ОЦЕНКА КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ С ПРИВЛЕЧЕНИЕМ СПУТНИКОВЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ЛАНДШАФТНЫХ ЗОН ЮГА СИБИРИ
|
Аннотация
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Изменения ландшафтных зон юга Сибири в период глобального
потепления 7
2 Материалы и методы исследования 14
2.1 Исходные данные 14
2.2 Методы исследования 15
2.2.1 Показатели увлажнения 15
2.2.2 Кластерный анализ 17
2.2.3 Вегетационные индексы 18
2.3 Спектрорадиометр MODIS (Moderate Resolution Imaging
Spectroradiometer) 22
2.4 Физико-географическая характеристика исследуемого района 26
3 Анализ изменений тепло-влагообеспеченности и ландшафтных зон
Западной Сибири 33
3.1 Характеристика полей температуры воздуха и осадков 33
3.2 Анализ показателей увлажнённости территории 38
3.3 Классификация территории по гидротермическому коэффициенту
Селянинова 42
3.4 Анализ вегетационных индексов 45
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 54
ПРИЛОЖЕНИЕ А Температура воздуха и атмосферные осадки 60
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Показатели увлажнения 64
ПРИЛОЖЕНИЕ В Вегетационные индексы 67
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Изменения ландшафтных зон юга Сибири в период глобального
потепления 7
2 Материалы и методы исследования 14
2.1 Исходные данные 14
2.2 Методы исследования 15
2.2.1 Показатели увлажнения 15
2.2.2 Кластерный анализ 17
2.2.3 Вегетационные индексы 18
2.3 Спектрорадиометр MODIS (Moderate Resolution Imaging
Spectroradiometer) 22
2.4 Физико-географическая характеристика исследуемого района 26
3 Анализ изменений тепло-влагообеспеченности и ландшафтных зон
Западной Сибири 33
3.1 Характеристика полей температуры воздуха и осадков 33
3.2 Анализ показателей увлажнённости территории 38
3.3 Классификация территории по гидротермическому коэффициенту
Селянинова 42
3.4 Анализ вегетационных индексов 45
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 54
ПРИЛОЖЕНИЕ А Температура воздуха и атмосферные осадки 60
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Показатели увлажнения 64
ПРИЛОЖЕНИЕ В Вегетационные индексы 67
Актуальность. Важной проблемой XXI века является изменение как глобального, так и регионального климата. Одни и те же погодно-климатические состояния способствуют формированию различных климатических эффектов в зависимости от региона, которые различаются для одних и тех же типов ландшафтов по степени выраженности.
В настоящее время в центре внимания находятся наблюдаемые изменения климата и биосферы. Во многих регионах мира происходит трансформация природных экосистем и переформирование ландшафтов [16].
При наблюдении за состоянием и динамикой природных комплексов используют наземные мониторинговые исследования. Такие исследования имеют целый ряд достоинств. Однако, существенным недостатком является их точечный характер и узкие способности прогнозирования изменений, происходящих на региональном и более высоком уровне. Спутниковый мониторинг является более эффективным методом оценки пространственно-временных изменений природных комплексов. Преимуществом данного метода является высокая степень объединения информации во времени и пространстве, возможность анализа не точечной, а пространственной информации и отслеживание множества параметров природной среды [32].
На фоне роста глобальной температуры в различной степени и разных частях степной зоны происходит усиление аридизации степей [21]. Тем не менее в ходе предварительных теоретических исследований обнаружено, что некоторые участки внутриконтинентальных степей характеризуются накоплением биомассы вследствие роста увлажненности на фоне роста температуры [13]. Таким образом, возникает необходимость анализа ландшафтных зон на основе спутниковой информации для более эффективного планирования природопользования.
Объект исследования - ландшафтные зоны территории, ограниченной 50°с.ш. - 57°с.ш. и 60°в.д. - 110°в.д. Территория лежит в пределах трёх федеральных округов Уральского, Сибирского и Дальневосточного, а также частично - на территории Северного и Восточного Казахстана.
Предмет исследования - изменение тепло-влажностных условий, формирующих ландшафтные зоны юга Сибири.
Целью данной выпускной квалификационной работы является выявление тенденции изменения ландшафтов юга Сибири и Северного Казахстана с привлечением спутниковых данных.
Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Рассчитать статистические характеристики и скорость изменения средней температуры воздуха за период май-сентябрь 1971-2022 гг.
2. Рассчитать суммы температур (>5°С, >10°С) и их тенденции изменения
3. Рассчитать суммы атмосферных осадков за май-сентябрь, рассмотреть изменчивость и динамику по годам/месяцам
4. Провести расчет индексов и оценить динамику: коэффициента Г.Т. Селянинова (ГТК), коэффициента увлажнения С.А. Сапожниковой (КУ), индекса сухости М.И. Будыко (ИС),
5. Провести климатическое районирование территории по показателям увлажнения с помощью кластерного анализа
6. Проанализировать вегетационные индексы (ВИ) для исследуемой территории: Нормализованный разностный ВИ (Normalized Difference VI, NDVI), Усовершенствованный вегетационный индекс (Enhanced Vegetation Index, EVI)
7. Картировать полученные результаты по ВИ для пространственной оценки изменений ландшафтных зон.
Научная новизна работы заключается в получении достоверных и актуальных результатов комплексной оценки тепло-влажностного режима ландшафтов и их трансформации на территории юга Сибири с привлечением спутниковых данных.
Практическая значимость: методы и результаты, используемые в работе могут применятся для обучения студентов по курсам «Климатология» и «Спутниковая информация в прикладных целях».
В настоящее время в центре внимания находятся наблюдаемые изменения климата и биосферы. Во многих регионах мира происходит трансформация природных экосистем и переформирование ландшафтов [16].
При наблюдении за состоянием и динамикой природных комплексов используют наземные мониторинговые исследования. Такие исследования имеют целый ряд достоинств. Однако, существенным недостатком является их точечный характер и узкие способности прогнозирования изменений, происходящих на региональном и более высоком уровне. Спутниковый мониторинг является более эффективным методом оценки пространственно-временных изменений природных комплексов. Преимуществом данного метода является высокая степень объединения информации во времени и пространстве, возможность анализа не точечной, а пространственной информации и отслеживание множества параметров природной среды [32].
На фоне роста глобальной температуры в различной степени и разных частях степной зоны происходит усиление аридизации степей [21]. Тем не менее в ходе предварительных теоретических исследований обнаружено, что некоторые участки внутриконтинентальных степей характеризуются накоплением биомассы вследствие роста увлажненности на фоне роста температуры [13]. Таким образом, возникает необходимость анализа ландшафтных зон на основе спутниковой информации для более эффективного планирования природопользования.
Объект исследования - ландшафтные зоны территории, ограниченной 50°с.ш. - 57°с.ш. и 60°в.д. - 110°в.д. Территория лежит в пределах трёх федеральных округов Уральского, Сибирского и Дальневосточного, а также частично - на территории Северного и Восточного Казахстана.
Предмет исследования - изменение тепло-влажностных условий, формирующих ландшафтные зоны юга Сибири.
Целью данной выпускной квалификационной работы является выявление тенденции изменения ландшафтов юга Сибири и Северного Казахстана с привлечением спутниковых данных.
Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Рассчитать статистические характеристики и скорость изменения средней температуры воздуха за период май-сентябрь 1971-2022 гг.
2. Рассчитать суммы температур (>5°С, >10°С) и их тенденции изменения
3. Рассчитать суммы атмосферных осадков за май-сентябрь, рассмотреть изменчивость и динамику по годам/месяцам
4. Провести расчет индексов и оценить динамику: коэффициента Г.Т. Селянинова (ГТК), коэффициента увлажнения С.А. Сапожниковой (КУ), индекса сухости М.И. Будыко (ИС),
5. Провести климатическое районирование территории по показателям увлажнения с помощью кластерного анализа
6. Проанализировать вегетационные индексы (ВИ) для исследуемой территории: Нормализованный разностный ВИ (Normalized Difference VI, NDVI), Усовершенствованный вегетационный индекс (Enhanced Vegetation Index, EVI)
7. Картировать полученные результаты по ВИ для пространственной оценки изменений ландшафтных зон.
Научная новизна работы заключается в получении достоверных и актуальных результатов комплексной оценки тепло-влажностного режима ландшафтов и их трансформации на территории юга Сибири с привлечением спутниковых данных.
