Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Тенденции изменения климата земли и возможные его последствия 10
1.1. Изменение климата Земли и основные факторы, влияющие на него 10
1.2. Возможные последствия изменения климата для различных сфер человеческой деятельности 18
1.3. О влиянии изменения климата на функционирование аграрного сектора 28
ГЛАВА 2. Адаптация аграрного сектора к изменению агрометеорологических условий: основные задачи и методы их решения 36
2.1. Некоторые результаты анализа проблемы адаптации аграрного сектора к изменению климата 36
2.2. Задача прогнозирования агроклиматических ресурсов и методы ее решения 45
2.3. Модель определения производственно-экономических показателей аграрного сектора с учетом изменения агрометеорологических условий производства сельскохозяйственной продукции 52
ГЛАВА 3. Результаты решения некоторых задач адаптации аграрного сектора к изменению климата 59
3.1. Анализ и прогноз динамики агрометеорологических факторов в предгорной зоне КБР 59
3.1.1. Результаты анализа динамики агрометеорологических факторов 60
3.1.2. Исследование наличия аномальных элементов во временных рядах агрометеорологических факторов 80
3.2. Результаты прогноза динамики агрометеорологических факторов 86
3.3. Результаты прогноза изменений агроклиматических ресурсов 98
3.4. Моделирование развития аграрного сектора региона с учетом изменений агрометеорологических факторов 104
Заключение 113
Список использованной литературы 116
- Возможные последствия изменения климата для различных сфер человеческой деятельности
- О влиянии изменения климата на функционирование аграрного сектора
- Задача прогнозирования агроклиматических ресурсов и методы ее решения
- Исследование наличия аномальных элементов во временных рядах агрометеорологических факторов
Возможные последствия изменения климата для различных сфер человеческой деятельности
Климатические условия играют важнейшую роль в поддержании жизни на Земле, оказывают существенное влияние на здоровье и деятельность человека в самых различных областях, на социально-экономическое развитие общества в целом. В связи с этим адаптация различных сфер человеческой деятельности к изменениям климата становится в настоящее время одной из ключевых проблем современной науки. Эти вопросы затронуты в работах [23,24,30,97,98] и многих других. С этим связано то, что во многих странах уже длительное время ведутся интенсивные исследования по анализу и прогнозу изменения климата, предпринимаются практические действия по управлению последствиями этого явления в различных сферах человеческой деятельности, в частности, в сфере производства сельскохозяйственной продукции. Спектр вариаций климата достаточно широк, и в своей высокочастотной области он примыкает к долговременным погодным флуктуациям. Но в отличие от изменения климата самые крупные (имеющие планетарный масштаб) погодные аномалии (такие, как южное колебание и др.) не оказывают заметного влияния на термическую структуру Мирового океана. Они проявляются, главным образом, в деятельном слое океана (ДСО). Они также не влияют на состояние ледяного покрова полярных областей и других составляющих климатической системы. Таким образом, аномалии погоды в отличие от климатических изменений происходят в системе «атмосфера-ДСО», при этом термический режим океана ниже ДСО и состояние оледенения выступают в качестве внешних параметров по отношению к данной системе [23,35,56,59]. Наблюдающиеся в настоящее время изменения температурного режима атмосферы, такие как увеличение средней глобальной температуры воздуха на 0,6 – 0,7 оС с начала регистрации приборных наблюдений, по мнению многих исследователей, принято считать связанными в основном с деятельностью человека [42,85]. По результатам наблюдений 1998 г. был самым теплым годом за весь период инструментальных наблюдений, а 2001 г. был вторым наиболее теплым годом. Самым теплым десятилетием ХХ века принято считать 90-е годы. Считается также, что степень и продолжительность потепления в ХХ веке были больше, чем за любой другой период в течение последней тысячи лет [37,40,50,86,107,108].
В результате средний уровень моря повысился на 10-20 см, что примерно в 10 раз выше среднего значения за последние 3000 лет. Важно еще отметить, что за последние 45-50 лет толщина ледяного покрова в Северном Ледовитом океане в период до конца лета – начала осени уменьшилась на 40%. Что касается площади морского льда в северном полушарии, то за этот же период времени она убавилась на 10-15%. Сократилась и продолжительность существования ледяного покрова на озерах и реках – за последние 10 лет она уменьшилась примерно на две недели. Одновременно в неполярных регионах планеты уже длительный период времени наблюдается отступление быстрыми темпами горных ледников [48,54,96,120,123]. Это не могло не повлиять и на процессы, происходящие в атмосфере [38,89,111].
