полей (либо математических, математико-картографических их аналогов) по достаточно многочисленному комплексу гидротермических характеристик на различные временные "срезы" и, в частности, для современного сред-немноголетнего периода. Ландшафтно-геофизические параметры в таких прогнозных моделях оценивают, исходя из принципа актуализма, по современным среднемноголетним нормам ландшафтно-геофизических характеристик. Полагают, что определенные по этим нормам геофизические оптимумы, пессимумы, диапазоны толерантности ландшафтов и их компонентов сохранят свое значение на период заблаговременное™ прогноза, и что, в целом, сохранится постоянным 8-оператор модели (по: Перегудов, Тарасенко, 1989), связывающий "входные" (геофизические условия) и "выходные" (типы ландшафтов и т.д.) переменные. Знание такого оператора дает возможность для прогноза ландшафтной структуры региона на основании прогноза геофизических условий.

Исследования гидротермических полей региона отражены в работах И.Н.Гарцмана (1960; 1971), Т.Е.Шлендик (1970), К.П.Березникова (1974; 1978), А.Т.Напрасникова, В.ТДмитриевой (1980); А.Т.Напрасникова, А.В.Кириченко (1984); П .В.Новороцкого (1984; 1997), А .С .Федоровского (1984; 1985), климатических картах зоны БАМ (Байкало-Амурская..., 1978; 1979; 1980), и других работах (Ресурсы поверхностных..., 1970; Мордовин, 1973; Агроклиматические..., 1974; Климатические парамет-

< ЛП i АП Т~> 1 ГчЮ тл __

ры„... 1У/г, сурова, / /; гяочикова, ьерезников, лраснянская,

Черникова, 1978; Краснянская, 1978; Климатические особенности,.., 1979; Голубчиков, 1980; Децик, 1981; Михайлов, 1985; и др.). Эти работы различаются по территории исследования, комплексам отображаемых характеристик (в целом, немногочисленным), форме, масштабу, пространственной разрешенное™, целевому назначению разработанных моделей полей. Преобладают мелкомасштабные, сильно генерализованные модели ЛГП невысокой пространственной разрешенности. Наиболее детальные (масштаб 1:2500000) климатические карты зоны БАМ (1978, 1980) не полностью "покрывают" регион исследования, предназначены для обеспечения инженерно-строительных изысканий, выполнены способом изолиний в "реальной топографии", для которого характерно различное качество отображения полей для гор и равнин. Для математико-карто-графических моделей полей дискретного типа (Напрасников, Дмитриева, 1980; Напрасников, Кириченко, 1984; Федоровский, 1984; 1985) характерно пространственное осреднение полей внутри выделенных районов и дискретизация полей на границах районов. Модели такого типа разрабатывают, в основном, для гидрологических исследований (Львович, 1974). В ландшафтно-экологических исследованиях такие модели имеют ограниченное значение.

Для создания системы карт (моделей) ЛГП исследуемого региона, адекватной задачам ландшафтно-экологических исследований необходимо решить ряд методических проблем в области анализа и отображения ЛГП повышенной степени горизонтальной контрастности, сформировавшихся в условиях среднегорного рельефа и муссон но-конти-нентального климата, - предмета исследования данной работы. Основы исследований в данном направлении заложены И.Н. Гарцманом (1960; 1971) и его последователями (Рябчикова, 1978; Антипов, Корытный, 1981; Росман, 1982; Федоровский, 1984; 1985; и др.) в концепции многофакторности и дислокационности форм географической зональности и ее ведущих факторов гидрометеорологической доступности (ГМД) территории. Но еще не ясными остаются вопросы о степени территориальной устойчи-

вости вертикальных градиентов ЛГП в переходной притихоокеанской зоне, не разработаны методы объективной оценки вертикальных градиентов, не определены оптимальные формы моделей для отображения такого рода ЛГП.

Целью исследования является: 1) совершенствование методической основы адекватного отображения среднемноголетних гидротермических ЛГП повышенной степени горизонтальной контрастности, сформировавшихся в условиях среднегорного рельефа и муссонно-континен-тального климата; 2) создание системы моделей ЛГП для СевероВосточного Приамурья, адекватной задачам ландшафтно-экологических исследований.

Были определены следующие задачи исследования.

1. Уточнить понятия в области прикладного системного анализа, геоэкотонного направления в учении о геосистемах и регионального направления геофизики ландшафта. Оценить значение моделей ЛГП в ланд-шафтно-геофизическом обеспечении географо-экологических исследований.

2. С позиции геоэкотонного подхода дать обзор и анализ ведущих географических факторов формирования ЛГП исследуемого региона.

3. Разработать методические вопросы системного анализа и отображения в моделях ЛГП притихоокеанской зоны на региональном и локальном иерархических уровнях.

4. Разработать для Северо-Восточного Приамурья систему мезо-масштабных моделей ЛГП по комплексу гидротермических характеристик, адекватную задачам ландшафтно-экологических исследований.

Исходными данными для моделирования ЛГП послужили опубликованные в соответствующих справочниках среднемноголетние нормы гидротермических характеристик.

Методологической основой исследования является физико-географическая и общенаучная теория и методология: 1) учение о геосистемах и, в частности, географических экотонах; 2) геофизические разделы физи-

ческой географии (геофизика ландшафта, климатология, гидрология суши и другие); 3) методология прикладного системного анализа и матема-тико-картографического моделирования в географии.

