Статья: Анализ системы осадки – почва – дренаж в условиях изменения климата на Северо-Западе России

Сравнение параметров эмпирических распределений отклонений количества сезонных осадков за период 1945-1980 и 1981-2016 гг. свидетельствует об учащении резких положительных аномалий осадков в летние и осенние сезоны. В качестве примера в таблице 3 представлены показатели экстремальности количества летних осадков (июнь - август).

Таблица 3 - Сравнение экстремумов летних высоких осадков за период 1945-1980 и 1981-2016 гг. В мм

Отметим, что абсолютные максимумы осенних осадков в Пскове превышают норму почти на 90 %, а в Вологде - почти на 70 %.

В распределениях отклонений количества весенних осадков имеет место увеличение среднеквадратического отклонения уp за период 1981-2016 гг. в западном секторе Северо-Западного региона России. При этом в большинстве случаев отмечается положительная асимметрия и умеренный эксцесс. Для распределений отклонений количества летних осадков от трендов выявляется значительное увеличение среднеквадратического отклонения за период 1981-2016 гг. по сравнению с 1945-1981 гг. (таблица 4).

Таблица 4 - Параметры распределений отклонений сумм летних осадков от уровней трендов на интервалах 1945-1980 и 1981-2016 гг.

Резюмируя анализ вышерассмотренных распределений, можно заключить, что возрастание величины среднеквадратического отклонения за период 1981-2016 гг. чаще всего достигается за счет вклада увеличивающейся частоты резких положительных аномалий осадков.

Сравнение параметров эмпирических распределений отклонений количества сезонных осадков на интервалах 1945-1980 и 1981-2016 гг. свидетельствует об учащении резких положительных аномалий осадков в летний сезон. Анализ статистических характеристик трендов аномалий количества сезонных осадков показал, что величины среднеквадратических значений подтверждают увеличение в последние годы отклонений от климатических норм.

По ГМС Псков в весенний сезон разность конечного и начального трендовых значений количества осадков составила 32 мм при коэффициенте линейного тренда 0,412, летом 33 мм и 0,475, осенью 22 мм и 0,359 соответственно.

Анализ показал, что тренды статистически незначимы и не могут служить базой для экстраполяционных прогнозных оценок, используемых для проектирования новых и реконструкций существующих мелиоративных осушительных систем в изменяющихся климатических условиях региона. Однако они отражают последовательные флуктуации изменений количества осадков. Таким образом, проявляется необходимость знания статистических характеристик прогнозируемых осадков для вероятностной оценки возможного снижения эффективности водоотвода дренажными системами по причине прогнозируемого превышения климатической нормы, закладываемой в расчеты при проектировании реконструкции мелиоративных систем региона.

Привлечение для этой цели данных модельных прогнозов осадков, публикуемых МГЭИК (IPCC), малопродуктивно по двум причинам. Во-первых, они выдаются потребителям в детерминированном виде и не сопровождаются статистическими характеристиками распределений плотности вероятности осадков, их оправдываемость неизвестна. Во-вторых, расхождения данных реанализа и данных ГМС достигают 100-150 мм. К тому же не поддается оценке интенсивность экстремальных осадков. Вычисления статистической значимости такого межмодельного прогноза дают только лишь суждение о степени уверенности в выводах [2].

В связи с этим авторами предложена модификация ансамблевого метода обработки данных расчетов по рекомендуемым МГЭИК глобальным климатическим моделям GCMs (Global Climate Models) путем приведения таких прогнозов к вероятностному виду методами математики нечетких множеств [8, 13]. В этом случае прогнозы, рассчитанные по каждой из множества моделей, должны рассматриваться как данные соответствующего числа независимых друг от друга «экспертов». При таком подходе возникают неклассические вероятности двух типов: валентные и аксиологические. Валентная вероятность выражает ожидаемость с учетом наличия фактических свидетельств об объекте исследования, и если выборка прогнозов репрезентативна в смысле однородности событий, то вероятность является статистической.

Аксиологическая вероятность выражает ожидаемость реализации с учетом контекста субъективных оценок прогнозируемых величин, вычисленных по каждой из моделей GCMs в условиях объективной неопределенности. В этом случае понятие случайности замещается понятием ожидаемости. Исходной точкой в нечеткой логике является существование у каждого эксперта своего решения рассматриваемой задачи. Методически предложенное решение задачи реализуется набором процедур нахождения характеристической функции принадлежности выборки как ансамблевой совокупности модельных прогнозов.

В ходе выполнения исследования проведено построение плотностей распределений прогнозируемых сумм суточных осадков во временном периоде 2011-2030 гг. для трех месяцев вегетационного периода (май, июнь, июль) на Северо-Западе России. К анализу были привлечены данные, вычисленные по 10 транзитивным моделям и четырем эмиссионным сценариям.

