Abstract
Monatsniederschläge und der 3-monatige standardisierte Niederschlagsindex (SPI) wurden verwendet, um die Muster der Niederschläge und der Häufigkeit schwerer Dürren über der osteuropäischen Ebene im Zeitraum 1953-2011 in den entgegengesetzten Phasen der quasibiennialen Oszillation (QBO) aufzuzeigen. Die Unterschiede in der Häufigkeit von Niederschlägen und schweren Dürren im Mai und Juni in den westlichen und östlichen Phasen der QBO-Phasen werden durch Zirkulationsschwankungen erklärt. Die Analyse deutet darauf hin, dass schwere Dürreereignisse über der Ukraine und im Zentrum des europäischen Teils Russlands im Mai in der westwärts gerichteten QBO-Phase weniger häufig auftreten, was auf die Intensivierung des Sturmzuges über der osteuropäischen Ebene zurückzuführen ist. Die Witterungsbedingungen im Mai und im Juni waren in den Jahren der westwärts gerichteten QBO-Phase günstiger für den Ertrag. Die Differenz der Frühjahrsweizenerträge in der westlichen und östlichen QBO-Phase übersteigt die gleiche Differenz der Winterweizenerträge in der zentralen Schwarzerde-Region und in den südlichen Regionen. Die Ukraine und die Region östlich des Asowschen Meeres sind die am stärksten gefährdeten Gebiete mit erhöhtem Risiko einer schweren Dürre während der aktiven Vegetationsperiode am Ende des 20. und zu Beginn des 21. Jahrhunderts.
1. Einleitung
Dürre als natürliches Phänomen beeinträchtigt die Ökosysteme über einen langen Zeitraum und verursacht katastrophale Schäden für die Umwelt und die menschlichen Aktivitäten. Formal gesehen ist eine Dürre mit einer vorübergehenden Abnahme des Gesamtfeuchtigkeitsgehalts aufgrund eines Niederschlagsdefizits verbunden; sie geht auch mit einer antizyklonalen Aktivität einher. Dürre ist jedoch ein komplexes Ereignis, und das Risiko ihres Auftretens wird nicht nur durch klimatische Faktoren verursacht.
Die Prozesse, die Dürre auslösen, werden untersucht, um die Ursachen von Dürre, ihre Entstehung und positive/negative Rückkopplungsmechanismen aufzudecken. Die großräumigen atmosphärischen Mechanismen, die mit den Formen der Klimavariabilität und den Anomalien der Meeresoberflächentemperatur (SST) zusammenhängen, wurden als Einflussfaktoren identifiziert. Unter den verschiedenen Einflussfaktoren wurden die El-Nino/Southern Oscillation, die Nordatlantische Oszillation, die Meeresoberflächentemperatur des Nordatlantiks und die quasibienniale Oszillation ermittelt. Die quasibienniale Oszillation globaler atmosphärischer Prozesse wirkt sich jedoch signifikant auf die höchstfrequente Komponente des Klimasystems aus.
Es ist bekannt, dass die QBO die atmosphärische Zirkulation in den gemäßigten Breiten beeinflusst und sich ihr Einfluss bis zur Erdoberfläche ausbreitet. Regelmäßige Messungen der mittleren zonalen Windkomponenten werden seit 1953 von den Radiosondenstationen des Äquatorialgürtels durchgeführt. Die Periode der Oszillation beträgt etwa 28 Monate. Die Winde in der Ostphase des QBO sind etwa doppelt so stark wie in der Westphase. Als Bestandteil der globalen atmosphärischen Zirkulation ist die quasiperiodische Oszillation des äquatorialen zonalen Windes in der tropischen Stratosphäre (quasibienniale Oszillation (QBO)) der dominierende Modus der interannuellen stratosphärischen Variabilität in den Tropen. Ein Mechanismus, der die Wechselwirkung interner äquatorialer Schwerewellen mit dem äquatorialen stratosphärischen Zonalwind beinhaltet, wurde in der Folge in vielen Studien geklärt. Der Mechanismus des QBO-Einflusses auf das Klima ist jedoch noch nicht endgültig geklärt.
