Abstrakt
Měsíční srážky a tříměsíční standardizovaný srážkový index (SPI) byly použity k odhalení průběhu srážek a četnosti velkého sucha na Východoevropské rovině v období 1953-2011 v opačných fázích kvazibienální oscilace (QBO). Rozdíly v četnosti srážek a závažného sucha v květnu a červnu v západní a východní fázi QBO jsou vysvětleny cirkulačními změnami. Analýza naznačuje méně častý výskyt silného sucha nad Ukrajinou a ve středu evropské části Ruska v květnu v západní fázi QBO v důsledku zesílení dráhy bouří nad Východoevropskou nížinou. Povětrnostní podmínky v květnu a v červnu v letech západní fáze QBO byly pro úrodu příznivější. Rozdíl výnosu jarní pšenice v západní a východní fázi QBO převyšuje stejný rozdíl výnosu ozimé pšenice v oblasti středního Černozemí a v jižních oblastech. Ukrajina a oblast na východ od Azovského moře jsou nejzranitelnějšími oblastmi se zvýšeným rizikem velkého sucha během aktivního vegetačního období na přelomu 20. a 21. století.
1. Úvod
Sucho jako přírodní jev dlouhodobě ovlivňuje ekosystémy a způsobuje katastrofální škody na životním prostředí a lidské činnosti. Formálně je sucho spojeno s dočasným snížením celkového obsahu vláhy v důsledku nedostatku srážek; doprovází také anticyklonální činnost. Sucho je však komplexní jev a riziko jeho výskytu není způsobeno pouze klimatickými faktory.
Studium procesů iniciujících sucho odhaluje příčiny sucha, jeho genezi a mechanismy pozitivní/negativní zpětné vazby. Jako ovlivňující faktory byly identifikovány velkoplošné atmosférické mechanismy související s režimy proměnlivosti klimatu a anomálie teploty povrchu moře (SST). Mezi různými vlivy byly odhaleny oscilace El-Nino/Jižní oscilace, severoatlantická oscilace, teplota povrchu moře v severním Atlantiku a kvazibienální oscilace. Kvazibienální oscilace globálních atmosférických procesů však významně ovlivňuje nejvyšší frekvenční složku klimatického systému.
Je známo, že QBO ovlivňuje atmosférickou cirkulaci v mírných zeměpisných šířkách a její vliv se šíří k zemskému povrchu. Pravidelná měření středních zonálních složek větru provádějí radiosondážní stanice rovníkového pásu od roku 1953. Perioda oscilace je přibližně 28 měsíců . Větry ve východní fázi QBO jsou přibližně dvakrát silnější než ve fázi západní. Jako součást globální atmosférické cirkulace je kvaziperiodická oscilace rovníkového zonálního větru v tropické stratosféře (kvazibienální oscilace (QBO)) dominantním způsobem meziroční proměnlivosti stratosféry v tropech. Mechanismus, který zahrnuje interakci vnitřních rovníkových gravitačních vln s rovníkovým stratosférickým zonálním větrem , byl následně objasněn v mnoha studiích. Mechanismus vlivu QBO na klima však není definitivně objasněn .
Signál cyklu QBO byl zjištěn nejen v proměnlivosti stratosférického zonálního a meridionálního větru, teploty a geopotenciální výšky (např, ), ale také v jeho vlivu na přízemní meteorologické parametry, např. teplotu vzduchu , srážky a sněhovou pokrývku .
V předchozích studiích byl významný signál QBO zjištěn v zářijových a říjnových srážkách v období od roku 1953 do 80. let 20. století v oblasti Britských ostrovů, ve středoevropském regionu a v Bělorusku. Oblasti východní Ukrajiny a přilehlé oblasti Ruska měly významný signál QBO ve srážkách v květnu . Existuje mnoho studií o zjišťování kombinovaného vlivu kvazibienální oscilace a jedenáctiletého slunečního cyklu na průběh srážek a výnosy plodin . V našem výzkumu však podobný vztah zjištěn nebyl.
Proto jsme výběr studie omezili pouze na zohlednění QBO.