Практическая значимость: методы и результаты, используемые в работе могут применятся для обучения студентов по курсам «Климатология» и «Спутниковая информация в прикладных целях».
По итогам исследования изменений температурно-влажностного режима и ландшафтных зон юга Западной Сибири можно сформулировать следующие выводы:
1. Средняя температура воздуха за период май - сентябрь изменяется на исследуемой территории от 11,9 °С до 17,7 °С. Для всей территории отмечается долговременное увеличение температуры воздуха со скоростью 0,2 - 0,5 °С за 10 лет, что намного выше средней скорости повышения температуры в северном полушарии. Рост средних значений температур воздуха происходит в направлении территории Казахстана (к юго-западу исследуемой территории. Скорость изменения температуры воздуха статистически значима при заданном уровне значимости (0,5) для большинства рассматриваемых станций (за исключением ст. Атбасар и ст. Солонешное). В мае и августе отмечаются наибольшие скорости изменения температуры с максимальным значением 0,7 °С/10 лет в августе на станции Бреды.
2. Суммы температур > 5 °С уменьшаются в северо-восточном направлении. Значения изменяются в диапазоне от 1787,6 °С до 2694,1 °С. На 46 рассматриваемых станциях из 48 происходит статистически значимое увеличение сумм температур воздуха > 5 °С. В среднем по территории статистически значимая скорость изменения рассматриваемого показателя составляет 45 - 46 °С/10 лет.
3. Диапазон изменения сумм температур воздуха > 10 °С находится в переделе от 1520,1 °С (станция Цакир) до 2593,1 °С (станция Семей). Средняя скорость изменения составляет 50 - 55 °С за 10 лет. На большинстве рассматриваемых станций скорости изменения сумм температур воздуха > 10 °С являются статистически значимыми на уровне значимости 5%, кроме станции Солонешное.
4. Значения сумм осадков по исследуемой территории распределяются неравномерно. Диапазон изменения составляет от 148,4 мм (ст. Семей) до 609,3 мм (ст. Яйлю). Значения сумм осадков по территории распределяются неравномерно. На 7 рассматриваемых станциях отмечается статистически значимый рост сумм осадков за рассматриваемый период, с максимальным значением 15,8 мм/10 лет на станции Нижнеудинск.
5. На рассматриваемой территории складываются различные
условия тепловлагообеспеченности. Западный, юго-западный район (вся рассматриваемая часть территории Казахстана) относится к засушливой зоне. В умеренно влажную зону входит север центральной части рассматриваемой территории. К влажной зоне относятся такие станции как: Баяндай, Красный Чикой, Нижнеудинск, Солонешное и Тулун. К переувлажненной зоне относится северо-восточный район и юг центральной части (ст. Яйлю, ст. Кызыл). Выявленные тенденции изменения индекса ГТК имеют небольшие значения, как положительные, так и отрицательные и являются статистически незначимыми на всех рассматриваемых станциях. При сравнении значений индекса ГТК за два десятилетия (1971 - 1980 гг. и 2012 - 2021 гг.) наблюдается тенденция продвижения засушливой зоны,
соответствующей степным ландшафтам, на расстояние до 200 км с районов Северного Казахстана на территорию юга Западной Сибири. В данном районе происходит замещение лесостепной зоны степью, что согласуется с выводами, приведёнными в Третьем оценочном докладе [37]. Также сокращение территории умеренно влажной зоны (увеличение зоны лесостепных ландшафтов) на расстояние около 20 км в районе Республик Хакасия и Тыва.
6. Коэффициент увлажнения С.А. Сапожниковой находится в диапазоне от 0,4 (ст. Кызыл, ст. Семей) до 2,0 (ст. Яйлю). Территория Казахстана со значениями в пределах 0,4 - 0,6 находится в условиях степи. Центральный и север-восточный районы исследуемой территории находится в условиях избыточной влажности. Скорость изменения КУ статистически незначима на всех рассматриваемых станциях. Сравнение значений КУ за два десятилетия (1971 - 1980 гг. и 2012 - 2021 гг.) показало, что происходит расширение зоны увлажнения, которая соответствует таёжным ландшафтам с районов юга Западной Сибири на север исследуемой территории, что в целом согласуется с выводами обозначенными в [37]. С районов Казахстана в северо-восточном направлении отмечается продвижение засушливой зоны (увеличение площади степных ландшафтов) на расстояние примерно 100-110 км.