Основу примененной в работе методики прикладного системного анализа составило установление конфигуратора исследования (Перегудов, Тарасенко, 1989) ЛГП притихоокеанского геоэкотона. Этот конфигуратор, состоящий из двух основных проекций исследования ЛГП - хорологической и генетической - определил выбор : 1) системы математических и картографических методов исследования (Жуков, Сербенюк, Тикунов, 1980); 2) методического подхода исследования в форме сочетания пространственного (вертикального и горизонтального) и генетического анализа ЛГП и синтеза данных полей в виде математико-картографических их моделей; 3) ступенчатой схемы математико-кар-тографического моделирования ЛГП на основе метода разложения исходного поля на две его составляющие: а) вертикальную, которая обусловлена высотой места; б) горизонтальную, которая обусловлена комплексом факторов горизонтальной ГМД, - с использованием совокупности формальных и неформальных критериев разложения.

Научная новизна исследования.

1. Для притихоокеанского геоэкотона разработана методика мате-мзтико-картографического моделирования ЛГП на основе комплексной итерационно-оптимизационной методики определения вертикальных градиентов ЛГП и оценки их территориальной устойчивости с использованием комплексного критерия максимальной гладкости истинных вариантов приведения ЛГП к уровню океана.

2. Для Северо-Восточного Приамурья разработана информативная система картографических, математических и математико-картографиче-ских моделей ЛГП мезомасштабного уровня повышенной пространственной разрешенности.

3. Разработан метод топохроноизоаномал для изучения локальных прострзнстЕенно-временньлх контрастов геофизических характеристик.

Практическая значимость исследования связана с возможностью использования разработанной системы моделей ЛГП для обеспечения геофизической информацией ландшафтно-экологических исследований Северо-Восточного Приамурья, а также для целей биогеографии, лесного и сельского хозяйства, инженерно-строительных изысканий и т.д. Методика моделирования ЛГП может быть применена в регионах тихоокеанской окраины России, которые отличаются повышенной горизонтальной контрастностью ЛГП, низко- и среднегорным рельефом.

Апробация работы и публикации. Результаты исследования докладывались на Вторых чтениях имени Г.й.Невельского "Проблемы организации территории районов нового освоения" (Хабаровск, 1990), Всесоюзной научной конференции "Проблемы организации территории регионов нового освоения" (Хабаровск, 1991), научно-методической конференции "Непрерывное экологическое образование и воспитание. Опыт, проблемы, перспективы" (Комсомольск-на-Амуре, 1997), Всероссийской научно-практической конференции "Личность в меняющемся обществе" (Комсомольск-на-Амуре, 1998) и на физико-географическом семинаре Института географии СО РАН (Иркутск, 1998). По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержание работы изложено на 167 страницах машинописного текста, включает 32 рисунка, 13 таблиц, список литературы содержит 209 наименований.

В первой главе рассмотрены ключевые аспекты прикладного системного анализа, основные понятия региональных ландшафтно-геофизических исследований, основы геоэкотонной концепции в учении о геосистемах и роль моделей ЛГП в геоэкологических исследованиях. Во второй главе изложены представления автора о Северо-Восточном Приамурье как макрорегиональном геоэкотоне западно-тихоокеанского типа, а также даны анализ и описание ведущих физико-географических факторов формирования ЛГП данного региона. В третьей главе проанализиро-

ваны пространственная структура сети наблюдений, изученность региональных гидротермических полей, проблемы их системного анализа и отображения в моделях, изложен подход к их решению. В четвертой главе представлены основные методических разработки автора по предмету исследования. В пятой главе дано описание системы моделей ЛГП СевероВосточного Приамурья по комплексу гидротермических характеристик, а также представлена схема ландшафтно-геофизического районирования региона. В заключении обобщены результаты исследования. В приложении помещены таблиц, карты, графики по теме исследования.

На защиту выносятся следующие положения.

1 .Модели математико-картографического типа, включающие в свою структуру изолинейную карту приведенного к уровню океана поля, обеспечивают наибольшую детальность отображения гидротермических полей повышенной горизонтальной контрастности среднегорного региона. Поэтом}' модели именно такой формы необходимо разрабатывать для ландшафтно-геофизического обеспечения экологических исследований в притихоокеанских регионах.

2. Комплексная итерационно-оптимизационная методика математико-картографического моделирования позволяет создать адекватную задачам ландшафтно-экологических исследований систему моделей гидротермических полей притихоокеанского геоэкотона.

3. Метод топохроноизоаномал позволяет выявлять внутрисуточные и межеуточные закономерности в изменчивости пространственно-временных контрастов геофизических характеристик на геотопологическом уровне.

1, ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

"Размытость" многих научных понятий, их полиморфизм (зависимость смысла от контекста) и полисемия (многозначность) - это норма и неустранимый феномен (Налимов, 1974), который необходимо ограничивать, Удаление неоднозначности, неполноты и избыточности понятий -одна из основных проблем постановки научных задач (Лорьер, 1991, с. 20). Цель главы - определение основных для нашей работы понятий.

1.1, Ключевые аспекты прикладного системного анализа

Результатом сопряженного развития физической ге