Отметим еще, что в последние годы в различных частях земного шара наблюдался ряд беспрецедентных экстремальных погодных явлений, таких как паводки, тропические циклоны и засухи [18]. В качестве примера можно привести лето 2010 г., когда в результате аномальной жары смертность в европейской части нашей страны заметно увеличилась, а потери сельского хозяйства из-за засухи были значительными [18,86]. В глобальном плане за последние десять лет наблюдалось увеличение в два раза числа гидрометеорологических бедствий [36,55,94,117]. Повторяющиеся засухи и опустынивание затронули территорию с населением свыше 1,2 млрд. человек, существование которых в значительной степени зависит от землепользования. Вероятно, наиболее ярким проявлением глобального потепления климата являются изменения флоры и фауны. В отдельных частях северного полушария Земли со времени начала 60-х годов вегетационный период стал длиннее примерно на 11 дней. Некоторые изменения в вегетационном периоде связаны с более мягкими зимами, которые явились частью общего режима глобального потепления. Другие изменения включают в себя произрастание растений на большей высоте в горных районах, откладывание яиц птицами в более ранний период времени весной и другие [42,72,119]. По результатам исследований различных авторов, общее количество осадков на нашей планете возрастет в течение ХХI века. В некоторых регионах низких широт оно должно уменьшиться, и увеличиться в других. Согласно результатам исследований изменения режима осадков в северокавказском регионе [13,14,66,114], в целом наблюдается увеличение количества осадков, причем оно меняется по-разному в различные сезоны года и сложным образом в различных климатических зонах. В средних и высоких широтах будет наблюдаться большее количество аномальных климатических явлений. Частота появления таких явлений как засухи и паводки с течением времени будет увеличиваться. Согласно перспективным оценкам, протяженность снежного покрова и морского льда и далее уменьшится, а ледники и ледяные шапки продолжат отступать. При этом заметим, что изменения климатических условий различных регионов, хотя и являются проявлением общепланетарных процессов, могут носить иногда противоположно направленный характер.
Очевидно, что такие глобальные процессы на планете не могут не отразиться на состоянии окружающей среды, на все сферы человеческой деятельности [5,15,80,104,130]. Изменение климата будет влиять и на здоровье человека многочисленными путями, включая непосредственное (например, снижение стрессов от холода в странах умеренных широт и увеличение тепловых стрессов) и косвенное воздействие. Оно будет проявляться в изменении расстояний, на которых будут действовать переносчики болезней, а также переносимые водой патогенные микроорганизмы. В то время как некоторые виды растений и животных могут расширить свое распространение и увеличиться в количественном измерении, произойдет усиление риска исчезновения других относительно уязвимых видов, что естественным образом приведет к снижению биологического разнообразия на планете. Гибель кораллов может превысить 95%, а некоторые виды из них исчезнут.
Эти перспективные оценки охватывают период, длиной примерно в 100 лет. Но еще большую тревогу вызывает то, что инициированные деятельностью человека изменения климата будут устойчивыми в течение многих веков, даже в том случае, если общее снижение выбросов парниковых газов в атмосферу произошло бы сейчас, поскольку некоторые из них, такие как двуокись углерода, являются долгоживущими.
О влиянии изменения климата на функционирование аграрного сектора
Обсуждая вопросы адаптации функционирования аграрного сектора к трансформации агрометеорологических условий, нельзя не отметить, что до настоящего времени существуют различные мнения о возможных последствиях изменения климата для данного сектора. Но необходимо иметь в виду, что влияние изменения климата на аграрный сектор будет носить комплексный характер. Поэтому судить о последствиях изменения климата для сельского хозяйства по изменению, например, только температуры воздуха и почвы или количества осадков нельзя, следует учитывать и влияние на него и других факторов, которые определяют эффективность функционирования сельскохозяйственного производства. По нашему мнению, регионов на Земле, в которых изменение климата может оказать благоприятное влияние на производство сельскохозяйственной продукции, будет немного.
