Анализ и прогноз трансформации климатических характеристик и учет их динамики в задачах управления агропромышленным комплексом (на примере центральной части Северного Кавказа)

Размещено на http://www.allbest.ru/

АНАЛИЗ И ПРОГНОЗ ТРАНСФОРМАЦИИ КЛИМАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И УЧЕТ ИХ ДИНАМИКИ В ЗАДАЧАХ УПРАВЛЕНИЯ АГРОПРОМЫШЛЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ (НА ПРИМЕРЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ СЕВЕРНОГО КАВКАЗА)

25.00.30 - метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Бисчоков Руслан Мусарбиевич

Нальчик 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет имени В.М. Кокова»

Официальные оппоненты Шхануков-Лафишев Мухамед Хабалович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой вычислительной математики, «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова», г. Нальчик

Каменецкий Евгений Самойлович, доктор физико-математических наук, зав. отделом математического моделирования Южного математического института Владикавказского научного центра РАН и РСО (Алания), г. Владикавказ

Колосков Борис Павлович, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ФГБУ «Центральная аэрологическая обсерватория», г. Долгопрудный

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Южный федеральный университет», г. Ростов-на-Дону

Защита состоится «21» марта 2014 года в 15:00 часов на заседании Диссертационного совета Д.327.001.01 при ФГБУ «Высокогорный геофизический институт» Росгидромета по адресу: 360030, КБР, г. Нальчик, пр. Ленина, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ «Высокогорный геофизический институт»

Автореферат разослан «17» декабря 2013 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат географических наук, доцент Н.В. Кондратьева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Успех агропромышленного комплекса (АПК) в значительной степени зависит от климатических особенностей региона. При этом одной из ключевых позиций устойчивого развития АПК является получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур при сокращении совокупного ущерба от погодных аномалий. Решение этого вопроса невозможно без учета изменения природно-климатических факторов региона, а также ожидаемых погодных условий на предстоящий сельскохозяйственный год.

Для оценки и прогноза урожайности сельскохозяйственных культур с учетом изменения климата необходимо детальное изучение временных рядов метеорологических факторов за прошлые 30-50 лет и прогнозирования их на будущее в регионе.

Проблеме анализа временных рядов метеорологических факторов посвящено множество работ в нашей стране и за рубежом, в которых использованы такие классические методы, как статистический, фрактальный и спектральный. Несмотря на это исследования, проводимые по этой проблеме всегда актуальны.

В связи с этим, совершенствование методов анализа и прогнозирования агроклиматических процессов и ресурсов, метеорологических параметров и урожайности сельскохозяйственных культур с учетом изменения климата, является в настоящее время актуальной научной проблемой.

В целях адаптации аграрного производства к изменениям климата необходимо комплексное исследование характера и тенденций изменений мезомасштабных метеорологических параметров, их влияния на вегетацию и урожайность сельскохозяйственных культур.

Работа посвящена:

- комплексному анализу пространственно-временных изменений наиболее климатообразующих метеопараметров, характеризующих режим осадков, температурный режим воздуха и почвы, влажностные характеристики, максимальную скорость ветра, зарегистрированных за многолетний период 1956-2009 гг. на 9 метеостанциях трех соседних регионов (Краснодарский и Ставропольский края, Кабардино-Балкарская республика) Центральной части Северного Кавказа;

- прогнозу климатических характеристик до 2025 года;

- построению корреляционно-регрессионной модели, описывающей зависимость урожайности сельскохозяйственной культуры от изменения сезонных значений метеорологических факторов: суммарного количества осадков, среднесуточной температуры воздуха, минимальной температуры почвы, средней относительной влажности воздуха и максимальной скорости ветра;

- разработке адаптивной нечетко-логической модели типа Мамдани соотношения сезонных значений метеорологических факторов и урожайности сельскохозяйственной культуры по трем уровням: низкий, средний и высокий.

Такая работа проводится впервые. Результаты данного подхода будут полезны при разработке рекомендации сельхозпроизводителям.

Целью диссертационной работы является совершенствование методов анализа и прогноза трансформации климатических характеристик в центральной части Северного Кавказа, учет их динамики в задачах управления агропромышленным комплексом и разработка рекомендации по адаптации регионального сельскохозяйственного производства к изменениям метеорологических факторов.

Для достижения указанной цели были определены следующие задачи:

- усовершенствовать методы анализа динамики многолетних метеорологических параметров;

- провести комплексный анализ изменения метеорологических параметров по сезонам года в разных климатических зонах центральной части Северного Кавказа по данным 9 метеостанций;

- построить аппроксимированные и восстановленные временные ряды метеорологических параметров методом «Гусеница»-SSA;

- прогнозирование динамики изменений исследуемых метеорологических параметров до 2025 года во все сезоны года;

- разработать корреляционно-регрессионную модель зависимости продуктивности сельскохозяйственного производства от метеорологических факторов;

- прогнозирование урожайности сельскохозяйственных культур с учетом изменений климатических ресурсов на территории Кабардино-Балкарской республики;

- разработать адаптивные нечетко-логические модели регулирующие урожайности сельскохозяйственных культур в зависимости от изменений климатических характеристик;

- провести агрометеорологическое обоснование возделывания сельскохозяйственных культур разного срока спелости в различных климатических зонах Кабардино-Балкарской республики;

- разработать практические рекомендации для сельхозпроизводителей по адаптации сельскохозяйственного производства к погодным условиям на основе проведенных исследований трансформации агроклиматических ресурсов.

