Abstract
Precipitação mensal e o Índice de Precipitação Padronizado (SPI) de 3 meses foram usados para revelar os padrões de precipitação e frequência de seca severa sobre a Planície do Leste Europeu no período 1953-2011 nas fases opostas da oscilação quasibienal (QBO). As diferenças de precipitação e frequência de seca severa em Maio e em Junho nas fases oeste e leste das fases de QBO são explicadas pelas variações de circulação. A análise indica eventos de seca severa menos frequentes na Ucrânia e no centro da parte europeia da Rússia em Maio, na fase de QBO a oeste, devido à intensificação da pista de tempestade sobre a planície da Europa de Leste. As condições climáticas em Maio e em Junho nos anos da fase oeste da QBO foram mais favoráveis para o rendimento. A diferença de produção de trigo na primavera na fase oeste e leste da QBO excede a mesma diferença de produção de trigo no inverno na região Central da Terra Negra e nas regiões do sul. A Ucrânia e a região a leste do Mar de Azov são as áreas mais vulneráveis ao aumento do risco de seca severa durante a estação de crescimento ativo no final do século 20 e início do século 21.
1. Introdução
A seca como fenómeno natural afecta os ecossistemas durante muito tempo, causando danos catastróficos ao ambiente e às actividades humanas. Formalmente, uma seca está associada a uma diminuição temporária do teor total de humidade devido a uma deficiência pluviométrica; também acompanha a actividade anticiclone. Entretanto, a seca é um evento complexo e o risco de sua ocorrência é causado não apenas por fatores climáticos.
Os processos que iniciam a seca são estudados para revelar as causas da seca, sua gênese, e os mecanismos de feedback positivo/negativo. Os mecanismos atmosféricos em larga escala relacionados com os modos de variabilidade climática e anomalias da temperatura da superfície do mar (SST) foram identificados como factores influenciadores. Entre os vários forçamentos, a oscilação El-Nino/Southern Oscillation, a Oscilação do Atlântico Norte, a temperatura da superfície do mar do Atlântico Norte, a oscilação quasi-anual foram reveladas. No entanto, a oscilação quasibienal dos processos atmosféricos globais afeta significativamente a componente de maior freqüência do sistema climático.
Sabe-se que o QBO afeta a circulação atmosférica nas latitudes temperadas e sua influência se propaga para a superfície terrestre. As medições regulares das componentes zonais médias do vento são realizadas pelas estações radiosonde da cintura equatorial desde 1953. O período de oscilação é de cerca de 28 meses. Os ventos na fase leste da QBO são aproximadamente duas vezes mais fortes do que os da fase oeste. Como componente da circulação atmosférica global, a oscilação quasiperiódica do vento da zona equatorial na estratosfera tropical (oscilação quasibienal (QBO)) é o modo dominante de variabilidade estratosférica interanual nos trópicos. Um mecanismo, envolvendo a interação das ondas de gravidade equatorial interna com o vento da zona equatorial estratosférica, foi posteriormente esclarecido em muitos estudos. Entretanto, o mecanismo da influência da QBO no clima não é definitivamente esclarecido .
O sinal do ciclo da QBO foi detectado não apenas na variabilidade do vento da zona estratosférica e meridional, temperatura e altura geopotencial (ex, ), mas também na sua influência nos parâmetros meteorológicos de superfície, por exemplo, temperatura do ar, precipitação e cobertura de neve .
Em estudos anteriores, o sinal significativo do ciclo QBO foi detectado em Setembro e Outubro de precipitação no período de 1953 a 1980 na região das Ilhas Britânicas, na região da Europa Central e na Bielorrússia. Regiões da Ucrânia Oriental e regiões adjacentes da Rússia tiveram o sinal significativo de QBO na precipitação em Maio . Há muitos estudos sobre a detecção do impacto combinado da oscilação quasi-anual e do ciclo solar de 11 anos nos padrões de precipitação e no rendimento das colheitas . Entretanto, em nossa pesquisa, não foi encontrada uma relação semelhante.
Por isso, limitamos a escolha do estudo para consideração apenas do QBO.