Что касается России, то, как известно, основная часть земель сельскохозяйственного назначения расположена в зоне критического и неустойчивого земледелия, и в связи с этим условия для сельскохозяйственного производства могут стать еще более тяжелыми вследствие изменения климата. Для сравнения можно отметить, что доля пашни с годовой суммой осадков более 700 мм в США составляет более 60%, а в России – всего несколько процентов. Таким образом, даже незначительное изменение режима осадков, не говоря об изменениях других факторов, может иметь негативные последствия для сельского хозяйства нашей страны. В связи с этим с учетом еще тенденции увеличения мировой потребности в сельскохозяйственной продукции интерес к анализу последствий потепления климата для аграрного сектора и поиску путей адаптации производства продукции к изменению агрометеорологических условий повышается. Для проведения анализа последствий изменения климата для сельского хозяйства следует иметь в виду, что основная масса сельскохозяйственной продукции производится непосредственно в природных условиях под воздействием многих факторов, среди которых существенную роль в формировании урожаев сельскохозяйственных культур играют природно-климатические [36, 40, 48, 66, 87]. Для исследования механизмов влияния изменения климата на производство сельскохозяйственной продукции рассмотрим, факторы, влияющие на производство сельскохозяйственной продукции, которых, как известно, можно объединить в следующие группы: 1) производственно-агротехнические; 2) почвенные; 3) агрометеорологические.
Несомненно, что изменение климата окажет влияние на факторы, которые относятся ко всем этим группам. Но можно предположить, что факторы, относящиеся к первым двум группам, менее чувствительны к изменению климата и не оказывают существенного влияния на колебания урожая. Факторы последней группы более изменчивы, чем остальные, преимущественно они определяют вариации производственно-экономических показателей отрасли (величину урожая, качество продукции, ее стоимость и уровень производительности труда и т.д.) вследствие изменения климата. Из них солнечная радиация обеспечивает растения энергией, которую они используют в процессе фотосинтеза для создания органического вещества, влияет на продолжительность вегетации и процессы роста и развития, на расположение и строение листьев растений, на химический состав и качество продукции, засухоустойчивость, устойчивость к полеганию и другие [113]. Что касается температуры воздуха и почвы, то она регулирует процессы роста и развития растений, фотосинтеза, дыхания и транспирации. Но все эти процессы невозможны при отсутствии влаги. Поэтому факторы третьей группы играют значительную роль в жизни растений [97, 112,113], и, как отмечалось, изменение климата в большей степени влияет на последнюю группу факторов. Оно повлияет на развитие сельскохозяйственных культур и формирование урожая, на межгодовые его колебания, на технологию производства продукции, на пространственную структуру сельского хозяйства на всех уровнях. Все это делает необходимым учет в планах долгосрочного развития социально-экономических систем влияния на производство сельскохозяйственной продукции изменения климата. Исследованию последствий потепления климата для сельскохозяйственного производства, а также вопросов его адаптации к изменению климата, посвящено множество работ. Практически во всех этих работах данная проблема рассматривается применительно к производству сельскохозяйственных культур [11]. Но, по нашему мнению, речь следует вести об аграрном секторе в целом, так как рассмотрение только одного сельского хозяйства в данной проблеме недостаточно для обеспечения устойчивого развития аграрного сектора или региона [10]. Аграрный сектор является достаточно сложной производственно-экономической системой и проблему его адаптации к изменению климата необходимо рассматривать в целом с учетом взаимосвязи различных отраслей. Ниже остановимся на основных задачах, встречающихся на пути решения данной проблемы. Как было отмечено, исследуя последствия изменения климата для данной или другой отрасли, их необходимо рассматривать с двух сторон [97]. Первая из них связана с влиянием на отрасль медленных изменений климата, а вторая – с влиянием на нее неблагоприятных погодных явлений, мощность и частота появления которых увеличиваются. Соответственно возникают проблемы адаптации аграрного сектора к медленным изменениям агроклиматических ресурсов и к сдвигу климатических экстремумов. Важно отметить, что задачи, возникающие в этих направлениях, а также методы их решения существенно различаются. В первом случае природно-климатические характеристики региона принимают смысл ресурса, а во втором случае – риска.