Использованные материалы и методы исследования

В основу диссертационной работы положены материалы многолетних метеорологических наблюдений на период 1956-2009 гг. (суммарное количество осадков, суточный максимум осадков, число дней с осадками 5 мм и выше, средняя температура воздуха, максимальная температура воздуха, минимальная температура почвы, средняя относительная влажность воздуха, дефицит влажности воздуха, число дней с относительной влажностью воздуха 30 % и менее, максимальная скорость ветра, число дней со скоростью ветра 15 м/с и более) по данным 9 метеостанций Центральной части Северного Кавказа: 4 метеостанции, расположенные на территории Кабардино-Балкарской республики (в предгорной зоне - г. Нальчик и г. Баксан; в степной зоне - г. Прохладный и г.Терек); 2 метеостанции в Ставропольском крае (г. Минеральные воды и г.Кисловодск); 3 метеостанции в Краснодарском крае (х. Красная поляна, г. Сочи и г. Армавир).

В качестве методов исследования использованы:

- статистический, нормированного размаха, отклонения от климатической нормы и скользящих средних с периодом N=10 для анализа динамики метеопараметров;

- спектрально-сингулярного разложения (метод «Гусеница»-SSA) для оценки надежности модели и прогноза значений метеопараметров до 2025 года;

- корреляционно-регрессионный для определения зависимости урожайности сельскохозяйственных культур от метеорологических факторов и прогнозирования на ближайшие 5 лет (в исключительных случаях с учетом влияния аномальных явлений);

- нечеткой логики для оценки урожайности сельскохозяйственных культур при задании значений сезонных осадков и температуры воздуха.

Применялись математические программные средства: MS Excel, Statistica, «Гусеница»-SSA, Matlab.

Научная новизна диссертации заключается в совершенствовании методов анализа и прогноза динамики метеорологических параметров в центральной части Северного Кавказа и применение методов нечеткой логики в решении задач управления агропромышленным комплексом.

Получены следующие результаты, обладающие новизной и являющиеся предметом защиты:

- усовершенствованы методы анализа динамики метеопараметров;

- впервые проведен комплексный анализ сезонных изменений метеорологических параметров, характеризующих режим осадков, температурный режим воздуха и почвы, влажность воздуха и скорость ветра для регионов Центральной части Северного Кавказа;

- впервые методом спектрально-сингулярного разложения (методом «Гусеница»-SSA) построены восстановленные временные ряды метеорологических параметров;

- по разности остатков исходных и восстановленных рядов проведена оценка надежности используемых моделей;

- проведен сравнительный анализ методов моделирования динамики метеорологических параметров;

- впервые осуществлен прогноз динамики изменения сезонных значений 11 метеорологических параметров до 2025 года методом спектрально-сингулярного разложения;

- установлены корреляционно-регрессионные связи между продуктивностью сельскохозяйственных культур и сезонными природными факторами: суммарным количеством осадков, средней температурой воздуха и почвы, влажностью воздуха, скоростью ветра;

- получены прогнозные значения на предстоящие годы урожайности основных сельскохозяйственных культур, выращиваемых на территории КБР;

- разработаны адаптивные нечетко-логические модели, позволяющие оценить урожайность сельскохозяйственных культур в зависимости от изменений природно-климатических характеристик;

- проведен анализ влияния изменения климатических характеристик на урожайность культур короткого срока вегетации на каштановых почвах (в аридных условиях) центрального Предкавказья;

- предложены рекомендации по адаптации сельского хозяйства КБР с учетом трансформации природно-климатических условий.

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Результаты комплексного анализа основных климатообразующих метеорологических параметров позволяют оценить зависимость урожайности сельскохозяйственных культур от природно-климатических факторов.

2. Практические рекомендации апробированы и рекомендованы для внедрения в колхозе им. Петровых и ООО ИПА «Отбор» Прохладненского района КБР, в ГНУ Кабардино-Балкарском Научно-исследовательском института сельского хозяйства, в хозяйствах Зольского и Баксанского районов.

3. Разработанная в рамках настоящей диссертационной работы методика анализа и прогнозирования урожайности сельскохозяйственных культур в зависимости от изменения климата внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО КБГАУ им. В.М. Кокова по изучению дисциплин:

a. «Компьютерное моделирование в объектах сельского хозяйства» в рамках учебной программы бакалавра по направлению 110400.62 - Агрономия;

b. «Компьютерное моделирование в землеустройстве» в рамках учебной программы бакалавра по направлению 120700.62 - Землеустройство и кадастры;

c. «Информационные технологии в управлении» в рамках учебной программы бакалавра по направлению 081100.62 - Государственное и муниципальное управление;

d. «Информационные технологии» и «математическое моделирование и проектирование» в рамках учебной программы магистра по направлению 110400.68 - Агрономия магистерской программы «Адаптивные системы земледелия»;

e. «Информационные технологии в науке и образовании» в рамках учебной программы аспирантуры по специальности 05.13.10 - Управление социальными и экономическими системами.

4. Научные результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы соответствующими органами управления Северо-Кавказского федерального округа для адаптации сельскохозяйственного производства к изменениям природно-климатических условий.

5. Разработанная в рамках настоящей диссертационной работы методика анализа и прогноза метеорологических параметров может быть использована Росгидрометом при выполнении НИР по агрометеорологии.

6. Разработанная в рамках настоящей диссертационной работы методика прогноза урожайности сельскохозяйственных культур рекомендована Министерству сельского хозяйства КБР для практического применения при планировании сельскохозяйственных работ в предстоящие годы.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Результаты комплексного анализа временных рядов многолетних (1956-2009 гг.) метеорологических наблюдений, включающих режим осадков, температурный режим воздуха и почвы, влажностные характеристики воздуха и скорости ветра на 9 метеостанциях Центральной части Северного Кавказа: по Кабардино-Балкарской республике (Нальчик, Баксан - предгорная зона и Прохладный, Терек - степная зона), по Ставропольскому краю (Минеральные воды и Кисловодск) и по Краснодарскому краю (Красная поляна, Сочи, Армавир).