Das Signal des QBO-Zyklus wurde nicht nur in der Variabilität des stratosphärischen zonalen und meridionalen Windes, der Temperatur und der geopotentiellen Höhe (z.B., ), sondern auch in seinem Einfluss auf die meteorologischen Parameter an der Oberfläche, z. B. Lufttemperatur, Niederschlag und Schneebedeckung.
In früheren Studien wurde das signifikante QBO-Signal in den September- und Oktoberniederschlägen im Zeitraum von 1953 bis in die 1980er Jahre in der Region der Britischen Inseln, in der mitteleuropäischen Region und in Weißrussland festgestellt. In den Regionen der Ostukraine und den angrenzenden Regionen Russlands wurde ein signifikantes QBO-Signal bei den Niederschlägen im Mai festgestellt. Es gibt zahlreiche Studien über den Nachweis der kombinierten Auswirkungen der quasibiennialen Oszillation und des 11-jährigen Sonnenzyklus auf Niederschlagsmuster und Ernteerträge. In unserer Untersuchung wurde jedoch kein ähnlicher Zusammenhang gefunden.
Daher haben wir die Auswahl der Studie auf die Betrachtung der QBO beschränkt.
Der Ertrag von Getreidepflanzen wird in erster Linie durch das Niveau der landwirtschaftlichen Praktiken (Technologie), den Bodentyp und das Klima bestimmt. Der Getreidegürtel der osteuropäischen Tiefebene befindet sich in einem Gebiet mit geringen Wasserressourcen und instabilen Feuchtigkeitsbedingungen. Unter diesen Umständen ist die Vorhersage der potenziellen Auswirkungen von sich ändernden Wetter- und Klimafaktoren auf die Ernteerträge sehr wichtig. In früheren Studien wurden die Variabilität der Getreideerträge und die Schwankungen der saisonalen Niederschläge im europäischen Teil der ehemaligen UdSSR unter dem Einfluß der quasibiennalen Oszillation untersucht.
In dieser Studie haben wir den Zeitraum der früheren Studien erweitert und eine Periode abrupter Klimaveränderungen (Ende des 20. und Anfang des 21. Jahrhunderts) einbezogen. Die regionalen Besonderheiten der Frühjahrs- und Sommerniederschläge, der Trockenheit und der Getreideerträge im Süden der osteuropäischen Tiefebene wurden unter dem Einfluss der quasibiennalen Oszillation globaler atmosphärischer Prozesse aufgezeigt. Wir untersuchen auch Zirkulationsunterschiede in den westlichen und östlichen QBO-Phasen, die die Ursache für Unterschiede bei Niederschlag und Trockenheit sein könnten.
Die Ziele dieser Arbeit sind die Untersuchung des möglichen Einflusses der quasibiennialen Oszillation auf die Variabilität des saisonalen Niederschlags, die Häufigkeit der atmosphärischen Frühjahr-Sommer-Trockenheit und die Getreideerträge über der osteuropäischen Ebene und die Untersuchung der Zyklon- und Antizyklonaktivität in den gemäßigten Breiten in beiden Phasen der QBO.
2. Daten und Methoden
Die wichtigsten Getreideregionen der Ukraine und des europäischen Teils der Russischen Föderation (EPR, das Gebiet Russlands westlich des Uralgebirges) im trockenheitsempfindlichen Gebiet der Osteuropäischen Tiefebene (südlich von 54°N) stehen im Mittelpunkt dieser Studie (Abbildung 1). Das Gebiet umfasst verschiedene Landschaftszonen: Halbwüste, trockene und typische Steppe, südliche und typische Waldsteppe, sumpfige Wälder und Laubwälder.