O rendimento das culturas de grãos é definido principalmente pelo nível de práticas agrícolas (tecnologia), tipo de solo e clima. O cinturão de grãos da planície do Leste Europeu está localizado em um território com baixos recursos hídricos e condições instáveis de umidade. Nestas circunstâncias, a previsão dos efeitos potenciais das mudanças climáticas e dos factores climáticos no rendimento das culturas é muito importante. A variabilidade da produção de grãos e a flutuação da precipitação sazonal na parte europeia da ex-URSS foram investigadas sob influência de oscilações quasibianas em estudos anteriores .
Neste estudo, estendemos o período dos estudos anteriores, incluindo um período de mudanças climáticas bruscas (no final do século 20 e início do século 21). As peculiaridades regionais das chuvas de primavera e verão, seca e produção de grãos no sul da planície do Leste Europeu foram reveladas sob a influência de oscilações quasibianas dos processos atmosféricos globais. Também investigamos diferenças de circulação nas fases oeste e leste do QBO, que podem ser a causa de diferenças na precipitação e seca.
Os objetivos deste trabalho estão na investigação da possível influência da oscilação quasibienal na variabilidade da precipitação sazonal, freqüência da seca atmosférica primavera-verão, e produção de grãos na planície do Leste Europeu e na pesquisa da atividade ciclônica e anticiclone nas latitudes temperadas em ambas as fases do QBO.
2. Dados e Métodos
As principais regiões de grãos da Ucrânia e da parte europeia da Federação Russa (EPR, o território da Rússia a oeste dos montes Urais) localizado no território de sensibilidade à seca da planície do Leste Europeu (ao sul de 54°N) estão no foco deste estudo (Figura 1). O território inclui várias zonas de paisagem: semidesértica, seca e estepe típica, sul e estepe típica, bosques pantanosos e florestas decíduas.
Dados mensais de precipitação com resolução de 0,5° × 0,5° foram extraídos do conjunto de dados global mensal CRU TS 3,21 (http://badc.nerc.ac.uk/) para examinar as variações da quantidade de precipitação em ambas as fases da QBO. Os dados do Índice Padronizado de Precipitação (SPI) de resolução 1° foram obtidos do conjunto de dados mensais globais do Centro Nacional de Pesquisa Atmosférica (http://rda.ucar.edu/) e foram usados para analisar a gravidade da seca atmosférica. De acordo com a pesquisa de Thom, a distribuição gama se encaixa na série temporal de precipitação observada. A probabilidade acumulada da precipitação observada foi transformada para a distribuição normal padrão com uma média de zero para calcular os valores de SPI em cada nó da grade regular. Os valores negativos indicam menos que a mediana da precipitação e períodos secos: 0 a -0,99, seca moderada, -1 a -1,49, seca moderada, -1,5 a -1,99, seca severa, e -2 ou menos, seca extrema. McKee et al. calcularam originalmente o SPI para diferentes escalas de tempo de 3 meses a 48 meses. Para este estudo, foram utilizadas séries de tempo de SPI de 3 meses. As secas severas de Maio e Junho estão no centro do estudo, uma vez que podem causar grandes perdas de rendimento. A frequência da seca em cada célula da rede foi calculada como a relação entre o número de anos com seca e o total de anos. A tendência de seca severa em cada nó da grade foi calculada como o coeficiente de regressão linear de uma série temporal de SPI (onde os valores de SPI acima de -1,5 foram substituídos por zero).
A fase QBO para o período 1953-2011 que definimos pela direção equatorial do vento de 30-hPa de abril a junho (o conjunto de dados da Freie Universität Berlin, https://climatedataguide.ucar.edu/). A velocidade positiva do vento está associada à fase QBO para oeste e a negativa à fase QBO para leste. Como resultado, a fase oeste para o período de 1953-2011 inclui 28 anos e a fase leste inclui 31 anos. O SPI, a precipitação e os dados de rendimento das culturas foram categorizados de acordo com estas fases da oscilação quasibienal.