7. Значения индекса сухости М.И. Будыко на исследуемой территории находятся в диапазоне от 0,4 на станции Яйлю до 2,0 на станции Кызыл. Величина скорости изменения индекса сухости на 13 из 48 рассматриваемых станциях отрицательна. Выявленные тенденции изменения индекса сухости статистически незначимы на всех рассматриваемых станциях. При сравнении двух десятилетий 1971 - 1980 гг. и 2012 - 2021 гг. отмечается уменьшение засушливой зоны (сокращение территории степных ландшафтов) в районе Республики Тыва на расстояние примерно 20 км.
Сравнение полученных результатов по тепло-влажностному режиму рассматриваемой территории с раннее опубликованными исследованиями, отмечающими увеличение увлажнения на территории Алтайского края и Республики Тыва и рост засушливости на юго-западе рассматриваемой территории, показало их согласованность.
8. При проведении классификации по средним значениям ГТК с помощью иерархического анализа было выяснено, что предпочтительней использовать деление на три класса. Было выявлено практически полное совпадение классификации кластерного анализа с классификацией значений ГТК. К первому классу были отнесены станции с условиями переувлажнённой зоны и влажной зоны; ко второму классу станции с условиями - засушливой зоны; к третьему классу - большинство станций с условиями умеренно влажной зоны, а также станции с условиями засушливой зоны. Полученная классификация выделила районы по схожему временному ходу ГТК. Пространственное распределение классов по большей части соответствует распределению индекса ГТК по исследуемой территории.
9. По картам пространственного распределения значений NDVI было выявлено уменьшение биомассы в зонах современных лесостепных ландшафтов в юго-западной части исследуемой территории (северо-восток Казахстана). На территории Республики Тыва за рассматриваемый период наблюдается увеличение биомассы с тенденцией замещения степных ландшафтов лесостепными на фоне значительной межгодовой изменчивости. Заметный прирост биомассы фиксируется с 2000 по 2020 гг. с небольшим понижением после 2021 г. Полученные выводы об изменении биомассы по вегетационным индексам в целом согласуются с наблюдаемыми тенденциями температурных характеристик и с режимом увлажнения.
1. Средняя температура воздуха за период май - сентябрь изменяется на исследуемой территории от 11,9 °С до 17,7 °С. Для всей территории отмечается долговременное увеличение температуры воздуха со скоростью 0,2 - 0,5 °С за 10 лет, что намного выше средней скорости повышения температуры в северном полушарии. Рост средних значений температур воздуха происходит в направлении территории Казахстана (к юго-западу исследуемой территории. Скорость изменения температуры воздуха статистически значима при заданном уровне значимости (0,5) для большинства рассматриваемых станций (за исключением ст. Атбасар и ст. Солонешное). В мае и августе отмечаются наибольшие скорости изменения температуры с максимальным значением 0,7 °С/10 лет в августе на станции Бреды.
2. Суммы температур > 5 °С уменьшаются в северо-восточном направлении. Значения изменяются в диапазоне от 1787,6 °С до 2694,1 °С. На 46 рассматриваемых станциях из 48 происходит статистически значимое увеличение сумм температур воздуха > 5 °С. В среднем по территории статистически значимая скорость изменения рассматриваемого показателя составляет 45 - 46 °С/10 лет.
3. Диапазон изменения сумм температур воздуха > 10 °С находится в переделе от 1520,1 °С (станция Цакир) до 2593,1 °С (станция Семей). Средняя скорость изменения составляет 50 - 55 °С за 10 лет. На большинстве рассматриваемых станций скорости изменения сумм температур воздуха > 10 °С являются статистически значимыми на уровне значимости 5%, кроме станции Солонешное.
4. Значения сумм осадков по исследуемой территории распределяются неравномерно. Диапазон изменения составляет от 148,4 мм (ст. Семей) до 609,3 мм (ст. Яйлю). Значения сумм осадков по территории распределяются неравномерно. На 7 рассматриваемых станциях отмечается статистически значимый рост сумм осадков за рассматриваемый период, с максимальным значением 15,8 мм/10 лет на станции Нижнеудинск.