Monatliche Niederschlagsdaten mit einer Gitterauflösung von 0,5° × 0,5° wurden dem globalen monatlichen Datensatz CRU TS 3.21 (http://badc.nerc.ac.uk/) entnommen, um die Schwankungen der Niederschlagsmenge in beiden QBO-Phasen zu untersuchen. Die Daten des Standardized Precipitation Index (SPI) mit einer Gitterauflösung von 1° wurden dem globalen monatlichen Datensatz des National Center for Atmospheric Research (http://rda.ucar.edu/) entnommen und zur Analyse der atmosphärischen Trockenheit verwendet. Nach Thoms Untersuchungen passt die Gamma-Verteilung zu den beobachteten Niederschlagszeitreihen. Die kumulative Wahrscheinlichkeit des beobachteten Niederschlags wurde in die Standardnormalverteilung mit einem Mittelwert von Null transformiert, um die SPI-Werte in jedem Knoten des regelmäßigen Gitters zu berechnen. Die negativen Werte weisen auf weniger als den mittleren Niederschlag und Trockenperioden hin: 0 bis -0,99, leichte Trockenheit, -1 bis -1,49, mäßige Trockenheit, -1,5 bis -1,99, schwere Trockenheit und -2 oder weniger, extreme Trockenheit. McKee et al. berechneten den SPI ursprünglich für verschiedene Zeitskalen von 3 Monaten bis 48 Monaten. Für diese Studie wurden 3-monatige SPI-Zeitreihen verwendet. Schwere Dürreperioden in den Monaten Mai und Juni stehen im Mittelpunkt der Studie, da sie potenziell große Ertragsverluste verursachen können. Die Dürrehäufigkeit in jeder Gitterzelle wurde als Verhältnis zwischen der Anzahl der Jahre mit Dürre und der Gesamtzahl der Jahre berechnet. Der Trend der schweren Dürre in jedem Knoten des Gitters wurde als linearer Regressionskoeffizient einer Zeitreihe des SPI berechnet (wobei die SPI-Werte über -1,5 durch Null ersetzt wurden).
Die QBO-Phase für den Zeitraum von 1953-2011 wurde durch die 30-hPa-Äquatorialwindrichtung von April bis Juni definiert (Datensatz der Freien Universität Berlin, https://climatedataguide.ucar.edu/). Eine positive Windgeschwindigkeit ist mit der westwärts gerichteten QBO-Phase verbunden und eine negative mit der ostwärts gerichteten Phase. Daraus ergibt sich, dass die westliche Phase für den Zeitraum 1953-2011 28 Jahre und die östliche Phase 31 Jahre umfasst. Die SPI-, Niederschlags- und Ertragsdaten wurden entsprechend diesen Phasen der quasibiennialen Oszillation kategorisiert.
Es ist bekannt, dass die Niederschläge während der Vegetationsperiode die Schlüsselrolle für die Pflanzenphänologie als wichtigster Faktor für die Produktivität spielen. Frühjahrsgetreidepflanzen (einschließlich Sommerweizen und Sommergerste) reagieren im Süden der osteuropäischen Tiefebene in der frühen Vegetationsperiode empfindlich auf die atmosphärische Trockenheit und sind im Reifestadium trockenheitsresistenter. Die landwirtschaftlichen Methoden in der ehemaligen Sowjetunion wurden in den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts erheblich verbessert. In der Studie wurden die Jahreserträge von Winterweizen, Sommerweizen und Sommergerste in den Regionen der Ukraine und Russlands gemäß den Agrarstatistiken (http://agroua.net/statistics/, http://www.gks.ru/) untersucht.
Die täglichen NCEP/NCAR-Reanalysedaten der geopotentiellen Höhe des isobaren Niveaus 1000 hPa (räumliche Auflösung 2,5°) wurden zur Analyse der Lage der synoptischen Wirbel verwendet. Die Fläche der Region innerhalb der maximalen äußeren geschlossenen Begrenzungskontur wurde in dieser Studie berücksichtigt, um die Größe des synoptischen Wirbels zu charakterisieren. Das Zyklonen-/Antizyklonenzentrum wurde so definiert, dass seine Lage nicht mit der Gitterzelle übereinstimmen sollte, in der der minimale Gitterwert lokalisiert ist (für Einzelheiten siehe ). Die langfristige durchschnittliche relative Häufigkeit synoptischer Wirbel im 5° × 5°-Gitterknoten wurde als Anteil der Zeit bestimmt, in der sich das Wirbelzentrum in der 5° × 5°-Zelle in der Mitte des Knotens befindet.