Výnosy obilovin jsou určeny především úrovní zemědělských postupů (technologií), typem půdy a klimatem. Pásmo obilovin Východoevropské nížiny se nachází na území s nízkými vodními zdroji a nestabilními vláhovými podmínkami. Za těchto okolností je velmi důležitá předpověď možného vlivu měnících se povětrnostních a klimatických faktorů na výnosy plodin. Proměnlivost výnosů obilovin a kolísání sezónních srážek na evropské části bývalého SSSR byly zkoumány pod vlivem kvazibienální oscilace v předchozích studiích .
V této studii jsme rozšířili období předchozích studií, včetně období náhlé změny klimatu (na konci 20. století a na začátku 21. století). Byly odhaleny regionální zvláštnosti jarních a letních srážek, sucha a výnosů obilovin na jihu Východoevropské nížiny pod vlivem kvazibienální oscilace globálních atmosférických procesů. We also investigate circulation differences in the westward and eastward QBO phases, which may be the cause of differences in precipitation and dry.
Účelem této práce je zkoumání možného vlivu kvazibienální oscilace na variabilitu sezónních srážek, četnost jarně-letního atmosférického sucha a výnosy obilovin nad Východoevropskou nížinou a výzkum cyklonové a anticyklonové aktivity v mírných zeměpisných šířkách v obou fázích QBO.
2. Data a metody
V centru pozornosti této studie jsou hlavní obilnářské oblasti Ukrajiny a evropské části Ruské federace (EPR, území Ruska na západ od pohoří Ural), které se nacházejí na území citlivém na sucho Východoevropské roviny (jižně od 54° s. š.) (obr. 1). Území zahrnuje různé krajinné zóny: polopoušť, suchou a typickou step, jižní a typickou lesostep, bažinaté lesy a listnaté lesy.
Měsíční data o srážkách s gridovým rozlišením 0,5° × 0,5° byla převzata z globální měsíční datové sady CRU TS 3.21 (http://badc.nerc.ac.uk/) za účelem zkoumání variací množství srážek v obou fázích QBO. Data standardizovaného srážkového indexu (SPI) s rozlišením sítě 1° byla získána z globální měsíční datové sady Národního centra pro atmosférický výzkum (http://rda.ucar.edu/) a byla použita k analýze intenzity atmosférického sucha. Podle Thomova výzkumu odpovídá gama rozdělení pozorovaným časovým řadám srážek. Kumulativní pravděpodobnost pozorovaných srážek byla transformována na standardní normální rozdělení se střední hodnotou nula pro výpočet hodnot SPI v každém uzlu pravidelné sítě. Záporné hodnoty označují méně než medián srážek a suchá období: 0 až -0,99 – mírné sucho, -1 až -1,49 – mírné sucho, -1,5 až -1,99 – silné sucho a -2 a méně – extrémní sucho. McKee et al. původně vypočítali SPI pro různá časová měřítka od 3 měsíců do 48 měsíců. Pro tuto studii byly použity tříměsíční časové řady SPI. Těžká květnová a červnová sucha jsou v centru pozornosti této studie, protože potenciálně způsobují velké ztráty výnosů. Četnost sucha v každé buňce sítě byla vypočtena jako poměr počtu let se suchem k celkovému počtu let. Trend silného sucha v každém uzlu mřížky byl vypočten jako lineární regresní koeficient časové řady SPI (kde hodnoty SPI nad -1,5 byly nahrazeny nulou).
Fáze QBO pro období 1953-2011 jsme určili podle směru rovníkového větru 30 hPa od dubna do června (soubor dat Freie Universität Berlin, https://climatedataguide.ucar.edu/). Kladná rychlost větru je spojena se západní fází QBO a záporná s východní fází. Výsledkem je, že západní fáze pro období 1953-2011 zahrnuje 28 let a východní fáze zahrnuje 31 let. Údaje o SPI, srážkách a výnosu plodin byly kategorizovány podle těchto fází kvazibienální oscilace.
Je dobře známo, že srážky během vegetace hrají klíčovou roli pro fenologii rostlin jako nejdůležitější faktor produktivity. Jarní obiloviny (včetně jarní pšenice a jarního ječmene) jsou na jihu Východoevropské nížiny citlivé na atmosférické sucho na počátku vegetačního období a ve fázi zralosti jsou vůči suchu odolnější . Zemědělské metody v bývalém Sovětském svazu se v 80. letech minulého století výrazně zlepšily. Ve studii byly zkoumány roční výnosy ozimé pšenice, jarní pšenice a jarního ječmene zprůměrované v oblastech Ukrajiny a Ruska podle zemědělské statistiky (http://agroua.net/statistics/, http://www.gks.ru/).