2. Оценка разности остатков временных рядов основных метеорологических параметров методом спектрально-сингулярного разложения.

3. Результаты прогнозирования метеорологических параметров до 2025 года.

4. Зависимость продуктивности сельскохозяйственных культур от изменения природных факторов, полученная методом корреляционно-регрессионного анализа.

5. Прогноз урожайности основных сельскохозяйственных культур разного срока созреваемости в зависимости от метеорологических факторов на территории КБР на ближайшие 5 лет.

6. Планирование урожайности сельскохозяйственных культур адаптивными нечетко-логическими методами в зависимости от климатических особенностей региона КБР.

7. Агрометеорологическое обоснование подбора и системы возделывания сельскохозяйственных культур в природных зонах Кабардино-Балкарской республики с учетом климатических особенностей.

8. Рекомендации для сельхозпроизводителей по адаптации сельскохозяйственного производства к климатическим факторам на основе проведенных исследований трансформации агроклиматических ресурсов

Личный вклад автора. Основные результаты исследования (идея, постановка научной проблемы и задач, методология анализа изменения метеорологических параметров, результаты анализа и прогноза динамики метеопараметров, разработка моделей анализа и прогнозирования урожайности сельскохозяйственных культур в зависимости от природных факторов, разработка адаптивных нечетко-логических моделей зависимости продуктивности сельскохозяйственного производства от метеопараметров) принадлежат автору. Совместно с соавторами научных статей разработаны алгоритмы и программы расчета статистических характеристик метеопараметров. Все результаты, приведенные в диссертации, получены автором или при непосредственном его участии.

Соответствие диссертации Паспорту научной специальности. Отраженные в диссертации научные положения соответствуют области исследования специальности 25.00.30 - метеорология, климатология, агрометеорология. Полученные научные результаты соответствуют пунктам 4, 6, 13 Паспорта специальности.

Обоснованность и достоверность полученных в диссертации результатов обусловлена строгостью приводящих к ним математических расчетов, использованием в качестве исходного материала большого массива информационной базы, в качестве которой послужили ряды многолетних метеорологических наблюдений на 9 метеостанциях, расположенных в разных природных зонах Центральной части Северного Кавказа. А также отсутствие противоречий с достоверно установленными фактами, опубликованные в научной литературе.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: метеорологический климатический кавказ северный

- Международной научной конференции «Моделирование устойчивого регионального развития» (Нальчик, 2005);

- 6-й Международной конференции (Самара, 12-15 сентября 2005);

- Международной конференции «Погода и биосистемы». (Москва, РГГУ, 2006);

- Международной конференции «Проблемы гидрометеорологии горных территории Северного Кавказа и пути их решения» (Гузерип, 19-20 сентября 2006);

- VI Международной конференции «Инновационные технологии для устойчивого развития горных территорий» (Владикавказ, 28-30 мая 2007);

- XV Международной научно-технической конференции «Инноватика - 2010» (Сочи, 2-12 октября 2010);

- Международной научно-практической конференции «Современные проблемы теории и практики инновационного развития АПК», посвященной 30-летию КБГСХА им В.М. Кокова (Нальчик, 12-14 октября 2011).

Работа выполнена в соответствии с научным направлением кафедры «Информатика и моделирование экономических процессов» Кабардино-Балкарского государственного аграрного университета имени В.М. Кокова. Результаты исследований использованы в отчетах научных грантов Российского гуманитарного научного фонда:

- № 07-02-33201 а/Ю «Анализ и прогноз изменения климата Центральной части Северного Кавказа и адаптация социально-экономического развития региона к трансформации условий внешней среды» в 2007году

- № 10-06-33603 а/Ю «Анализ и прогноз обеспеченности регионального АПК средствами производства и разработка стратегии их использования, обслуживания и обновления» в 2010 году.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 54 научных работах, включая 3 монографии, 18 публикаций в журналах, рекомендуемых ВАК и 10 публикаций в трудах Международных конференций и симпозиумов по модификации погоды и изменению климата.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемой литературы (283 отечественных и зарубежных публикаций) и приложения. Рукопись содержит 324 страницы машинописного текста, включая 46 рисунков, 7 таблиц. Приложения включают таблицы и рисунки результатов анализа и прогноза по данным метеостанции Баксан, Прохладный, Терек, Минеральные воды, Кисловодск, Красная поляна, Сочи, Армавир.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, сформулированы цель, задачи и методы решения, изложены научная новизна работы и основные положения, выносимые на защиту, обсуждается теоретическая и практическая значимость работы, приведены сведения об апробации работы, публикациях и структуре диссертации.

Первая глава посвящена анализу современного состояния исследований климата Земли и факторов, воздействующих на него, а также возможные последствия влияния климатических изменений на сельскохозяйственное производство. Излагаются проблемы адаптации сельского хозяйства к изменениям климата.

Вопросам изучения изменений климата и влияния их на сельскохозяйственное производство посвящена обширная литература отечественных и зарубежных ученых. Изучение изменений климата всегда способствовало развитию производительных сил и поддержанию благосостояния общества. Климат определяет условия протекания современных рельефообразующих процессов, развитие растительности и размещение животных [А.Р. Константинов (1978), Е.П. Борисенко (1984), О.Д. Сиротенко (1994), В.А. Жуков (2000), Е.К. Заидзе (2002), Ю.А. Израэль (2003), Е.Е. Сивак (2009), С.А. Замятин (2010)].