É bem sabido que a precipitação durante o período de vegetação desempenha o papel chave para a fenologia da planta como o fator mais importante para a produtividade. As culturas de cereais primaveris (incluindo trigo e cevada primaveril) são sensíveis à seca atmosférica no sul da planície do Leste Europeu no início da estação de crescimento e são mais resistentes à seca na fase de maturidade. Os métodos agrícolas na antiga União Soviética foram significativamente melhorados na década de 1980 do século passado. Os rendimentos anuais do trigo de inverno, trigo de primavera, e cevada de primavera em média nas regiões da Ucrânia e Rússia de acordo com estatísticas agrícolas (http://agroua.net/statistics/, http://www.gks.ru/) foram examinados no estudo.
Os dados diários de reanálise NCEP/NCAR de altura geopotencial do nível isobárico 1000 hPa (resolução espacial 2,5°) foi usado para análise da localização dos vórtices sinópticos . A área da região dentro do máximo contorno externo fechado foi considerada neste estudo para caracterizar o tamanho do vórtice sinóptico. A definição do centro ciclone/anti-ciclone é tal que sua localização não deve coincidir com a célula da grade onde o valor mínimo da grade está localizado (para detalhes veja ). A frequência relativa de longo prazo dos eddies sinópticos no nó de grade de 5° × 5° foi determinada como uma proporção do tempo quando o centro do vórtice está localizado na célula de 5° × 5° centrada no nó.
Neste estudo nós tentamos comparar os padrões severos de frequência de seca, os padrões de precipitação, e os padrões de redemoinho sinóptico nas fases opostas do QBO sobre a planície do Leste Europeu no início da estação de crescimento (vegetação) para culturas de trigo e cevada e revelar diferenças significativas. – teste para amostras independentes por grupos (no nível de probabilidade 0,95) foi aplicado para determinação da significância estatística das diferenças de precipitação e diferenças de rendimento. A significância estatística das diferenças nas fases de QBO em termos de frequência de seca foi determinada utilizando o teste exacto de Fisher, que é mais frequentemente aplicado a variáveis nominais dicotómicas.
3. Resultados e Discussão
O estudo anterior revelou que a seca na planície do Leste Europeu ocorre sob os seguintes padrões globais de circulação atmosférica.(i)A massa de ar ártico formada por detrás da frente fria do ciclone atlântico estende-se até à parte ocidental e central da planície do Leste Europeu. Uma área de alta pressão está sendo estabelecida e conecta o anticiclone ártico com o anticiclone do sul na estação quente. Quando a massa de ar árctico invade a região atlântica ou a Europa Ocidental, está a formar-se um ramo do anticiclone dos Açores, que se desloca para leste, em direcção ao sul da Sibéria Ocidental. Nestas condições a seca extensiva ocorre mais frequentemente na Ucrânia.(iii)A seca sobre EPR ou Ucrânia pode surgir devido a vários anticiclones remanescentes após a destruição de um ramo do anticiclone Açores ou de uma área de alta pressão sobre o leste da Rússia Europeia.
A frequência média de secas atmosféricas para 1953-2011 no sul da planície do Leste Europeu em Maio e em Junho em ambas as fases do QBO de acordo com os dados do SPI é mostrada na Figura 2. A maior frequência de seca em Maio e em Junho no período 1953-2011 ocorreu na fase oeste da QBO na região norte do Mar Cáspio (até 6% casos em Maio e até 10% em Junho), nos Pré-Urrais do Sul (até 10% em Maio e até 12% em Junho), nas estepes da região do Volga (até 6% em Maio e até 10% em Junho), no oeste da Ucrânia (até 8% em Maio), e no leste da Ucrânia (até 6% em Maio e até 8% em Junho) (Figuras 2(a) e 2(b)). A frequência média de episódios de seca severa no sul da planície da Europa de Leste, na fase leste da QBO, foi superior à frequência na fase oeste (Figuras 2(c) e 2(d)). A seca severa com maior repetibilidade em Maio foi observada em todo o sul da planície da Europa de Leste na fase QBO a leste: no centro da Ucrânia até 12%, na região do Mar de Azov até 14%, e a noroeste do Mar Cáspio até 14% (Figura 2(c)). A maior frequência de seca severa em Junho na fase leste observada no leste da Ucrânia (até 10%) e no território entre o Mar Negro e o Mar Cáspio (até 10%) (Figura 2(d)). A frequência de seca na região do Volga e nos Pré-Urrais meridionais durante a fase de QBO a leste não excedeu 6% em Maio (Figura 2(c)) e 3% em Junho (Figura 2(d)).