Pro analýzu polohy synoptických vírů byla použita denní data geopotenciální výšky izobarické hladiny 1000 hPa z reanalýzy NCEP/NCAR (prostorové rozlišení 2,5°) . Pro charakterizaci velikosti synoptického víru byla v této studii uvažována plocha oblasti uvnitř maximální vnější uzavřené ohraničující kontury. Definice centra cyklóny/anticyklóny je taková, že jeho poloha by neměla odpovídat buňce sítě, kde je lokalizována minimální hodnota sítě (podrobnosti viz ). Dlouhodobá průměrná relativní četnost synoptických vírů v uzlu mřížky 5° × 5° byla určena jako podíl času, kdy se centrum víru nachází v buňce 5° × 5° se středem v uzlu.
V této studii jsme se pokusili porovnat průběh četnosti silného sucha, průběh srážek a průběh synoptických vírů v opačných fázích QBO nad Východoevropskou nížinou na začátku vegetačního období (vegetace) pro plodiny pšenice a ječmene a odhalit významné rozdíly. Pro stanovení statistické významnosti rozdílů srážek a výnosů byl použit -test pro nezávislé výběry podle skupin (na hladině pravděpodobnosti 0,95). Statistická významnost rozdílů ve fázích QBO z hlediska četnosti sucha byla stanovena pomocí Fisherova exaktního testu, který se nejčastěji používá pro dichotomické nominální proměnné.
3. Výsledky a diskuse
Předchozí studie odhalila, že sucho nad Východoevropskou nížinou se vyskytuje při následujících globálních vzorcích atmosférické cirkulace: (i)Arktická vzduchová hmota vytvořená za studenou frontou atlantické cyklóny zasahuje do západní a střední části Východoevropské nížiny. Vytváří se oblast vysokého tlaku vzduchu, která v teplém období spojuje arktickou anticyklonu s jižní anticyklonou. Rozsáhlé sucho vyskytující se za těchto podmínek se častěji objevuje na jihu evropské části Ruska. ii)Když arktická vzduchová hmota zasahuje do oblasti Atlantiku nebo západní Evropy, pak se vytváří větev Azorské anticyklóny, která postupuje na východ až na jih západní Sibiře. Za těchto podmínek se rozsáhlé sucho vyskytuje častěji na Ukrajině. iii)Sucho nad EPR nebo Ukrajinou může vzniknout v důsledku několika anticyklon, které zůstaly po zničení větve Azorské anticyklony nebo oblasti vysokého tlaku nad východem evropského Ruska.
Průměrná četnost výskytu atmosférického sucha v letech 1953-2011 na jihu Východoevropské nížiny v květnu a v červnu v obou fázích QBO podle údajů SPI je znázorněna na obr. 2. Nejvyšší četnost sucha v květnu a v červnu v období 1953-2011 se vyskytovala v západní fázi QBO v severní kaspické oblasti (až 6 % případů v květnu a až 10 % v červnu), v jižním Předuralsku (až 10 % v květnu a až 12 % v červnu), ve stepích na Volze (až 6 % v květnu a až 10 % v červnu), na západě Ukrajiny (až 8 % v květnu) a na východě Ukrajiny (až 6 % v květnu a až 8 % v červnu) (obr. 2(a) a 2(b)). Průměrná četnost epizod silného sucha na jihu Východoevropské nížiny ve východní fázi QBO byla vyšší než četnost v západní fázi (obr. 2(c) a 2(d)). Silné sucho s nejvyšší opakovatelností v květnu bylo pozorováno na celém jihu Východoevropské nížiny ve východní fázi QBO: ve středu Ukrajiny až 12 %, v oblasti Azovského moře až 14 % a severozápadně od Kaspického moře až 14 % (obr. 2(c)). Nejvyšší četnost silného sucha v červnu ve východní fázi pozorována na východě Ukrajiny (až 10 %) a na území mezi Černým a Kaspickým mořem (až 10 %) (obr. 2(d)). Četnost sucha na Volze a v jižním Předuralsku ve východní fázi QBO nepřesáhla 6 % v květnu (obr. 2(c)) a 3 % v červnu (obr. 2(d)).