In dieser Studie versuchen wir, die Häufigkeitsmuster schwerer Dürre, die Niederschlagsmuster und die Muster synoptischer Wirbel in den entgegengesetzten QBO-Phasen über der osteuropäischen Ebene zu Beginn der Wachstums- (Vegetations-) saison für Weizen- und Gerstenkulturen zu vergleichen und signifikante Unterschiede aufzudecken. Test für unabhängige Stichproben nach Gruppen (auf dem Wahrscheinlichkeitsniveau von 0,95) wurde zur Bestimmung der statistischen Signifikanz der Niederschlags- und Ertragsunterschiede angewendet. Die statistische Signifikanz der Unterschiede in den QBO-Phasen in Bezug auf die Dürrehäufigkeit wurde mit dem exakten Test von Fisher bestimmt, der meist auf dichotome nominale Variablen angewandt wird.
3. Ergebnisse und Diskussion
Die vorangegangene Studie ergab, dass die Dürre über der Osteuropäischen Ebene unter den folgenden globalen atmosphärischen Zirkulationsmustern auftritt.(i)Arktische Luftmasse, die sich hinter der Kaltfront des atlantischen Wirbelsturms bildet, dehnt sich in den westlichen und zentralen Teil der Osteuropäischen Ebene aus. Ein Hochdruckgebiet baut sich auf und verbindet das arktische Hochdruckgebiet mit dem südlichen Hochdruckgebiet in der warmen Jahreszeit. Ausgedehnte Trockenheit tritt unter diesen Bedingungen häufiger im Süden des europäischen Teils Russlands auf.(ii) Wenn die arktische Luftmasse in die atlantische Region oder nach Westeuropa eindringt, bildet sich ein Zweig des Azoren-Antizyklons, der sich ostwärts bis in den Süden Westsibiriens bewegt. Unter diesen Bedingungen kommt es in der Ukraine häufiger zu ausgedehnten Dürren.(iii) Die Dürre über dem EPR oder der Ukraine kann durch mehrere Antizyklone entstehen, die nach der Zerstörung eines Zweigs des Azoren-Antizyklons oder eines Hochdruckgebiets über dem Osten des europäischen Russlands verbleiben.
Die mittlere Häufigkeit atmosphärischer Dürren für 1953-2011 im Süden der osteuropäischen Ebene im Mai und im Juni in beiden QBO-Phasen gemäß den SPI-Daten ist in Abbildung 2 dargestellt. Die höchste Dürrehäufigkeit im Mai und im Juni im Zeitraum 1953-2011 trat in der westwärts gerichteten QBO-Phase in der nördlichen kaspischen Region auf (bis zu 6 % der Fälle im Mai und bis zu 10 % im Juni), im südlichen Prä-Ural (bis zu 10 % im Mai und bis zu 12 % im Juni), in den Steppen der Wolga-Region (bis zu 6 % im Mai und bis zu 10 % im Juni), im Westen der Ukraine (bis zu 8 % im Mai) und im Osten der Ukraine (bis zu 6 % im Mai und bis zu 8 % im Juni) (Abbildungen 2(a) und 2(b)). Die durchschnittliche Häufigkeit schwerer Dürreepisoden im Süden der Osteuropäischen Tiefebene war in der ostwärts gerichteten QBO-Phase höher als in der westwärts gerichteten Phase (Abbildungen 2(c) und 2(d)). Die schwere Dürre mit der höchsten Wiederholbarkeit im Mai wurde im gesamten Süden der osteuropäischen Ebene in der ostwärts gerichteten QBO-Phase beobachtet: im Zentrum der Ukraine bis zu 12 %, in der Region des Asowschen Meeres bis zu 14 % und nordwestlich des Kaspischen Meeres bis zu 14 % (Abbildung 2(c)). Die höchste Häufigkeit der schweren Dürre im Juni in der östlichen Phase wurde im Osten der Ukraine (bis zu 10 %) und im Gebiet zwischen dem Schwarzen Meer und dem Kaspischen Meer (bis zu 10 %) beobachtet (Abbildung 2(d)). Die Häufigkeit der Dürre in der Wolga-Region und im südlichen Ural während der ostwärts gerichteten QBO-Phase betrug im Mai nicht mehr als 6 % (Abbildung 2(c)) und im Juni nicht mehr als 3 % (Abbildung 2(d)).