Como mostrado nas Figuras 3(a) e 3(b), maior precipitação na Ucrânia e no sul da parte europeia da Rússia foi observada em Maio e Junho na fase de QBO a oeste. As diferenças significativas na fase oeste/este da precipitação em maio estão localizadas na Ucrânia central (diferenças de 27% a 59%), na região oeste da Terra Negra Central da Rússia (diferenças de 27% a 37%) e na bacia inferior do Don (de 33% a 58%). As diferenças na quantidade de precipitação em Junho em ambas as fases da QBO são significativas apenas em pequenas áreas ao norte do Mar Cáspio. Nossos resultados são consistentes com os estudos anteriores .
Figure 3(c) demonstra que a menor frequência de seca severa em maio na fase de QBO a oeste em comparação com a de leste foi observada no sul da planície do leste europeu (com exceção de pequenas áreas). As diferenças significativas na frequência de secas graves em Maio foram identificadas na Ucrânia central (diferenças de 13 a 16 secas graves por 100 anos) e no norte do Mar Cáspio (diferenças de 13 a 20 secas graves por 100 anos). A análise mostrou que a mesma frequência em Junho é menor no norte da Ucrânia (diferenças de 9 a 12 secas graves por 100 anos), no oeste da região central da Terra Negra (diferenças a 9 secas graves por 100 anos), e no Oblast de Rostov e no Krai de Krasnodar (diferenças a 9 secas graves por 100 anos), mas é maior na região do Volga (diferenças a 11 secas graves por 100 anos). Contudo, apenas foram detectadas pequenas áreas de diferenças significativas na região oeste da Terra Negra Central e no norte da Ucrânia.
Embora as áreas com diferenças significativas sejam relativamente compactas, deve-se notar que a coerência espacial do sinal de diferença sobre vastas regiões indica fortemente a influência da fase QBO tanto na precipitação como na seca.
Coeficientes multidirecionais da tendência linear de seca severa na planície do Leste Europeu em ambas as fases QBO foram identificados durante o período de mudança climática ativa de 1991-2011 (Figuras 4(a), 4(b), 4(c), e 4(d)). As maiores taxas de aumento da contagem de secas foram detectadas na fase de QBO a leste: as maiores tendências negativas em Maio foram reveladas na Ucrânia (excluindo as regiões ocidentais) (Figura 4(c)), e as tendências semelhantes em Junho foram identificadas no centro da Ucrânia, a leste do Mar de Azov, e na região do Volga (Figura 4(d)). As tendências negativas na fase QBO ocidental foram reveladas apenas em Maio no norte da Ucrânia (Figura 4(a)).
Aumento da produção de trigo primaveril na parte europeia da Rússia durante os anos da fase QBO ocidental é consistente com o aumento da precipitação e a redução da frequência de secas severas na planície da Europa Oriental observada no mesmo período. O maior aumento da produção de trigo de primavera foi detectado nas regiões ocidentais do EPR (35,5% no Oblast de Bryansk, 25,9% no Oblast de Belgorod, 26,8% no Oblast de Rostov, 23,9% no Oblast de Volgograd e 23,3% no Oblast de Voronezh) caindo na direção do nordeste (Figura 5(a)). Os padrões de produção de trigo de inverno em ambas as fases da QBO são menos consistentes com os padrões de chuva e seca severa em comparação com a produção de trigo na primavera (Figuras 3 e 5(b)). Este efeito pode ser explicado pelo fato de que condições climáticas importantes da vegetação para a estação de crescimento no outono e condições de inverno para a cultura de trigo de inverno não foram analisadas. O maior aumento da produção média de trigo de inverno nos anos da fase oeste da QBO em comparação com a mesma na fase leste foi revelado no Ulyanovsk Oblast (21,3%), na República de Tatarstan (21,8%) e no Luhansk Oblast (21,4%). Uma diferença significativa no rendimento do trigo de inverno em ambas as fases foi detectada apenas na Luhansk Oblast. Os resultados são consistentes com estudos anteriores de variabilidade do rendimento do trigo de Inverno e Primavera nas fases de QBO . Observe que a sustentabilidade do sinal QBO em várias regiões foi determinada pelo período estudado.