Jak ukazují obr. 3(a) a 3(b), vyšší srážky na Ukrajině a na jihu evropské části Ruska byly pozorovány v květnu a červnu v západní fázi QBO. Výrazné rozdíly ve srážkách v květnu v západní/východní fázi jsou lokalizovány na střední Ukrajině (rozdíly od 27 % do 59 %), na západě centrální černozemní oblasti Ruska (rozdíly od 27 % do 37 %) a v povodí dolního Donu (od 33 % do 58 %). Rozdíly v množství srážek v červnu v obou fázích QBO jsou významné pouze v malých oblastech na sever od Kaspického moře. Naše výsledky jsou v souladu s předchozími studiemi .
Obrázek 3c) ukazuje, že nižší četnost velkého sucha v květnu v západní fázi QBO ve srovnání s východní byla pozorována na jihu Východoevropské nížiny (s výjimkou malých oblastí). Výrazné rozdíly v četnosti výskytu velkého sucha v květnu byly zjištěny na střední Ukrajině (rozdíly od 13 do 16 velkých such na 100 let) a na sever od Kaspického moře (rozdíly od 13 do 20 velkých such na 100 let). Analýza ukázala, že stejná četnost v červnu je nižší na severu Ukrajiny (rozdíly od 9 do 12 případů silného sucha za 100 let), na západě středočernozemského regionu (rozdíly do 9 případů silného sucha za 100 let) a v Rostovské oblasti a v Krasnodarském kraji (rozdíly do 9 případů silného sucha za 100 let), ale je vyšší v oblasti Volhy (rozdíly do 11 případů silného sucha za 100 let). Významné rozdíly však byly zjištěny pouze v malých oblastech na západě Středočernozemě a na severu Ukrajiny.
Přestože oblasti významných rozdílů jsou poměrně kompaktní, je třeba poznamenat, že prostorová koherence znaménka rozdílu v rozsáhlých oblastech silně naznačuje vliv fáze QBO na srážky i sucho.
V období aktivních klimatických změn v letech 1991-2011 byly identifikovány vícesměrné koeficienty lineárního trendu silného sucha ve Východoevropské nížině v obou fázích QBO (obr. 4(a), 4(b), 4(c) a 4(d)). Nejvyšší míra nárůstu počtu sucha byla zjištěna ve východní fázi QBO: největší negativní trendy v květnu byly odhaleny na Ukrajině (s výjimkou západních oblastí) (obr. 4(c)) a podobné trendy v červnu byly identifikovány ve středu Ukrajiny, na východ od Azovského moře a v oblasti Volhy (obr. 4(d)). Negativní trendy v západní fázi QBO byly odhaleny pouze v květnu na severu Ukrajiny (obr. 4(a)).
Zvýšení výnosu jarní pšenice v evropské části Ruska v průměru za roky západní fáze QBO je v souladu s nárůstem srážek a snížením četnosti velkého sucha nad Východoevropskou nížinou pozorovaným ve stejném období. Největší nárůst výnosu jarní pšenice byl zjištěn v západních oblastech EPR (35,5 % v Brjanské oblasti, 25,9 % v Belgorodské oblasti, 26,8 % v Rostovské oblasti, 23,9 % ve Volgogradské oblasti a 23,3 % ve Voroněžské oblasti) a klesal směrem na severovýchod (obr. 5a). Průběh výnosů ozimé pšenice v obou fázích QBO je méně konzistentní s průběhem srážek a velkého sucha ve srovnání s výnosy jarní pšenice (obr. 3 a 5(b)). Tento efekt lze vysvětlit tím, že nebyly analyzovány důležité povětrnostní podmínky vegetace pro vegetační období na podzim a zimní podmínky pro sklizeň pšenice ozimé. Největší nárůst výnosu ozimé pšenice v průměru na roky se západní fází QBO ve srovnání se stejným výnosem ve východní fázi byl zjištěn v Uljanovské oblasti (21,3 %), v Republice Tatarstán (21,8 %) a v Luhanské oblasti (21,4 %). Významný rozdíl ve výnosu ozimé pšenice v obou fázích byl zjištěn pouze v Luhanské oblasti. Výsledky jsou v souladu s předchozími studiemi variability výnosů ozimé a jarní pšenice ve fázích QBO . Všimněme si, že udržitelnost signálu QBO v různých regionech byla dána studovaným obdobím.
