Влияние климатических изменений на динамику фенологических процессов в Нижегородском Правобережье

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние климатических изменений на динамику фенологических процессов в Нижегородском Правобережье

М.С. Любов¹, О.И. Недосеко²

Аннотация

климат фенологический арзамасский регион нижегородский

Актуальность и цель.

В связи с потеплением климата на региональном и глобальном уровнях одним из актуальных направлений в современной науке является выявление изменений климатических условий на основе изучения фенологических процессов. Цель работы- выявление особенностей фенологических процессов в условиях изменения климата на примере Арзамасского региона Нижегородского Правобережья.

Материалы и методы.

Для анализа были выбраны ключевые фенологические процессы и фенообъекты живой и неживой природы по сезонам. В весенний период фиксировались: первые проталины, начало весны, сход снежного покрова, появление листьев на на березе повислой (BetulapendulaRoth.), начало цветения черемухи обыкновенной (PrunuspadusL.), начало цветения сирени обыкновенной (SyringavulgarisL.), последний заморозок на почве. В летний период фиксировалась дата начала лета и отмечалось начало цветения шиповника волосистого (RosavillosaL.) и липы сердцевидной (TiliacordataMill.). В осенний сезон фиксировалась дата наступления осени, а также первый заморозок, первый снег, перый снежный покров, окончание массового листопада и начало зимы.

Результаты

Тенденцию потепления климата в Нижегородском Правобережье подтверждают многолетние метеорологические (средние месячные температуры воздуха и суммы осадков) и фенологические наблюдения по сезонам. Анализ статистических данных метеорологических наблюдений подтверждает, что по сравнению с прошлым веком: существенно потеплели практически все месяцы холодного периода; обновились положительные температурные рекорды многих месяцев; сроки последнего заморозка сместились с конца на начало второй декады мая; в результате более теплых зим и затяжных оттепелей мощность снежного покрова сократилась в среднем на 10-15 см, наибольшее количество осадков выпадает не на июль, а на июнь или август; циркуляционные процессы в атмосфере стали более активными; произошло удлинение продолжительности теплого времени года и, как следствие этого процесса, - увеличение периода вегетации растений более чем на одну неделю.

Выводы

В Нижегородском Правобережье по сравнению с XX в. наблюдается сдвиг фенологических процессов: весной в сторону более раннего их наступления, а осенью в сторону запаздывания. Это обусловлено меняющимися климатическими условиями. По сравнению с XX в. весна стала приходить в среднем на неделю раньше, с заметным опозданием отмечается начало зимы, а зимний сезон сократился примерно на две недели.

Ключевые слова: потепление климата, Нижегородское Правобережье, Арзамасский регион, фенологические процессы

Abstract

Background.In connection with climate warming at the regional and global levels, one of the topical areas in modern science is the identification of changes in climatic conditions based on the study of phenological processes. The purpose of the work is to identify the features of phenological processes under the conditions of climate change by the example of Arzamas region of the Nizhny Novgorod right riverbank. Materials and methods.Key phenological processes and phenological objects of animate and inanimate nature were selected for analysis by seasons. In the spring period, the following were recorded: the first thaws, the beginning of spring, the melting of the snow cover, the appearance of leaves on the birch (Betula pendulaRoth.), the beginning of bird cherry (Prunus padusL.) blossoms, the beginning of lilac (Syringa vulgarisL.) blossoms, the last frost on the soil. During the summer period, the date of the beginning of summer was fixed and the beginning of flowering of wild rose (Rosa villosaL.) and linden (Tilia cordataMill.) was noted. In the autumn season, the date of the onset of autumn was recorded, as well as the first frost, the first snow, the first snow cover, the end of mass leaf fall and the beginning of winter. Results.The trend of climate warming in the Nizhny Novgorod right riverank is confirmed by long-term meteorological (average monthly air temperatures and total precipitation) and phenological observations by season. Analysis of the statistical data of meteorological observations confirms that, compared with the last century: almost all months of the cold period have become significantly warmer; positive temperature records have been updated for many months; the timing of the last frost shifted from the end to the beginning of the second decade of May; as a result of warmer winters and prolonged thaws, the thickness of the snow cover has decreased by an average of 10-15 cm; the largest amount of precipitation falls not in July, but in June or August; circulation processes in the atmosphere have become more active; there was a lengthening of the duration of the warm season and, as a result of this process, an increase in the vegetation period of plants by more than one week. Conclusions.In the Nizhny Novgorod right riverbank compared to the 20^th century there is a shift in phenological processes: in spring towards their earlier onset, and in autumn towards delay. This is due to changing climatic conditions. Compared to the 20^th century spring began to arrive on average a week earlier, the beginning of winter is marked with a noticeable delay, and the winter season has shortened by about two weeks.