Задача прогнозирования агроклиматических ресурсов и методы ее решения
Анализ динамики агрометеорологических факторов, в качестве которых используются количество атмосферных осадков и средняя температура воздуха в различные сезоны года, в рассматриваемой климатической зоне был проведен по схеме, изложенной в работах [11,13 ]. Согласно данной схеме, для исследования изменений агрометеорологических факторов их временные ряды были представлены в виде частичных временных рядов, для каждого из которых вычислялись и сравнивались их статистические характеристики [25]. При этом рассматривались два варианта представления исходных рядов в виде частичных. В первом варианте исходный временной ряд каждого из показателей делится на три частичных ряда, которые соответствуют интервалам 1961–1977 гг., 1978–1994 гг., 1995–2011 гг., а во втором они делятся на два, соответствующие 1961–1985 гг. и 1986–2011 гг. Использование двух вариантов представления исходных временных рядов метеопараметров в виде частичных позволяет исключать неоднозначность при интерпретации результатов расчетов их характеристик. Анализ проводился с использованием достаточно широкого круга статистических характеристик временных рядов метеопараметров, характеризующих режим осадков в регионе – для каждого из частичных временных рядов значений данного метеопараметра вычислялись и сравнивались между собой следующие характеристики: среднее значение, среднеквадратическое отклонение, коэффициенты асимметрии и эксцесса, минимальное и максимальное значения и разброс между ними. Анализ по такой схеме и с использованием такого количества статистических характеристик позволяет наиболее полно исследовать динамические свойства временных рядов метеопараметров.
Можно заметить, что в случае двух частичных временных рядов наблюдается незначительное увеличение среднего значения данного метеопараметра и составляет оно всего 0,7 мм. Наиболее существенное изменение данной характеристики наблюдается в случае трех частичных рядов. Но в этом случае данная характеристика, как можно заметить, имеет тенденцию к уменьшению. Можно еще отметить, что минимальное значение метеопараметра возрастает с течением времени при неизменном значении максимального значения. Это может явиться свидетельством того, что процессы образования и выпадения осадков на рассматриваемом промежутке времени в данной климатической зоне региона становятся более интенсивными. Для более подробного анализа динамики данного метеопараметра рассмотрим изменение во времени и других статистических характеристик. Из таблицы видно, что в случае трех частичных временных рядов коэффициент асимметрии сначала увеличивается быстрыми темпами, а затем уменьшается. Такое изменение данной характеристики свидетельствует о том, что в последние годы происходит увеличение вероятности появления во временном ряду метеопараметра элементов, значения которых меньше его математического ожидания. Отметим, что такое поведение данной характеристики, по нашему мнению, правильно отражает характер изменения среднего значения метеопараметра – замедление снижения среднего количества осадков в конце рассматриваемого отрезка времени. Можно также заметить, что в случае двух частичных рядов минимальное значение количества осадков с течением времени увеличивается, при неизменном максимальном значении, что приводит к уменьшению разброса между ними. В случае трех частичных временных рядов изменение этих характеристик носит более сложный характер, что, по нашему мнению, указывает на циклический характер их динамики. В целом в предстоящие годы, видимо, будет наблюдаться некоторое уменьшение количества осадков в зимние сезоны. На рисунке 3.1 приведено графическое изображение динамики данного метеопараметра на рассматриваемом отрезке времени. Можно заметить, что она носит достаточно сложный характер. В начале и в конце данного отрезка времени разброс значений метеопараметра значительный. Судя по тренду, можно отметить, что уменьшение количества осадков в эти сезоны, хотя и не очень быстрыми темпами, будет продолжаться и на интервале упреждения. В то же время, как было отмечено, отдельные процессы образования и выпадения осадков могут оказаться более интенсивными.
Что касается последствий такого изменения количества зимних осадков и процессов их образования, то они будут зависеть от изменения температурного режима воздуха. При этом, если снежный покров будет носить неустойчивый характер, то озимые культуры могут пострадать от заморозков.