(a)
(b)
(c)
.
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
Výsledky porovnání oblastí zvýšených srážek a výnosu jarního ječmene a oblastí poklesu četnosti sucha v západní fázi QBO v období 1958-2011 se shodují (obr. 3 a 5c). Hlavní nárůst výnosu jarního ječmene v západní fázi QBO byl zaznamenán v Baškirské republice (30 %), v Rostovské oblasti (28,3 %), v Rjazaňské oblasti (26,8 %), v Kalmycké republice (26,9 %) a v Luhanské oblasti (27,6 %) (obr. 5c)).
Výnos obou typů pšenice v evropské části Ruska v západní fázi QBO převyšuje v období 1953-2011 stejný výnos ve východní fázi v centrální černozemní oblasti (o 3-10 %) a v jižních oblastech (o 5-12 %) (obr. 5(d)). Větší rozdíl u jarní pšenice souvisí s její citlivostí na nedostatek srážek a sucho během aktivního vegetačního období v květnu na Východoevropské rovině.
Zvýšené zvlhčení na jihu Východoevropské roviny v květnu v období 1953-2011 v západní fázi QBO lze vysvětlit rozdílem v cyklonální aktivitě v opačných fázích QBO (obr. 6). Hlavní bouřková dráha v regionu je lokalizována zonálně kolem 50° s. š. nad Ukrajinou; v obou fázích QBO je v květnu posunuta severozápadním směrem na přibližně 35° v. d. V západní fázi QBO však dráha bouře výrazně zesílila a nejvyšší četnost cyklon se přesunula ze západu na východ Ukrajiny do oblasti Poltavy a Charkova (oblast I na obr. 6(a)). Kromě toho mělo zesílení a rozšíření dráhy bouře za následek zvýšení hustoty cyklonových center na jihu EPR v Rostovské oblasti a v Krasnodarském kraji (oblast II na obrázku 6(a)). Srážky jsou spojeny s přechodem cyklóny; způsobily zvýšenou vlhkost na jihu východoevropského Ruska v západní fázi QBO. Všimněte si, že významný rozdíl v četnosti výskytu cyklon v červnu nebyl zjištěn (není znázorněno).
(a)
(b)
(a)
(b)
.
Analyzovali jsme změny atmosférické cirkulace pomocí průměrných charakteristik anticyklonální aktivity (kompozitů), abychom vysvětlili zvýšenou a sníženou vlhkost. Byl pozorován pokles vlhkosti ve Voroněžské oblasti, Rostovské oblasti, Volgogradské oblasti, Astrachaňské oblasti a Kalmycké republice v květnu a červnu v západní fázi QBO. Zvýšený obsah vlhkosti se vyskytoval na severním Kavkaze a v jižním Předuralsku. Snížená suchost v květnu je spojena s nižší četností anticyklon (oblast M1 na obr. 7a) spolu s vyšší četností opakování cyklon (obr. 6a). Zároveň byla pozorována vyšší četnost anticyklony v západní fázi na severním Kavkaze (oblast M2 na obr. 7(a)).
Frekvence anticyklony v jižním Předuralsku v květnu v obou fázích QBO je přibližně stejná, ale velikosti anticyklony jsou zde větší, a proto jsou zde na větších plochách podmínky příznivé pro sucho. Kromě toho větší a méně pohyblivé anticyklony účinně blokují cyklóny na sever od Kaspického moře (oblast III na obr. 6b).
Jak ukazuje obrázek 8, v červnu jsou pozorovány podobné vzorce aktivity anticyklon v opačných fázích (v západní fázi: snížená četnost anticyklon v oblasti J1 (obrázek 8(a)); zvýšená četnost anticyklon v oblasti J2 (obrázek 8(a)); větší cyklony v oblasti J3 (obrázek 8(c))). Maximum oblasti anticyklon ve východní fázi nad východem Ukrajiny téměř nevede k dalšímu zvýšení aridity na jihu Východoevropské nížiny, a to vzhledem k nízké četnosti výskytu anticyklon (obr. 8b) a 8d)).
(a)
(b)
(c)
(d)
.