Keywords: climate warming, Nizhny Novgorod right riverbank, Arzamas region, phenological processes

Введение

Территория Нижегородского Правобережья занимает южную половину Нижегородской области и ограничена реками: Волгой - на севере, Окой - на западе, Сурой - на востоке. Регион расположен в пределах 56°30' с.ш. и 54°30' с.ш. Правобережье Нижегородской области находится в средних умеренных широтах. Суммарная среднегодовая солнечная радиация на территории региона составляет около 90 ккал/см². Продолжительность солнечного сияния составляет примерно 40 %. Максимальное количество пасмурных дней в период с ноября по январь - в среднем до 20 суток за месяц. Наиболее солнечные дни наблюдаются в Нижегородском регионе с мая по июль [16-18].

На формирование климата Нижегородского Правобережья оказывают влияние и арктические воздушные массы, которые вызывают сухую и очень холодную погоду зимой, заморозки весной и осенью и прохладную погоду летом. Арктические воздушные массы проникают с севера Скандинавии и с акватории Карского моря (ультраполярные вхождения антициклонов), в случае последних - зимой наблюдаются сильные морозы. В XXI в. ультраполярные вхождения зимой стали крайне редкими. Летом, при установлении анти- циклональной погоды (малооблачной), арктические воздушные массы вследствие большой сухости воздуха могут вызывать в Нижегородском Правобережье продолжительные засухи с быстрым прогревом воздуха. На погодноклиматических условиях теплого сезона в определенной мере сказывается влияние тропических континентальных воздушных масс, поступающих с юго-востока из районов Центральной Азии. Вторжение тропического воздуха вызывает летом сильную жару и засуху, а осенью приводит к возврату летнего режима погоды (такие возвраты тепла осенью становятся одной из причин установления «бабьего лета» в Нижегородском регионе) [18].

В определенной степени климатообразующим фактором Окско- Волжско-Сурского междуречья выступает рельеф. Отсутствие гор на севере, западе и юге Восточно-Европейской равнины способствует свободному воздухообмену как в субширотном, так и в субмеридианальном направлениях. Расположенные на востоке от нашего региона Уральские горы вследствие их незначительной высоты не представляют собой серьезных препятствий для проникновения воздушных масс из Сибири. Слабая вертикальная расчлененность рельефа в пределах Нижегородского Правобережья заметных климатических различий не создает, но низины, лежащие в «дождевой тени», как и долины рек, получают на несколько миллиметров влаги меньше, чем наветренные склоны положительных форм рельефа [19].

Безусловно, на степень континентальности климата влияет удаленность от Атлантического океана. Влажный морской воздух, проходя над подстилающей поверхностью Зарубежной Европы и Восточно-Европейской равнины, трансформируется, т.е. изменяется, теряя при этом часть влаги и, соответственно, прогреваясь летом и остывая зимой. Террритория Нижегородского Правобережья располагается как раз на пути движения воздушных масс, где происходит трасформация воздуха. Морские воздушные массы теряют свои первоначальные свойства и на территории нашего региона их влияние несколько ослабевает. Трансформация этих воздушных масс еще не доходит до такой стадии, чтобы нельзя было говорить об участии атлантического воздуха в формировании местного климата.

Вследствие даже небольшого потепления океана воздушные массы теперь оказываются более прогретыми и, поступая в наш регион, не успевают достаточно охладиться. Это в свою очередь приводит к частым оттепелям зимой и выпадению осадков в жидкой фазе. Влияние Атлантики придает климату Нижегородского Правобережья черты умеренной континентальности, что проявляется в теплом, но не жарком лете и слабо морозной зиме. Однако Нижегородская область - это значительно удаленный от океана регион, и степень континентальности климата здесь достаточно выражена в сравнении, например, с Западной Европой.