Wie aus den Abbildungen 3(a) und 3(b) hervorgeht, wurden in der westwärts gerichteten QBO-Phase im Mai und Juni höhere Niederschläge in der Ukraine und im Süden des europäischen Teils Russlands beobachtet. Die signifikanten Unterschiede zwischen der West- und Ostphase bei den Niederschlägen im Mai sind in der Zentralukraine (Unterschiede von 27 % bis 59 %), im Westen der zentralen Schwarzerde-Region Russlands (Unterschiede von 27 % bis 37 %) und im unteren Donbecken (von 33 % bis 58 %) zu finden. Die Unterschiede in der Niederschlagsmenge im Juni in beiden QBO-Phasen sind nur in kleinen Gebieten nördlich des Kaspischen Meeres signifikant. Unsere Ergebnisse stimmen mit früheren Studien überein.
Abbildung 3(c) zeigt, dass die geringere Häufigkeit schwerer Dürre im Mai in der westlichen QBO-Phase im Vergleich zur östlichen im Süden der Osteuropäischen Ebene beobachtet wurde (mit Ausnahme kleiner Gebiete). Signifikante Unterschiede in der Häufigkeit schwerer Dürre im Mai wurden in der zentralen Ukraine (Unterschiede von 13 bis 16 schweren Dürren pro 100 Jahre) und nördlich des Kaspischen Meeres (Unterschiede von 13 bis 20 schweren Dürren pro 100 Jahre) festgestellt. Die Analyse hat gezeigt, dass die gleiche Häufigkeit im Juni im Norden der Ukraine (Unterschiede von 9 bis 12 schweren Dürreperioden pro 100 Jahre), im Westen der zentralen Schwarzerde-Region (Unterschiede von 9 schweren Dürreperioden pro 100 Jahre) sowie im Gebiet Rostow und in der Region Krasnodar (Unterschiede von 9 schweren Dürreperioden pro 100 Jahre) niedriger, in der Wolga-Region jedoch höher ist (Unterschiede von 11 Dürreperioden pro 100 Jahre). Es wurden jedoch nur kleine Gebiete mit signifikanten Unterschieden im Westen der zentralen Schwarzerde-Region und im Norden der Ukraine festgestellt.
Trotz der Tatsache, dass die Gebiete mit signifikanten Unterschieden relativ kompakt sind, sollte man beachten, dass die räumliche Kohärenz des Differenzvorzeichens über weite Regionen hinweg stark auf den Einfluss der QBO-Phase sowohl auf den Niederschlag als auch auf die Dürre hinweist.
Multidirektionale Koeffizienten des linearen Trends der schweren Dürre in der osteuropäischen Ebene in beiden QBO-Phasen wurden während des Zeitraums des aktiven Klimawandels von 1991-2011 identifiziert (Abbildungen 4(a), 4(b), 4(c) und 4(d)). Die höchsten Steigerungsraten der Dürrezahlen wurden in der östlichen QBO-Phase festgestellt: Die größten negativen Trends im Mai wurden in der Ukraine (ohne die westlichen Regionen) festgestellt (Abbildung 4(c)), und ähnliche Trends im Juni wurden im Zentrum der Ukraine, östlich des Asowschen Meeres und in der Wolga-Region festgestellt (Abbildung 4(d)). Negative Trends in der westlichen QBO-Phase wurden nur im Mai im Norden der Ukraine festgestellt (Abbildung 4(a)).