Анализ полученных распределений показал возможность аппроксимации функций принадлежности законами одно- и мультимодальных непрерывных плотностей распределений. Изменения уровня осадков и статистические характеристики распределений нормированных прогнозируемых изменений количества осадков за май, июнь, июль на территории Северо-Западного региона России показаны в таблице 5.

Таблица 5 - Статистические характеристики распределений прогнозируемых изменений количества осадков за май, июнь, июль к 2030 г.

Сравнение данных таблиц 4 и 5 указывает на удовлетворительное согласование статистических характеристик изменений осадков и определенную возможность экстраполировать показатели таблицы 4 для качественных прогнозных оценок изменений количества осадков на Северо-Западе России.

Почвенный блок системы «осадки - почва - дренаж»

Длительная сельскохозяйственная эксплуатация земель в условиях избыточного увлажнения и промывного режима сопровождается изменением физических свойств, преобразованием гранулометрического состава почв. Спектр влияния дренажа на изменение процессов почвопреобразований многообразен. В число факторов влияния входят: количество дней и интенсивность осадков, отношение дождя к снегу, производство биомассы в агроценозе, скорость разложения растительных остатков, микробная активность почвы, интенсивность испарения и изменения в землепользовании, необходимые для приспособления к новому климатическому режиму [18, 19].

В настоящей статье обсуждается эффект изменения гранулометрического состава мелиорированных земель в условиях увеличения интенсивности и частоты осадков на примере Меньковского филиала Агрофизического НИИ, расположенного в Гатчинском районе Ленинградской области (в Северо-Западном регионе РФ).

Исследование выполнено на типичных для землепользования мелиорированных почвах (Stagnic Retisols, Rustic Podzols, Haplic Podzols по классификации WRB IUSS Working Group WRB. 2015. World Reference Base for Soil Resources 2014, update 2015. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. World Soil Resources Reports No. 106. FAO, Rome; FAO, 2015) и на почвах Gleysols, Gleyic Retisols, Gleyic Podzols. По гранулометрическому составу почвы представляют супесчаные разности. Сравнивались данные результатов картографирования и лабораторного анализа почв в 1976 и 2014 гг. В этот период земли осушались закрытым гончарным трубчатым дренажом. Изменения гранулометрического состава почв определялись стандартными лабораторными методами. Образцы почв исследованы по размеру частиц в классе: песок 1000-50 мкм, пыль 50-10 мкм и ил 5-1 мкм. Почвенные разрезы в 2014 г. для отбора образцов закладывались с частотой, соответствующей требованиям к построению карт масштаба 1:7500, с учетом рабочих материалов почвенной съемки 1976 г. Почвенные разрезы 2014 г. были заложены близко к пространственным координатам разрезов 1976 г.

По данным 1976 г. сформированы группы почв по проявлению или отсутствию признаков глеевого процесса в профиле. Сравнивались между собой распределения частиц по размерам для каждой из почв внутри генетической группы. Достоверность различий распределения частиц по размерам оценивалась при помощи коэффициента корреляции Пирсона (р > 0,95). При отсутствии или слабой корреляционной связи почвы не попадали в одну группу. По данным 2014 г. произведена аналогичная процедура группировки почв. Такой алгоритм позволил набрать репрезентативный материал для сравнительного статистического исследования почв 1976 и 2014 гг. Сравнивалось распределение по глубине фракций пыли, песка и ила. Проверка достоверности различий в распределении фракций ила, пыли и песка в пространстве и по глубине профилей почв осуществлялась с помощью критерия значимости Манна - Уитни.

Для реализации задачи исследования проведено районирование почв землепользования по степени гидроморфизма [20], выделено пять групп почв [21, 22]. Изменения процентного состава почв разной степени увлажнения (гидроморфизма) в почвенном покрове землепользования за период 1976-2014 гг. показаны в таблице 6.

Таблица 6 - Изменение доли почв разной степени увлажнения в почвенном покрове Меньковского филиала с 1976 по 2014 г. В %

Статистический анализ U-критерием Манна - Уитни показал статистическую незначимость различий в структуре почвенного покрова, на уровне вероятности 0,95.

С 1976 по 2014 г. произошли изменения гранулометрического состава пахотных и подпахотных горизонтов почв. При картографировании почвенного покрова в 1976 г. большинство почв по гранулометрическому составу были классифицированы как пылевато-песчаные почвенные разности. При картографировании в 2014 г. эти почвы классифицированы как песчаные. Для оценки изменения гранулометрического состава почв вычислены коэффициенты неоднородности (Кн) почв. Коэффициент неоднородности - это отношение размера частиц, доля которых в почве более 60 % от массы почвы, к размеру частиц с содержанием 10 % (Кн = d60/d10). Содержание частиц размерами d60 и d10 определено на основе кумулятивных кривых гранулометрического состава почвы. Вычисленные коэффициенты неоднородности показаны в таблице 7.

Таблица 7 - Средние коэффициенты неоднородности гранулометрического состава для горизонтов почв различного генезиса