Чтобы эффективно использовать потенциальные возможности агропроизводства, а также снизить ущерб от неблагоприятных погодных явлений, вредителей и болезней сельскохозяйственных культур, необходимо проводить специальные исследования климата [Дж. Ацци (1959), В.М. Битов (1966), И.Л. Кароль (1981), Е.П. Борисенко (1982), Ю.А. Израэль (2003)]. В первую очередь следует устанавливать количественные показатели влияния факторов климата на объекты и процессы сельскохозяйственного производства.

Во второй главе приведены результаты комплексного анализа основных метеорологических параметров, характеризующих режим осадков, температурный режим воздуха и почвы, влажность воздуха и скорость ветра по всем сезонам и за год за период 1956-2009 гг. по данным 9 метеостанций трех регионов Центральной части Северного Кавказа: Нальчик, Баксан, Прохладный, Терек, Минеральные Воды, Кисловодск, Армавир, Сочи и Красная поляна.

Таблица 1

Статистические характеристики временных рядов значений суммарного количества осадков в зимний период по данным МС Нальчик

Временной ряд, годы	Сред значение	Сред квадр откл.	Коэффициенты	min	max	Разброс	Показатель Херста
			асимм	эксц.
Суммарное количество осадков (мм)
1956-1973	71,67	16,11	0,39	0,30	31	100	69	0,54
1974-1991	69,52	13,97	0,64	-0,67	48	95	47	0,84
1992-2009	74,70	20,22	0,91	-0,44	53	115,3	62,3	0,69
1956-1982	72,14	15,75	0,24	-0,11	31	100	69	0,67
1983-2009	71,78	18,34	1,17	0,37	48	115,3	67,3	0,65
1956-2009	71,74	17,01	0,65	0,28	31	115,3	84,3	0,56

В таблице 1 приведены результаты расчетов по данным метеостанции Нальчик показателя Херста и статистических характеристик суммарного количества осадков на период 1956-2009 гг.: среднее значение, среднеквадратическое отклонение, коэффициенты асимметрии и эксцесса, минимальные и максимальные значения, их разброс. Аналогичный анализ выполнен и по данным других метеостанций и климатических характеристик.

Анализ проводился в два этапа: на первом этапе временные ряды периода 1956-2009гг. разбивались на три равных интервала, а на втором - на два интервала.

Подвергались анализу такие метеопараметры как суммарное количество осадков, суточный максимум осадков, число дней с осадками 5 мм и более, средняя температура воздуха, максимальная температура воздуха, минимальная температура почвы, средняя относительная влажность воздуха, средний дефицит влажности воздуха, число дней с относительной влажностью воздуха 30 % и менее, максимальная скорость ветра, число дней со скоростью ветра 15 м/с и более.

Результаты статистического анализа метеопараметров в зимний период показали:

- среднее значение суммарного количества осадков сначала уменьшается на 2,15 мм, затем происходит стабильное увеличение на 5,18 мм, а разница между значениями третьего и первого интервалов составляет 3,03 мм, хотя для случая двух интервалов происходит убывание на 0,36 мм;

- средние значения суточного максимума осадков увеличиваются от интервала к интервалу в случае трех интервалов, а в случае двух интервалов уменьшаются;

- число дней с осадками 5 мм и более увеличивается от интервала к интервалу в обоих случаях;

- среднее и минимальное значения температуры воздуха увеличиваются от интервала к интервалу в обоих вариантах; уменьшение разброса в основном обусловлено изменением максимального значения;

- максимальная температура воздуха сначала уменьшается на 0,45⁰С, а затем увеличивается на 0,25⁰С, что является последствием изменения максимального значения;

- тенденция в динамике режима температуры такова, что в целом имеет место «потепление» - зимы становятся более мягкими и теплыми, а такое потепление связано с повышением минимальных значений как средней, так и максимальной температуры воздуха;

- среднее и минимальное значения температуры почвы повышаются в обоих случаях;

- влажность воздуха от первого интервала ко второму повышается на 0,04%, затем уменьшается на 1,85%, что свидетельствует о нестабильности метеопараметра в период 1974-1991 годов;

- наблюдается увеличение среднего дефицита влажности воздуха от периода к периоду в обоих случаях анализа, а число дней с относительной влажностью воздуха 30% и менее, как следствие, увеличивается;

- наибольшее значение максимальной скорости ветра отмечается в период 1974-1991 годов, а значение коэффициента Херста указывает на то, что на этом интервале распределение близко к нормальному, соответствующему белому гауссовскому шуму;

- число дней со скоростью ветра 15 м/с и более уменьшается;

- коэффициент Херста, в основном, для всех метеопараметров принимает значение больше 0,50, что указывает на наличие свойства персистентности, а это означает сохранение динамики изменения и в будущем.

Таким образом, в зимний период осадки уменьшаются, температура воздуха и на поверхности почвы повышается, следствием чего и является снижение влажности воздуха, а максимальная скорость ветра с порывами увеличивается.

Наличие фрактальных свойств для случая, когда поведение временного ряда не подчиняется нормальному закону распределения, дает ценную информацию об изучаемом процессе (см. рис. 1).

В этих случаях, чем больше фрактальная размерность ряда (чем меньше коэффициент Хёрста), тем сложнее выявить такие особенности ряда, как наличие тренда, наличие скрытых периодичностей и др.

Рисунок 1 Результаты R/S - анализа суммарного количества осадков в зимний сезон по данным МС Нальчик

Результаты фрактального анализа метеопараметров показали:

- нестабильность изменения наблюдается в начале у многих метеорологических параметров;

- в первые 10 лет для суммарного количества осадков, числа дней с осадками 5 мм и более, минимальной температуры на поверхности почвы и максимальной скорости ветра с порывами динамика изменения соответствует закону антиперсистентности, а в остальные годы - броуновскому закону распределения с положительной корреляцией (долгой памятью) и указывает на цикличность, а в конце стремится к гауссовскому белому шуму;

- динамика изменения остальных метеопараметров соответствует характеру перситентности на всем интервале рассматриваемого временного ряда.