Der Anstieg der Frühjahrsweizenerträge im europäischen Teil Russlands, gemittelt über die Jahre der westlichen QBO-Phase, steht im Einklang mit der Zunahme der Niederschläge und der Verringerung der Häufigkeit schwerer Dürren in der osteuropäischen Tiefebene, die im gleichen Zeitraum beobachtet wurden. Der größte Anstieg des Frühjahrsweizenertrags wurde in den westlichen Regionen der EPR festgestellt (35,5 % im Gebiet Brjansk, 25,9 % im Gebiet Belgorod, 26,8 % im Gebiet Rostow, 23,9 % im Gebiet Wolgograd und 23,3 % im Gebiet Woronesch), der in Richtung Nordosten abnahm (Abbildung 5(a)). Die Muster der Winterweizenerträge in beiden QBO-Phasen sind im Vergleich zu den Frühjahrsweizenerträgen weniger konsistent mit den Mustern der Niederschläge und der schweren Trockenheit (Abbildungen 3 und 5(b)). Dieser Effekt lässt sich dadurch erklären, dass wichtige Wetterbedingungen der Vegetation für die Vegetationsperiode im Herbst und die Winterbedingungen für die Winterweizenernte nicht analysiert wurden. Der größte Anstieg des Winterweizenertrags im Durchschnitt der Jahre mit westlicher QBO-Phase im Vergleich zum gleichen Wert in der östlichen Phase wurde im Gebiet Uljanowsk (21,3%), in der Republik Tatarstan (21,8%) und im Gebiet Luhansk (21,4%) festgestellt. Ein signifikanter Unterschied im Winterweizenertrag in beiden Phasen wurde nur im Gebiet Luhansk festgestellt. Die Ergebnisse stehen im Einklang mit früheren Studien zur Variabilität der Winter- und Frühjahrsweizenerträge in den QBO-Phasen. Es ist zu beachten, dass die Nachhaltigkeit des QBO-Signals in verschiedenen Regionen durch den untersuchten Zeitraum bestimmt wurde.
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Die Ergebnisse des Vergleichs der Gebiete mit erhöhtem Niederschlag und Frühjahrsgerstenertrag und der Gebiete mit einer Abnahme der Dürrehäufigkeit in der westwärts gerichteten QBO-Phase im Zeitraum 1958-2011 sind konsistent (Abbildungen 3 und 5(c)). Der größte Anstieg des Frühjahrsgerstenertrags in der westlichen QBO-Phase wurde in der Republik Baschkortostan (30 %), im Gebiet Rostow (28,3 %), im Gebiet Rjasan (26,8 %), in der Republik Kalmückien (26,9 %) und im Gebiet Luhansk (27,6 %) festgestellt (Abbildung 5(c)).
Der Ertrag beider Weizensorten im europäischen Teil Russlands in der westwärts gerichteten QBO-Phase übersteigt den gleichen Ertrag in der ostwärts gerichteten Phase in der zentralen Schwarzerde-Region (um 3-10 %) und in den südlichen Regionen (um 5-12 %) im Zeitraum 1953-2011 (Abbildung 5(d)). Der größere Unterschied beim Sommerweizen hängt mit seiner Empfindlichkeit gegenüber Niederschlagsmangel und Trockenheit während der aktiven Wachstumsperiode im Mai in der Osteuropäischen Ebene zusammen.
Die erhöhte Befeuchtung im Süden der Osteuropäischen Ebene im Mai im Zeitraum 1953-2011 in der westwärts gerichteten QBO-Phase lässt sich durch den Unterschied in der zyklonalen Aktivität in den entgegengesetzten QBO-Phasen erklären (Abbildung 6). Die Hauptsturmbahn in der Region ist zonal um 50°N über der Ukraine lokalisiert; sie ist im Mai in beiden QBO-Phasen bei etwa 35°E nach Nordwesten verschoben. In der westwärts gerichteten QBO-Phase verstärkte sich die Sturmbahn jedoch stark, und die höchste Zyklonenhäufigkeit verlagerte sich vom Westen in den Osten der Ukraine in die Region Poltawa-Charkiw (Bereich I in Abbildung 6(a)). Darüber hinaus führten die Intensivierung und die Ausdehnung der Sturmbahn zu einer Zunahme der Dichte der Zyklonzentren im Süden des EPR in der Oblast Rostow und in der Region Krasnodar (Gebiet II in Abbildung 6(a)). Die Niederschläge sind mit dem Durchzug eines Wirbelsturms verbunden; sie verursachen die erhöhte Befeuchtung im Süden des osteuropäischen Russlands in der westwärts gerichteten QBO-Phase. Man beachte, dass ein signifikanter Unterschied in der Häufigkeit des Auftretens von Zyklonen im Juni nicht gefunden wurde (nicht gezeigt).