Материалы и методы

Для анализа были выбраны ключевые фенологические процессы и фе- нообъекты живой и неживой природы по сезонам. В весенний период фиксировались: первые проталины, начало весны, сход снежного покрова, появление листьев на березе, начало цветения черемухи, начало цветения сирени, последний заморозок на почве. Первые проталины регистрировались на открытых местах - пойменных лугах реки Теши. За начало весны принимался устойчивый переход средней суточной температуры воздуха в городе через 0 °С в сторону повышения. Наблюдения за сходом снежного покрова проводились в окрестных лесных массивах Арзамаса. Наблюдения за появлением листьев на березе, цветением черемухи и сирени (обыкновенной) осуществлялись в городе. Последний заморозок на почве также фиксировался в пределах городской черты. В летний период фиксировалась дата начала лета (устойчивого перехода средней суточной температуры воздуха в городе через отметку +15 °С в сторону повышения) и велось наблюдение за двумя фенообъектами: шиповником и липой (отмечалось начало цветения). В осенний сезон фиксировалась дата наступления осени (устойчивый переход средней суточной температуры воздуха, в городе, через отметку +15 °С в сторону понижения), а также первый заморозок, первый снег, перый снежный покров, окончание массового листопада и начало зимы (образование постоянного снежного покрова при устойчивом переходе средней суточной температуры воздуха в через 0 °С к отрицательным значениям).

Результаты исследования

Тенденцию потепления климата в Нижегородском Правобережье подтверждают многолетние наблюдения, полученные для города Арзамаса, являющегося фактически географическим центром Нижегородского Правобережья (табл. 1, рис. 1).

Рис. 1. Средняя месячная температура (°С) и количество осадков (мм) для г. Арзамаса в период с XX в. по 2020 г.

В табл. 2 представлены средние месячные температуры воздуха и количество осадков за каждый месяц первых двадцати лет XXI в., на рис. 2 - график многолетнего хода среднегодовой температуры воздуха (°С) для г. Арзамаса.

Резюмируя вышеизложенное отметим, что климат Нижегородского Правобережья имеет все основные черты умеренной континентальности. При этом происходящие изменения климата в целом не повлияли на природные комплексы региона. Тем не менее полученные данные метеорологических наблюдений за последние 40 лет убедительно говорят о происходящем потеплении климата в Нижегородском Правоборежье:

1. Существенно потеплели практически все месяцы холодного периода, с ноября по март. По сранению с XX в. средние месячные температуры воздуха традиционно зимних месяцев в регионе выросли на 3-4 °С. Ноябрь приобрел черты типично осеннего месяца, когда довольно часто на фоне положительных температур отсутствует снежный покров. Месяц март все чаще по температурному режиму становится весенним месяцем (со среднемесячной температурой воздуха около 0 °С или чуть выше). При этом, соответственно, заметно сократилась продолжительность зимнего сезона.Средняя месячная температура и количеств осадков по месяцам для г. Арзамаса

Таблица 1

Таблица 2Средняя месячная температура воздуха и количество осадков по месяцам для г. Арзамаса (2001--2020 гг.)

Рис. 2. График многолетнего хода среднегодовой температуры воздуха (°С) с 2001 по 2020 г. для г. Арзамаса

2. Обновились положительные температурные рекорды многих месяцев. Теперь абсолютный максимум температуры воздуха для города Арзамаса составляет +40°С (обновление произошло в июле 2010 г.), абсолютный максимум зимних месяцев превышает +5 °С.

3. Изменились сроки последнего заморозка, средняя дата его, теперь сместилась с конца на начало второй декады мая.

4. Наблюдается уменьшение размаха - разницы между среднемесячными температурами воздуха января и июля (вследствии существенного потепления января). Так, если в XX в. годовая амплитуда средних температур составляла 31 °С, то теперь это значение снизилось до 27 °С (см. табл. 2).

5. Вместе с повышением среднемесячных температур воздуха возросло количество осадков в холодные месяцы года (в среднем на 5-10 мм, при этом увеличилась доля осадков в жидкой фазе), что в свою очередь является прямым свидетельством участившейся повторяемости вторжения морского воздуха на территорию региона (см. табл. 2).

6. В результате более теплых зим и затяжных оттепелей мощность снежного покрова сократилась в среднем на 10-15 см, по сравнению с прошлым веком.

7. Изменилась картина выпадения максимальных и в меньшей степени наименьших сумм количества осадков за месяц. В прошлом веке наибольшее количество осадков выпадало в июле, теперь их максимум приходится на июнь или август. Март «разделил» название самого сухого месяца года с февралем.

8. Немного сместился в сторону повышения и коэффициент Высоцкого - Иванова (показатель численного соотношения годовых сумм осадков и испаряемости за год).