Нами выполнены более полные описания исследуемых процессов анализа временных рядов рассматриваемых метеопараметров методами отклонения от климатической нормы и скользящих средних (см. рис.2).

В левом рисунке видим графическую форму временного ряда метеопараметра (синяя линия), климатическую норму (красная линия) и тренд (темная линия). В правом части рисунка показаны скользящие средние значения метеорологических параметров с периодом N=10.

Рисунок 2 Динамика изменения средней температуры воздуха по данным метеостанции Нальчик в зимний период (синяя - динамика изменения метеопараметра, черная - тренд, красная - климатическая норма)

Результаты анализа динамики изменения метеорологических параметров в зимний сезон за период с 1956 по 2009 годы таковы:

- суммарное количество осадков, среднесуточная температура воздуха, минимальная температура на поверхности почвы, средний дефицит влажности воздуха, число дней с относительной влажностью воздуха 30% и менее, и максимальная скорость ветра увеличиваются во времени упреждения;

- суточный максимум осадков и число дней с осадками 5 мм и более меняются относительно соответствующих климатических норм равномерно и их линии тренда близки линиям климатических норм;

- максимальная температура воздуха, средняя относительная влажность воздуха и число дней со скоростью ветра 15 м/с и более уменьшаются во времени.

Приведенные закономерности выявлены для всех рассматриваемых метеопараметров по всем сезонам по данным 4 метеостанций, расположенных на территории Кабардино-Балкарской республики. Данные других 5 метеостанций нами были использованы для исследования динамики изменения сезонных значений количества осадков и среднесуточной температуры воздуха.

В третьей главе приводятся результаты аппроксимации исходных временных рядов метеорологических параметров, по которым строятся результирующие восстановленные временные ряды и разности остатков. По разности остатков осуществляем оценку надежности построенной модели. На следующем этапе выполнены расчеты по прогнозированию динамики метеорологических параметров до 2025 года и их анализ. Исследования проводятся методом спектрально-сингулярного разложения (метод «Гусеница»-SSA).

Для анализа временного ряда строится траекторная матрица, столбцами которой являются скользящие отрезки ряда длины :

, (1)

где - количество векторов вложений.

Далее проводится сингулярное разложение траекторной матрицы в сумму элементарных матриц с элементами , каждая из которых задается набором из собственного числа и двух сингулярных векторов - собственного и факторного. Суммируя элементарные матрицы внутри каждого набора, получаем результирующую матрицу, которая при переходе к ряду приводится к аддитивным слагаемым, состоящим из сумм тренда, периодики и шума:

(2)

где , при , , иначе .

Таким образом, в основе метода спектрально-сингулярного разложения лежит:

- переход от временных рядов к последовательности векторов, состоящих из отрезков временного ряда выбранной длины;

- анализ полученной многомерной выборки (траекторной матрицы) с помощью ее сингулярного разложения;

- анализ главных компонентов ряда;

- разложение исходного временного ряда по базису на элементарные составляющие;

- построение аппроксимирующих и восстановленных временных рядов;

- прогнозирование временного ряда по исходным и восстановленным данным.

Рассмотрим в качестве метеопараметра суммарное количество осадков. На рисунке 3 приводятся исходный и восстановленный ряды и разность остатков суммарного количества зимних осадков на интервале 1956-2011 гг. с шагом L=26.

Рисунок 3 Исходный (черная линия) и восстановленный (красная линия) ряды и разность остатков (синяя линия) суммарного количества осадков в зимний сезон МС Нальчик по методу «Гусеница»-SSA

Как видно из рисунка 3, отклонение восстановленного ряда от исходного составляет в основном менее 12 мм, за исключением 1963 и 1968 годов, где отклонение составляет в среднем 17 мм. Наибольшие отклонения среднесуточной температуры воздуха составляют 1,5⁰С и 1,4⁰С соответственно в 2003 и 2011 годах.

В основном динамика изменения исходных и восстановленных значений зимних осадков и средней температуры воздуха близки, что указывает на достаточно точное описание агрометеорологического процесса исследованными методами.

Таблица 2

Наибольшие отклонения данных суммарного количества осадков по восстановленным и исходным рядам

Годы	1963	1965	1970	1991	1993	2002	2006
Метод конечных отрезков ряда Фурье	32,6	21,7	35,6	23,2	28,4	60,2	35,9
Метод «Гусеница»-SSA	16,2	9	7	7	8	12	10

Подобные исследования проводились методом конечных остатков ряда Фурье. Для оценки надежности моделей по двум методам проведем анализ по тем моментам, где отмечаются наибольшие отклонения восстановленных значений от исходных. Значения этих отклонений при использовании обоих методов приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что метод «Гусеница»-SSA показывает значения более близкие к исходным данным, чем метод конечных отрезков ряда Фурье.

Рисунок 4 Исходные (черная), восстановленные (красная) и прогнозные (синяя) значения суммарного количества зимних осадков до 2025 г.

На рисунке 4 приводятся исходный и восстановленный ряды зимних осадков и прогноз их значений до 2025 года.

По характеру изменения всех трех рядов можно отметить, что наибольшие зимние осадки ожидаются в 2016 году, а наименьшие в 2023 году.

В обоих случаях отмечаются, что наибольшая среднезимняя температура воздуха 2,7⁰С в 2019 году, а наименьшая -3,5⁰С в 2025 году.

Такие же расчеты по всем рассматриваемым метеорологическим параметрам были проведены с использованием данных 9 метеостанций Центральной части Северного Кавказа. Не останавливаясь подробно на результатах расчетов, отметим, что и в этом случае сохраняются такие же тенденции в динамике изменения каждого метеопараметра.