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Wir analysierten die Variationen der atmosphärischen Zirkulation unter Verwendung der durchschnittlichen Merkmale der antizyklonalen Aktivität (Komposite), um die zunehmende und abnehmende Befeuchtung zu erklären. Die Abnahme des Feuchtigkeitsgehalts in den Gebieten Woronesch, Rostow, Wolgograd, Astrachan und der Republik Kalmückien im Mai und Juni wurde in der westwärts gerichteten QBO-Phase beobachtet. Der erhöhte Feuchtigkeitsgehalt trat im Nordkaukasus und in den südlichen Vorurwäldern auf. Die geringere Trockenheit im Mai ist mit einer geringeren Häufigkeit von Antizyklonen (Gebiet M1 in Abbildung 7(a)) und einer höheren Zyklonhäufigkeit (Abbildung 6(a)) verbunden. Gleichzeitig wurde im Nordkaukasus (Gebiet M2 in Abbildung 7(a)) eine höhere Antizyklonhäufigkeit in der Westphase beobachtet.
Die Antizyklonhäufigkeit im südlichen Ural ist im Mai in beiden QBO-Phasen ungefähr gleich, aber die Größe der Antizyklone ist dort größer, so dass größere Gebiete den Bedingungen ausgesetzt sind, die hier die Trockenheit fördern. Darüber hinaus blockieren größere und weniger mobile Antizyklone die Wirbelstürme nördlich des Kaspischen Meeres (Gebiet III in Abbildung 6(b)).
Wie aus Abbildung 8 hervorgeht, sind ähnliche Muster der Zyklonaktivität im Juni in den entgegengesetzten Phasen zu beobachten (in der westlichen Phase: verringerte Häufigkeit der Zyklone im Gebiet J1 (Abbildung 8(a)); erhöhte Häufigkeit der Zyklone im Gebiet J2 (Abbildung 8(a)); größere Zyklone im Gebiet J3 (Abbildung 8(c)). Das Maximum der Antizyklonfläche in der Ostphase über der Ostukraine führt aufgrund der geringen Häufigkeit des Auftretens von Antizyklonen kaum zu einer zusätzlichen Zunahme der Trockenheit im Süden der Osteuropäischen Tiefebene (Abbildung 8(b) und 8(d)).
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Mehr Niederschläge und eine geringere Häufigkeit der schweren atmosphärischen Trockenheit über der osteuropäischen Ebene im Durchschnitt in den Jahren der westwärts gerichteten QBO-Phase im Vergleich zur ostwärts gerichteten Phase im Zeitraum 1953-2011 führten zu höheren Erträgen des Frühjahrsweizens. Die beobachteten Effekte lassen sich durch Zirkulationsunterschiede in den QBO-Phasen erklären. Daher kann die vorrangige Verwendung von Sommerweizen in der zentralen Schwarzerde-Region und in den Steppen des europäischen Teils Russlands in der Westphase die landwirtschaftlichen Risiken verringern. In diesem Fall kann die quasibienniale Oszillation als einer der zuverlässigen Prädiktoren verwendet werden. Dieses Thema erfordert jedoch weitere Untersuchungen, die auch die anderen Einflussfaktoren auf die Ernteerträge mit einbeziehen.