9. Циркуляционные процессы в атмосфере стали более активными. Наблюдается более частая смена одних циклонов другими - разных по происхождению. Увеличилась доля средиземноморских циклонов. Резкие скачки атмосферного давления, особенно в холодный период, стали достигать 10-15 единиц за сутки. В теплый сезон возросла вероятность блокирующих антициклонов.

10. Произошло удлинение продолжительности теплого времени года и как следствие этого процесса - увеличение периода вегетации растений более чем на одну неделю.

О потеплении климата говорят не только статистические метеоданные, но и динамика фенологических процессов и динамика растительного покрова в Нижегородском регионе за последние полвека. Анализ процессов изменения общей картины зональности на территории региона позволили нижегородским ученым выявить феномен трансэкстразональности [20]. Другими словами, в условиях меняющегося климата (его потепления) на территориях с интенсивными антропогенными нарушениями происходит продвижение южных, в нашем случае степных, видов, в более северные природные подзоны. При этом наблюдается одновременный процесс сокращения ареалов бореаль- ной растительности, внедрение в лесные сообщества представителей степного ценоэлемента.

Изменения климата в регионе коснулись и динамики фенологических процессов. Как известно, из всех факторов среды наибольшее влияние на фенологические процессы оказывает климат. Источником энергии для развития растений является солнечная радиация, которая является определяющей в температурном режиме региона и зависит от географической широты. Для растений основным источником тепла является температура окружающей среды, а ход изофен в значительной мере обусловлен температурными условиями. Любые изменения солнечной радиации и температуры воздуха влекут за собой изменения в развитии растений. При этом следует иметь в виду, что солнечная радиация - это не только тепло, но и солнечный свет, поступление которого зависит также от состояния облачности и продолжительности дня.

Заметное влияние на фенологические процессы оказывает и смена воздушных масс. Развитие растений весной ускоряется под влиянием вторжения теплых воздушных масс. Так, увеличение повторяемости вторжения южных циклонов весной приводит к более раннему снеготаянию в регионе и прогреву деятельной поверхности. Это в свою очередь ведет к ускорению оттаивания и прогреву почвы. Все фенологические фазы в почве или близ ее поверхности находятся под непосредственным влиянием температуры почвы. Преждевременный прогрев почвы ускоряет в особенности цветение низких растений, незначительно поднимающихся над поверхностью почвы (большинство первоцветов). Более раннему весеннему развитию растений способствует и тот факт, что в последние десятилетия снег в Нижегородском Правобережье ложится на незамерзшую почву. В этом случае определенное количества тепла в почве сохраняется и растения при благоприятных условиях весной начинают раньше вегетировать. Влияет на фенологические процессы и количество выпадающих осадков. Обилие осадков может вызывать запоздание созревания семян и плодов растений. В дождливую погоду естественно температура понижается и замедляется процесс созревания. Кроме того, обилие осадков само по себе при равных температурных условиях несколько задерживает созревание. Особенно заметно на условия увлажнения реагирует процесс пожелтения листьев и листопад. Продолжительность листопада также зависит от интенсивности ветра.

При выявлении динамики фенологических процессов и явлений нами был проанализирован период с 2001 по 2020 г., когда заметно стало проявляться потепление климата в Нижегородском Правобережье, в частности на территории Арзамасского региона.

Появление первых проталин весной, как правило, становится возможным уже с началом положительных дневных температур воздуха при свободной солнечной инсоляции, даже при сохранении еще отрицательного среднесуточного фона температур. Анализ весенних наблюдений показывает, что данный фенологический процесс стал происходить в среднем на неделю раньше по сравнению с XX в. (табл. 3). Начало весны также сместилось к более ранним срокам. Теперь почти на целую декаду раньше весна приходит в Нижегородское Правобережье (середина II декады марта). Более раннее начало весенних процессов обусловливает заметно более ранний срок схода снежного покрова в регионе. В новом столетии средняя дата схода снежного покрова приходится на 6 апреля. На 2-3 дня раньше по сравнению с прошлым веком раскрываются листья березы, зацветают черемуха, а за ней и сирень (табл. 3).

Результаты наблюдения показывают, что сроки наступления лета по сравнению с XX в. почти не изменились и совпадают практически с календарем (2 июня). Фактически мало изменилась средняя дата начала цветения шиповника, а вот липа зацветает почти на неделю раньше многолетних сроков. Теперь ее цветение приходится на конец июня, тогда как еще тридцать лет назад это происходило в первой декаде июля. Изменение сроков цветения липы, вероятно, обусловлено более высокими температурами воздуха и почвы в первой половине теплого июня (табл. 4, рис. 3).