Эти результаты качественно согласуются с результатами, полученными в предыдущей главе для других климатических зон. Показано, что средняя температура воздуха в данной климатической зоне увеличивается быстрее, чем в других зонах. Причем такое повышение в основном было связано с ростом минимального значения данного метеопараметра. Например, его значение на временном интервале 1979-2002 гг. увеличилось почти в два раза по сравнению со значением на интервале 1955-1978 гг. и составило -3,9 ⁰С. Кроме этого, характер изменения коэффициента асимметрии с течением времени свидетельствует о наличии тенденции повышения средней температуры воздуха.

Четвертая глава посвящена разработке корреляционно-регрессионных моделей урожайности сельскохозяйственных культур под влиянием основных метеорологических параметров, рассмотренных в главах 2 и 3.

Одной из важнейших задач адаптации сельского хозяйства к изменению климата является установление зависимости урожайности сельскохозяйственных культур от природных факторов.

Из рисунка 5 видно, что среднегодовая температура воздуха с 1994 года выше климатической нормы в предгорной и степной климатических зонах Кабардино-Балкарской республики.

А)

Б)

Рисунок 5 Отклонение от климатической нормы среднегодовой температуры воздуха в а) предгорной и б) степной зонах территории КБР

Наибольшее отклонение в рассматриваемых зонах отмечалось в 2010 году, оно было выше климатической нормы на 2-2,3⁰С. В КБР на конец XX (1994 год) и начало XXI века пришелся самый продолжительный период потепления за время инструментальных наблюдений за температурой на протяжении 56 лет.

Особенность потепления не только в продолжительности периода, но и в более высоком значении среднегодовой температуры воздуха (наибольшее отклонение составляет 2⁰С и выше), которая в среднем за 17 лет (1994-2011 гг.) превысила климатическую норму (9,32⁰С; 10,1⁰С) соответственно по данным двух климатических зон территории КБР.

Знание зависимости урожайности сельскохозяйственных культур от природно-климатических факторов представляет интерес и для принятия научно обоснованных решений при планировании производства сельскохозяйственной продукции и проведении других мероприятий, связанных с функционированием АПК.

На продуктивность растений оказывает влияние множество факторов, в том числе природных, но можно однозначно утверждать, что влияние таких природных факторов как режим осадков, температурный режим воздуха и почвы, влажность воздуха и скорость ветра являются наиболее важными в жизнедеятельности растений. Зависимость урожайности сельскохозяйственной культуры от изменения приведенных метеорологических факторов можно представить с помощью следующей формулы:

, (3)

где - урожайность сельскохозяйственной культуры; - соответственно суммарное количество осадков, средняя температура воздуха, минимальная температура почвы, средняя относительная влажность воздуха и максимальная скорость ветра по сезонам; - коэффициенты регрессии.

Часто из-за некоторых аномальных явлений (заморозки, град, засуха, сильные грозовые дожди, смерч, затопление) происходит потеря урожайности сельскохозяйственной культуры. Пусть - коэффициент влияния аномалии на урожайность культуры. Если , то отсутствуют аномальные явления и никакого влияния на урожайность не оказывается. Если , то происходит полное уничтожение урожая. Тогда с учетом этого фактора уравнение (3) запишется в виде:

. (4)

В зависимости от рассматриваемой сельскохозяйственной культуры, озимые или яровые, в модели корреляционной связи можно сделать некоторые уточнения. Для озимых культур можно опустить значения метеопараметров в летнее время, а для яровых культур в зимние. Есть сельскохозяйственные культуры с коротким сроком вегетации, тогда рассматриваются только весенне-летние значения метеопараметров, а для других летне-осенние.

При благоприятных условиях предлагаются модели корреляционной связи урожайности озимой пшеницы в трех состояниях (в предгорной зоне без орошения, степной зоне без орошения и степной зоне с орошением). Посев озимой пшеницы осуществляется поздней осенью, а уборка в конце июля и в начале августа. Учитывая это, вместо сезонных летних и осенних значений метеопараметров можно использовать их месячные значения за июнь, июль и ноябрь месяцы. Уравнение зависимости урожайности озимой пшеницы в предгорной зоне без орошения от изменения сезонных значений осадков, температуры воздуха, температуры почвы, влажности воздуха и скорости ветра по данным метеостанции Нальчик представим в виде:

где - урожайность озимой пшеницы; - суммарное количество осадков по сезонам (зимой, весной, летом и осенью); - среднесуточная температура воздуха; - минимальная температура почвы; - средняя относительная влажность воздуха; - максимальная скорость ветра.

Как можно заметить, урожайность озимой пшеницы в рассматриваемом районе в более существенной степени зависит от температуры воздуха по всем сезонам и значительно меньше от суммарного количества осадков.

В работе выполнены исследования зависимости урожайности основных сельскохозяйственных культур (озимая пшеница, овес, просо, кукуруза, подсолнечник, гречиха, картофель, овощи) в трех приведенных состояниях на территории Кабардино-Балкарской республики от природных факторов в соответствии с вегетационным периодом каждой сельскохозяйственной культуры.

Прогнозирование урожайности сельскохозяйственных культур осуществляется с учетом прогнозных значений метеорологических культур, полученных в третьей главе.

На рисунке 6 приведены фактические и прогнозные значения урожайности озимой пшеницы в предгорной зоне КБР в период с 2003 по 2017 год.

Рисунок 6 Фактические (синяя) и прогнозные (красная пунктирная) значения урожайности озимой пшеницы в предгорной зоне без орошения

Как можно заметить на этом рисунке, урожайность озимой пшеницы на всем интервале упреждения в целом остается достаточно высокой. При этом ее рост наблюдается в период 2005-2012 гг., затем имеет место равномерное уменьшение до минимального на всем времени упреждения.