4. Schlussfolgerung
Ein signifikantes QBO-Signal bei Niederschlag, atmosphärischer Trockenheit und Ernteerträgen im Mai-Juni im Süden der osteuropäischen Ebene wurde im Zeitraum 1953-2011, einschließlich der Zeit des aktiven Klimawandels, festgestellt. Die größten Gebiete mit signifikanten Unterschieden in der Niederschlags- und Dürrehäufigkeit in den QBO-Phasen wurden im Mai ermittelt. Im Süden der Osteuropäischen Ebene wurden in der westwärts gerichteten QBO-Phase im Vergleich zur ostwärts gerichteten QBO-Phase im Mai und Juni mehr Niederschläge und eine weniger ausgeprägte Trockenheit beobachtet (mit Ausnahme des Gebiets nördlich des Kaspischen Meeres). Die signifikanten West/Ost-Phasenunterschiede bei den Niederschlägen im Mai waren in der zentralen Ukraine, im Westen der zentralen Schwarzerde-Region Russlands und im unteren Don-Becken zu finden. Im Juni zeigten sich weniger einheitliche Niederschlagsmuster im Süden der Osteuropäischen Tiefebene. Signifikante Unterschiede in der Häufigkeit schwerer Trockenheit im Mai wurden in der zentralen Ukraine und nördlich des Kaspischen Meeres festgestellt. Die Analyse hat gezeigt, dass die gleiche Häufigkeit im Juni im Norden der Ukraine, im Westen der zentralen Schwarzerde-Region, in der Oblast Rostow und in der Region Krasnodar niedriger, in der Wolga-Region jedoch höher ist.
Gleichzeitig waren die Trends der schweren Dürre in der Osteuropäischen Ebene in beiden QBO-Phasen während der Periode des aktiven Klimawandels von 1991-2011 räumlich uneinheitlich. Die stärksten Trends der zunehmenden Trockenheit im Mai und im Juni in der Ukraine (vor allem in den zentralen Regionen) und in der Region östlich des Asowschen Meeres wurden in der östlichen QBO-Phase festgestellt. Trends mit demselben Vorzeichen in der westlichen QBO-Phase wurden nur in der Ukraine festgestellt. Somit wurden die Ukraine und die Region östlich des Asowschen Meeres als die am stärksten gefährdeten Regionen identifiziert, in denen während der aktiven Vegetationsperiode Ende des 20. und Anfang des 21. Jahrhunderts im Süden der osteuropäischen Ebene ein erhöhtes Risiko für schwere Dürren besteht.
Die Unterschiede in der Häufigkeit von Niederschlägen und schweren Dürren im Mai und im Juni im Zeitraum 1953-2011 in den QBO-Phasen werden durch Unterschiede in den Zirkulationsmustern in den West- und Ostphasen des QBO erklärt. Die Intensivierung der Sturmbahn über der osteuropäischen Tiefebene im Mai in der westwärts gerichteten QBO-Phase führt zu einer Abnahme der Befeuchtung in der Ukraine und im Zentrum des europäischen Teils Russlands. Daneben ist die zunehmende Trockenheit in der Wolga-Region und im südlichen Ural im Mai und Juni mit der höheren Häufigkeit und/oder stärkeren Ausdehnung von Antizyklonen verbunden.
Die Witterungsbedingungen im Mai und im Juni waren in den Jahren der westwärts gerichteten QBO-Phase im Zeitraum 1953-2011 günstiger für den Ertrag. Der durchschnittliche Ertrag von Winterweizen, Sommerweizen und Sommergerste im Süden der osteuropäischen Ebene in der westwärts gerichteten QBO-Phase im Zeitraum 1953-2011 überstieg den gleichen Ertrag in der ostwärts gerichteten Phase. Die Differenz der Sommerweizenerträge im europäischen Teil Russlands in der westlichen QBO-Phase übersteigt die gleiche Differenz in der östlichen Phase in der zentralen Schwarzerde-Region (um 3-10 %) und in den südlichen Regionen (um 5-12 %) im Zeitraum 1953-2011. Die höhere Differenz für Sommerweizen wurde mit seiner Empfindlichkeit gegenüber Niederschlagsmangel und Trockenheit während der aktiven Vegetationsperiode in der osteuropäischen Ebene in Verbindung gebracht.
Interessenkonflikt
Die Autoren erklären, dass es keinen Interessenkonflikt in Bezug auf die Veröffentlichung dieses Artikels gibt.
Anerkennung
Die Studie wurde mit finanzieller Unterstützung des von der Russischen Akademie der Wissenschaften angenommenen Programms „Desertifikation von Trockengebieten im Süden Russlands im Zusammenhang mit Klimaveränderungen“ durchgeführt.