Исследование наличия аномальных элементов во временных рядах агрометеорологических факторов
Как было отмечено выше, одной из задач адаптации сельского хозяйства и аграрного сектора к изменению агрометеорологических факторов является прогнозирование динамики агроклиматических ресурсов региона. Для решения данной задачи в настоящей работе предлагается использовать подход, основанный на прогнозировании на первом этапе динамики основных метеорологических параметров, определяющих продуктивность сельскохозяйственных культур, а затем, пользуясь зависимостью урожайностей культур от этих метеопараметров, вычислить значения урожайностей на интервале упреждения. При этом очевидно, что длина данного интервала, которая зависит от возможностей используемого метода прогнозирования динамики метеопараметров, должна совпадать с длиной отрезка времени, на котором осуществляется адаптация аграрного сектора к изменению климата. Выше были приведен метод построения моделей, описывающих взаимосвязь между урожайностью культур и агрометеорологическими факторами, также обсуждались качественные зависимости урожайности культур от отдельных факторов, которые используются при ее построении. Но при построении этих моделей возникает серьезная проблема, связанная с ограниченностью имеющейся информации. Как известно, для этой цели необходим достаточно большой объем информации о динамике как агрометеорологических факторов (комплексе метеопараметров, влияющих на формирование урожаев культур), так и продуктивности сельскохозяйственных культур, которая формируются этими факторами, т.е. нужны многолетние данные. Если многолетние данные о метеорологических параметрах, причем измеренные достаточно точно, имеются (перечень этих метеопараметров, результаты анализа и прогноза их динамики приведены выше), то получение таких данных об урожайности культур требует проведения достаточно длительных и трудоемких полевых экспериментов. При этом такие эксперименты должны быть проведены для территорий, соответствующих различным природно-климатическим характеристикам и свойствам почвы. Для решения данной задачи нами были использованы данные об урожайностях культур за период с начала 90-х годов до середины 2000-х годов, когда роль агротехнических факторов в формировании урожаев в силу известных причин свелась практически к нулю. Об этом свидетельствуют данные о количестве минеральных и органических удобрений, использованных в сельском хозяйстве региона. Они приводятся в таблице 3.12. Для сравнения в таблице приведено количество удобрений, использованных в 1990 г.
Данные этой таблицы свидетельствуют о том, что с начала 90-х годов имело место быстрое снижение количества используемых в растениеводстве удобрений. Особенно катастрофическим был 1999 г., когда на один гектар пашни было внесено в 15 раз меньше минеральных удобрений, чем в 1990 г. Очевидно, что использование минеральных удобрений в таких количествах, в каких они вносятся в настоящее время, не приведет к какому-нибудь заметному повышению урожайности сельскохозяйственных культур. Кроме этого, оно не только не может способствовать повышению плодородия почвы, но даже не хватит для его сохранения, и в результате в последние годы происходит снижение быстрыми темпами естественного плодородия почв, ухудшается их агроэкологическое состояние. Таким образом, с большой точностью можно предположить, что в формировании урожаев сельскохозяйственных культур в сельском хозяйстве региона на этом отрезке времени решающую роль играли агрометеорологические факторы. Это позволяет для построения модели, описывающей зависимость урожаев культур от этих факторов, использовать данные об урожайности культур на этом отрезке времени.
Остановимся далее на некоторых результатах исследования влияния отмеченных агрометеорологических факторов (средняя температура воздуха и количество осадков в различные сезоны года) на урожайность сельскохозяйственных культур. Для исследования этого вопроса были использованы значения урожайности сельскохозяйственных культур и агрометеорологических факторов на отрезке времени 1990–2004 гг., на котором применение удобрений было незначительным по сравнению с предыдущими годами. В таблице 3.13 приводятся значения урожайности основных сельскохозяйственных культур, которые производятся в республике, а в таблице 3.14 – результаты анализа корреляционной связи между урожайностью культур и агрометеорологическими факторами, полученными по их значениям на данном отрезке времени. В таблице через TЗ, TВ, TЛ, TО обозначены средняя температура воздуха соответственно в зимние, весенние, летние и осенние сезоны, а через qЗ, qВ, qЛ, qО - количество атмосферных осадков в эти же сезоны года. В таблице 3.13 для сравнения приводятся урожайности культур в 1990 г.