Пятая глава посвящена результатам использования метода нечеткой логики для разработки компьютерной модели зависимости урожайности сельскохозяйственных культур от двух основных метеопараметров: суммарного количества осадков и средней температуры воздуха по сезонам.

В реальности все наблюдения являются нечеткими, всегда отмечаются изменения на интервале.

Рисунок 7 Программа адаптивная нечетко-логическая модель зависимости урожайности от природных характеристик

Суть метода заключается в следующем. Если установить значения метеопараметров по уровням: низкие, средние и высокие, то автоматически выводятся значения урожайности по этим группам.

Определены зависимости продуктивности сельскохозяйственных культур от изменений природно-климатических параметров (тепло и влагообеспеченность) методом нечеткой логики. Для этого построены гауссовские линии для каждого промежутка на входе и выходе (см. рис. 7).

Задаются условия соответствия входных и выходных данных, например, если на входе осадки и температура воздуха низкие (средняя, высокая), то на выходе выдается урожайность низкая (средняя, высокая). Это зависит от реальных значений входных и выходных данных

Из рисунка 8 видно, что программа-модель позволяет при задании прогнозных значений метеопараметров получить возможное значение урожайности сельскохозяйственной культуры. В этом случае выставляются значения метеопараметров за каждый промежуток: сезонные, месячные или декадные (гауссовские линии, закрашенные желтым цветом) и на выходе определяется возможное значение урожайности (синий цвет).

Рисунок 8 Результаты расчета зависимости урожайности (синий цвет) от природных характеристик (желтый цвет)

По результатам исследования определяем год-аналог соответствующий значению урожайности сельскохозяйственной культуры. Если в найденном году имелись критические метеорологические значения, то необходимо провести дополнительные исследования по предотвращению повторений.

В шестой главе исследуется влияние изменения климатических характеристик на рост и развитие яровых однолетних двудольных культур в весенне-летний и летне-осенний сроки выращивания.

С целью выбора направления использования урожая для достоверного прогнозирования его маркетинга, нами за период 2003-2009 гг. были определены параметры изменений температурного режима и режима осадков в степной зоне по срокам от весеннего равноденствия до летнего солнцестояния и от 22 июня до 22 сентября (осеннего равноденствия). В эти сроки, при равных по продолжительности периодах по-разному складывается режим температуры воздуха (см. рис. 9). Так, значение температуры в весенне-летнем интервале с 22 марта по 22 июня идет с нарастанием от 7,4⁰С до 22⁰С, а в летне-осеннем - со снижением от 22,7⁰С в июне до 17,9⁰С в конце сентября. То есть амплитуда средних многолетних изменений температуры в левой границе графика составляет 14,6⁰С и в правой 4,8⁰С, а по тренду соответственно 17⁰С и 1⁰С.

Рис. 9 Кривые температуры воздуха по периодам вегетации с соответствующими уравнениями

Изменения выпадающих осадков носят случайный характер. Так, в оба периода отмечаются максимальные значения, которые в весенне-летнее время на 22-37% больше, чем в летне-осеннее. В свою очередь, минимальные суммы осадков по отдельным декадам первой половины вегетационного периода на 14-31% больше, чем во второй декаде. То есть, по влагообеспеченности летне-осенний период в среднем на 25-30% ниже весенне-летнего, что в определенной степени сказывается в последующем на посевах яровых однолетних культур. На качестве урожая также сказывается режим относительной влажности воздуха. Так, в июне этот показатель на 3-7% ниже, чем в сентябре.

Выполнен анализ влияния изменения климатических характеристик на культуры короткого срока вегетации, в частности, на каштановых почвах (в аридных условиях) Центрального Предкавказья.

В степной зоне Кабардино-Балкарии возделывается свыше 42% зерновых и более 70% масличных культур преимущественно короткого срока вегетации, например, рапс, лен кудряш. Каштановые почвы степной зоны широко распространены в северо-восточных равнинных районах, подверженных воздействию сухих восточных ветров. Средняя многолетняя годовая сумма осадков составляет здесь менее 400 мм при относительной влажности воздуха, опускающейся ниже 35%, особенно в ранневесенний период. При неустойчивом и маломощном снежном покрове и низкой относительной влажности воздуха осенне-зимне-весенние осадки восполняют менее чем на 25% потерю влаги за вторую половину лета - начало осени. Отмечается даже потеря почвенной влаги, а не ее восполнение в холодное время. Так, за период с августа 2002 по март 2003 гг. влажность метрового слоя почвы была на уровне 13-15%, а в начале вегетации (в первой декаде апреля 2003 года) 12-14%, что близко к уровню мертвого запаса.

В связи со значительной экстремальностью условий земледелия и растениеводства в степной зоне актуальной становится проблема совершенствования структуры посевов с насыщением севооборотов культурами короткого срока вегетации, способных дать урожай в благоприятный период. В числе таких культур выделяются, в первую очередь, крестоцветные масличные, а также лен кудряш, амаранты: метельчатый, багряный и другие.

Несмотря на складывающиеся экстремальные условия увлажнения в зоне каштановых почв, здесь, на богарных землях, доминируют посевы озимых культур в расчете эффективного использования зимних осадков. В то же время представляет значительный интерес возделывание яровых холодостойких культур в основных и промежуточных (пожнивных) посевах. Ввиду высокого спроса на семена таких культур из-за повышенного содержания масел, а также на кормовую ценность зеленой массы в условиях рыночных отношений это позволяет держать растениеводство на рентабельном уровне.