5. На рассматриваемой территории складываются различные
условия тепловлагообеспеченности. Западный, юго-западный район (вся рассматриваемая часть территории Казахстана) относится к засушливой зоне. В умеренно влажную зону входит север центральной части рассматриваемой территории. К влажной зоне относятся такие станции как: Баяндай, Красный Чикой, Нижнеудинск, Солонешное и Тулун. К переувлажненной зоне относится северо-восточный район и юг центральной части (ст. Яйлю, ст. Кызыл). Выявленные тенденции изменения индекса ГТК имеют небольшие значения, как положительные, так и отрицательные и являются статистически незначимыми на всех рассматриваемых станциях. При сравнении значений индекса ГТК за два десятилетия (1971 - 1980 гг. и 2012 - 2021 гг.) наблюдается тенденция продвижения засушливой зоны,
соответствующей степным ландшафтам, на расстояние до 200 км с районов Северного Казахстана на территорию юга Западной Сибири. В данном районе происходит замещение лесостепной зоны степью, что согласуется с выводами, приведёнными в Третьем оценочном докладе [37]. Также сокращение территории умеренно влажной зоны (увеличение зоны лесостепных ландшафтов) на расстояние около 20 км в районе Республик Хакасия и Тыва.
6. Коэффициент увлажнения С.А. Сапожниковой находится в диапазоне от 0,4 (ст. Кызыл, ст. Семей) до 2,0 (ст. Яйлю). Территория Казахстана со значениями в пределах 0,4 - 0,6 находится в условиях степи. Центральный и север-восточный районы исследуемой территории находится в условиях избыточной влажности. Скорость изменения КУ статистически незначима на всех рассматриваемых станциях. Сравнение значений КУ за два десятилетия (1971 - 1980 гг. и 2012 - 2021 гг.) показало, что происходит расширение зоны увлажнения, которая соответствует таёжным ландшафтам с районов юга Западной Сибири на север исследуемой территории, что в целом согласуется с выводами обозначенными в [37]. С районов Казахстана в северо-восточном направлении отмечается продвижение засушливой зоны (увеличение площади степных ландшафтов) на расстояние примерно 100-110 км.
7. Значения индекса сухости М.И. Будыко на исследуемой территории находятся в диапазоне от 0,4 на станции Яйлю до 2,0 на станции Кызыл. Величина скорости изменения индекса сухости на 13 из 48 рассматриваемых станциях отрицательна. Выявленные тенденции изменения индекса сухости статистически незначимы на всех рассматриваемых станциях. При сравнении двух десятилетий 1971 - 1980 гг. и 2012 - 2021 гг. отмечается уменьшение засушливой зоны (сокращение территории степных ландшафтов) в районе Республики Тыва на расстояние примерно 20 км.
Сравнение полученных результатов по тепло-влажностному режиму рассматриваемой территории с раннее опубликованными исследованиями, отмечающими увеличение увлажнения на территории Алтайского края и Республики Тыва и рост засушливости на юго-западе рассматриваемой территории, показало их согласованность.
8. При проведении классификации по средним значениям ГТК с помощью иерархического анализа было выяснено, что предпочтительней использовать деление на три класса. Было выявлено практически полное совпадение классификации кластерного анализа с классификацией значений ГТК. К первому классу были отнесены станции с условиями переувлажнённой зоны и влажной зоны; ко второму классу станции с условиями - засушливой зоны; к третьему классу - большинство станций с условиями умеренно влажной зоны, а также станции с условиями засушливой зоны. Полученная классификация выделила районы по схожему временному ходу ГТК. Пространственное распределение классов по большей части соответствует распределению индекса ГТК по исследуемой территории.
9. По картам пространственного распределения значений NDVI было выявлено уменьшение биомассы в зонах современных лесостепных ландшафтов в юго-западной части исследуемой территории (северо-восток Казахстана). На территории Республики Тыва за рассматриваемый период наблюдается увеличение биомассы с тенденцией замещения степных ландшафтов лесостепными на фоне значительной межгодовой изменчивости. Заметный прирост биомассы фиксируется с 2000 по 2020 гг. с небольшим понижением после 2021 г. Полученные выводы об изменении биомассы по вегетационным индексам в целом согласуются с наблюдаемыми тенденциями температурных характеристик и с режимом увлажнения.