(a)
(b)
(c)
(d)
Více srážek a méně častý výskyt silného atmosférického sucha nad Východoevropskou nížinou v průměru v letech západní fáze QBO ve srovnání s východní fází v období 1953-2011 vedly k vyšším výnosům jarní pšenice. Pozorované efekty jsou vysvětlovány rozdíly v cirkulaci ve fázích QBO. Přednostní využití jarní pšenice v oblasti středního Černozemí a ve stepích evropské části Ruska v západní fázi proto může snížit zemědělská rizika. V tomto případě lze kvazibienální oscilaci využít jako jeden ze spolehlivých prediktorů. Toto téma však vyžaduje další studium včetně dalších faktorů vlivu na výnosy plodin.
4. Závěr
V období 1953-2011, včetně období aktivních klimatických změn, byl zjištěn významný signál QBO ve srážkách, atmosférickém suchu a výnosech plodin v květnu až červnu na jihu Východoevropské nížiny. Největší oblasti významných rozdílů četnosti srážek a sucha ve fázích QBO byly identifikovány v květnu. Více srážek a menší četnost sucha v květnu a červnu (s výjimkou oblasti severně od Kaspického moře) bylo pozorováno na jihu Východoevropské nížiny v západní fázi QBO ve srovnání s východní fází QBO. Výrazné rozdíly ve srážkách v květnu v západní/východní fázi byly lokalizovány na střední Ukrajině, v západní části centrálního Černozemí v Rusku a v povodí dolního Donu. Méně rovnoměrný průběh srážek na jihu Východoevropské nížiny byl zjištěn v červnu. Výrazné rozdíly v četnosti výskytu silného sucha v květnu byly zjištěny na střední Ukrajině a severně od Kaspického moře. Analýza ukázala, že stejná četnost v červnu je nižší na severu Ukrajiny, na západě centrálního Černomoří, v Rostovské oblasti a v Krasnodarském kraji, ale je vyšší v Povolží.
Trendy silného sucha ve Východoevropské nížině v obou fázích QBO v období aktivních klimatických změn v letech 1991-2011 byly zároveň prostorově nejednotné. Největší trendy nárůstu sucha v květnu a červnu na Ukrajině (především v centrálních oblastech) a v oblasti východně od Azovského moře se projevily ve východní fázi QBO. Trendy stejného znaménka v západní fázi QBO byly zjištěny pouze na Ukrajině. Ukrajina a oblast na východ od Azovského moře tak byly identifikovány jako nejzranitelnější oblasti se zvýšeným rizikem výskytu velkého sucha během aktivní vegetační sezóny na přelomu 20. a 21. století na jihu Východoevropské nížiny.
Rozdíly v četnosti srážek a velkého sucha v květnu a červnu v období 1953-2011 ve fázích QBO jsou vysvětlovány rozdíly v cirkulačních vzorcích v západní a východní fázi QBO. Zintenzivnění dráhy bouří nad Východoevropskou nížinou v květnu v západní fázi QBO má za následek pokles zvlhčení na Ukrajině a v centru evropské části Ruska. Spolu s tím je zvýšená suchost v oblasti Volhy a jižního Předuralí v květnu a v červnu spojena s vyšší četností a/nebo silnějšími rozsáhlými anticyklonami.
Počasí v květnu a v červnu v letech západní fáze QBO v období 1953-2011 bylo příznivější pro úrodu. Průměrný výnos ozimé pšenice, jarní pšenice a jarního ječmene na jihu Východoevropské nížiny v západní fázi QBO v období 1953-2011 převyšoval stejný výnos ve východní fázi. Rozdíl výnosu jarní pšenice v evropské části Ruska v západní fázi QBO převyšuje v období 1953-2011 stejný rozdíl ve východní fázi v oblasti středního Černozemí (o 3-10 %) a v jižních oblastech (o 5-12 %). Vyšší rozdíl u jarní pšenice souvisí s její citlivostí na nedostatek srážek a sucho během aktivního vegetačního období na Východoevropské rovině.
Konflikt zájmů
Autoři prohlašují, že v souvislosti s publikací tohoto článku nedošlo ke konfliktu zájmů.
Poděkování
Studie byla provedena za finanční podpory programu přijatého Ruskou akademií věd „Desertifikace suchých oblastí na jihu Ruska v kontextu s klimatickými změnami“
.