Материалами для оценки условий вегетации и продуктивности культур явились результаты ежегодных стационарных наблюдений за метеоусловиями на метеостанциях степной зоны (МС Прохладный и Терек) и посевами яровых однолетних культур в опытно-производственных масштабах. Измерения и учет проводились в соответствии со стандартными методиками, используемыми в земледелии и растениеводстве.

Опыт таких хозяйств, как колхоз им. Петровых и ООО Инновационно-производственная агрофирма «Отбор» Прохладненского района Кабардино-Балкарской республики, показывают, что из числа культур с коротким сроком вегетации высшей продуктивностью и уровнем стабильности по годам возделывания выделяются озимый рапс, озимые ячмень и пшеница. Коэффициент вариации урожайности этих культур за последние 25 лет составили соответственно 12,6; 14,3 и 15,1%. При этом, выращивание озимого рапса на зеленый корм обеспечивает повышение стабильности уровня продуктивности на 6,8 % (коэффициент вариации равен 5,8 %) по сравнению с урожаем маслосемян. В свою очередь, яровой рапс в весенних посевах имеет коэффициент вариации урожая зеленой массы за тот же срок возделывания 11,7 %, а маслосемян - 16,4 %. В пожнивных посевах коэффициент вариации урожая составил соответственно 18,3 % зеленой массы и 24,8 % - семян. При этом урожай зеленой массы составил 28,5 т/га в основных весенне-летних посевах и 19,7 т/га в промежуточных летне-осенних. Урожай семян в первом случае в среднем за срок наблюдений составил у ярового рапса 1,66 т/га, а во втором три года зрелые семена получали по 25 т/га.

Из числа испытываемых яровых культур короткого срока вегетации в летне-осенних посевах созревание семян и их полноценность, с точки зрения посевных качеств, отмечены у горчицы сарептской. Как правило, лишь один год из шести, всхожесть семян горчицы сарептской из посевов летне-осеннего срока вегетации была ниже на 40 % при энергии прорастания свыше 50 %. В остальные пять лет всхожесть семян горчицы в пожнивных посевах превышала 60 %, а в 1998 г. и 2004 г. 85 и 91% соответственно.

У редьки масличной, льна кудряша (масличного), амаранта метельчатого и багряного полученные в пожнивных посевах семена отличаются низкой (менее 30%) всхожестью и малой (менее 20%) энергией прорастания. При этом формирование семян с такими качествами отмечалось в среднем один раз в 4 года.

Отмечается, что при летне-осенних посевах жира в семенах крестоцветных культур и льна масличного накапливается меньше, чем при весенне-летних. При этом наибольшая разница в содержании жиров в полученных семенах в зависимости от сроков вегетации отмечена у льна кудряша, и она составила 9-13 %.



Рисунок 10 Кривые среднедекадного количества осадков по периодам вегетации с соответствующими уравнениями трендов (2000-2009 гг.)

В зоне каштановых почв ведущими факторами, определяющими продуктивность яровых культур с коротким сроком вегетации в основных и промежуточных посевах, являются режим осадков и температура почвы. Анализ этих показателей за весенне-летний (с 22 марта по 22 июня) и летне-осенний (с 22 июня по 22 сентября) сроки вегетационного периода приведены на рисунках 10 и 11.

Для разработки рекомендации по оптимизации структуры посевов на каштановых почвах проведен анализ режима увлажнения за счет выпадающих осадков и длительности срока вегетации для яровых культур за последние 25 лет. Такая работа позволила выявить уровень вероятности получения полноценного по качеству и массе урожая культур разного срока спелости.



Рисунок 11 Кривые среднедекадной максимальной температуры на поверхности почвы по периодам вегетации с соответствующими уравнениями трендов

Из рисунка 11 по характеру трендов видно, что в весенне-летний период до середины третьей декады происходит незначительное уменьшение осадков, затем, к концу этого срока (к третьей декаде июня), повышение в 2,5-3 раза. Ко времени окончания первого периода среднее декадное количество осадков достигает 33 - 34 мм, что находится на уровне среднедекадного расхода влаги из почвы вегетирующими травянистыми растениями.

В летне-осенний период до 6 декады количество осадков повышается, но не достигает уровня, отмеченного в первый период, а затем происходит стабилизация на уровне менее 20 мм в декаду. При этом средний декадный максимум за летне-осенний период составляет всего 17,5 мм или почти в 2 раза меньше уровня, отмеченного на этот период в первый срок вегетации.

Режим выпадения осадков в рассматриваемых условиях характеризуется различной частотой в первой и второй половинах вегетации. Так, в весенне-летний период частота выпадения осадков более чем в два раза выше в летне-осенний период. При этом сумма выпадающих осадков в первый срок также превышает аналогичный показатель во второй срок. Из приведенных данных следует, что в первые 9 декад вегетационного периода отмечалось два случая выпадения осадков, в сумме составляющих менее 10 мм за декаду, а во втором - пять случаев. В свою очередь, продолжительность бездождевых периодов в весенне-летний срок вегетации составила 17 дней (с 14 мая по 2 июня 2007 года), а в летне-осенний - свыше 22 дней практически ежегодно (обычно с 8-10 июля по 1-3 августа). Повторяемость бездождевых периодов в первую половину вегетационного срока составила один раз, а во вторую 8 раз за последние 10 лет. С учетом повторяемости и глубины засушливых периодов в разные сроки вегетации вероятность подверженности засухе посевов весенне-летнего срока выращивания в 2,2 - 3,7 раза ниже, чем летне-осеннего срока. Косвенным показателем степени засухи в разные сроки вегетации может служить максимальная температура поверхности почвы (рис. 11). Так, в летне-осенний срок вегетации максимальное нагревание почвы на 22⁰С превышает аналогичные значения за весенне-летний срок.