Анализ наблюдений показывает, что сроки наступления осени мало изменились по сравнению с прошлым веком. В наступившем столетии осень приходит в среднем на три дня позднее. Практически не изменилась дата первого заморозка - 22 сентября. Гораздо заметнее, с запаздыванием на декаду отмечается первый снег и образуется первый снежный покров. Причем в редких случаях (раз в 10-12 лет) выпадение первого снега и образование при этом снежного покрова совпадают. Окончание массового листопада у большинства местных видов деревьев, включая поздноопадающие дуб и березу, происходит, как и прошлом веке, в середине третьей декады октября.

Малоизменившиеся средние сроки наступления осени, первого заморозка, окончания листопада, продолжительности осени (рис. 4) вероятно следует объяснить относительной стабильностью осенних погодно-климатических процессов, практически неизменившихся в последние десятилетия (см. средние месячные температуры воздуха сентября и октября, табл. 2). Что касается других фенологических процессов межсезонья, то средняя дата начала зимы сместилась с 25 ноября в XX в. на 2 декабря в новом столетии (табл. 5).

Причиной столь существенного смещения сроков первого снега и наступления зимы считаем активизацию западных атлантических и южных средиземноморских циклонов в холодный период.Весенние фенологические явления и даты их наступления для г. Арзамаса

Таблица 3

Таблица 4. Летние фенологические явления и даты их наступления

Рис. 3. Летние фенологические явления и даты их наступления в период с 2001 по 2020 г.

Учитывая тот факт, что поверхность океана стала несколько теплее, морские воздушные массы, доходя до территории Нижегородского Правобережья, не успевают трансформироваться, в данном случае остыть. Осенние фенологические явления и даты их наступления для г. Арзамаса

Таблица 5

Рис. 4. График продолжительности осени (в днях) в г. Арзамасе за 2001-2020 гг.

Температура таких воздушных масс зимой остается положительной и осадки, естественно, выпадают в жидкой фазе. По той же причине в холодный сезон увеличилась повторяемость ледяных дождей, дождей и мороси.

Заключение

Таким образом, очевидным становится факт смещения сроков наступления фенологических процессов в регионе. В целом сократился примерно на две недели зимний сезон. Весенние процессы в XXI столетии начинаются с опережением средних многолетних сроков по сравнению с прошлым веком в среднем на 3-5 суток: начало активного снеготаяния, сход снежного покрова, начало цветения большинства растений, ускорились и летние фенологические процессы.

Раньше обычного (на 3-6 суток) происходит созревание ягодных, овощных и плодовых культур. Особенно существенной оказалась динамика осенне-зимних фенологических процессов. С заметным опозданием отмечается первый снег, первый снежный покров, образование устойчивого снежного покрова (начало зимы) и т.п.

Такой сдвиг фенологических процессов, весной в сторону более раннего их наступления, а осенью в сторону запаздывания, обусловлено меняющимися климатическими условиями. Глобальное потепление как бы «переносит» нас на 200-300 км южнее, при этом делая наши зимы по-европейски мягкими.

Проведенный нами анализ погодно-климатических условий Арзамасского региона на рубеже XX-XXIвв., позволяет предположить, что тенденция потепления местного климата в ближайшие годы скорее всего сохранится, что, безусловно, не может не отражаться на сезонной ритмике живых организмов и в целом на динамике фенологических процессов в регионе.

Анализ весенних наблюдений показывает, что данный фенологический процесс стал происходить в среднем на неделю раньше по сравнению с XX в. (см. табл. 3).

Сроки наступления лета по сравнению с XX в. почти не изменились и совпадают практически с календарем (2 июня). Сроки наступления осени и наступления первых заморозков мало изменились по сравнению с прошлым веком.

Список литературы

климат фенологический арзамасский регион нижегородский

1. Переведенцев Ю. П., Верещагин М. А., Наумов Э. П. [и др.]. Современные изменения климата Северного полушария Земли // Ученые записки Казанского государственного университета. Сер.: Естественные науки. 2005. Т. 147, № 1. С. 90-106.

2. Byshev V. I., Neiman V. G., Romanov Yu. On the essential differences between the large-scale variations of the surface temperature over the oceans and continents // Oceanology. 2006. Vol. 46. P. 147-158.

3. Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / R. K. Pachauri and L. A. Meyer (eds.). IPCC. Gene...