(a)
(b)
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(b)
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Os resultados da comparação das áreas de maior precipitação e produção de cevada primaveril e as áreas da diminuição da frequência da seca na fase QBO para oeste no período 1958-2011 são consistentes (Figuras 3 e 5(c)). O grande aumento do rendimento da cevada primaveril na fase oeste da QBO foi observado na República de Bashkortostan (30%), no Oblast de Rostov (28,3%), no Oblast de Ryazan (26,8%), na República de Kalmykia (26,9%) e no Oblast de Luhansk (27,6%) (Figura 5(c)).
O rendimento de ambos os tipos de trigo na parte européia da Rússia na fase oeste da QBO excede o mesmo rendimento na fase leste na região central da Terra Negra (em 3-10%) e nas regiões sul (em 5-12%) no período 1953-2011 (Figura 5(d)). Mais diferença para o trigo de primavera foi associada com sua sensibilidade à deficiência de chuva e seca durante a estação de crescimento ativo em maio na planície da Europa Oriental.
O aumento da umidificação no sul da planície da Europa Oriental em maio no período 1953-2011 na fase QBO a oeste pode ser explicado pela diferença na atividade ciclônica nas fases opostas da QBO (Figura 6). A principal pista de tempestade na região está localizada zonalmente a cerca de 50°N sobre a Ucrânia; está deslocada para noroeste a cerca de 35°E em Maio, em ambas as fases da QBO. No entanto, a linha de tempestade intensificou-se fortemente na fase oeste da QBO e a maior frequência de ciclones deslocou-se do oeste para o leste da Ucrânia para a região de Poltava-Kharkiv (área I na figura 6(a)). Além disso, a intensificação e expansão da pista da tempestade resultou no aumento da densidade dos centros ciclónicos no sul da EPR no Oblast de Rostov e no Krai de Krasnodar (área II na Figura 6(a)). A precipitação está associada à passagem de um ciclone; causou o aumento da umidificação no sul da Rússia do Leste Europeu na fase oeste da QBO. Note que não foi encontrada diferença significativa na frequência das ocorrências dos ciclones em junho (não mostrada).
(a)
(b)
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Analisamos variações da circulação atmosférica usando as características médias da atividade anticiclone (compósitos) para explicar o aumento e a diminuição da umidificação. A diminuição do teor de umidade no Oblast de Voronezh, Oblast de Rostov, Oblast de Volgograd, Oblast de Astrakhan e República da Calmúquia em maio e junho na fase QBO a oeste foi observada. O aumento do conteúdo de umidade ocorreu no Cáucaso Norte e nos Pré-Urrais do Sul. A aridez reduzida em maio está associada com menor freqüência de anticiclones (área M1 na Figura 7(a)) juntamente com maior recorrência de ciclones (Figura 6(a)). Ao mesmo tempo, maior freqüência do anticiclone na fase oeste foi observada no Cáucaso Norte (área M2 na Figura 7(a)).
A freqüência do anticiclone nos Pré-Urrais do Sul em maio em ambas as fases QBO é aproximadamente a mesma, mas os tamanhos dos anticiclones são maiores lá e, portanto, áreas maiores estão sujeitas a condições propícias à seca aqui. Além disso, os anticiclones maiores e menos móveis bloqueiam efetivamente os ciclones ao norte do Mar Cáspio (área III na Figura 6(b)).
Como mostrado na Figura 8, os padrões similares de atividade dos anticiclones em junho nas fases opostas são observados (na fase oeste: frequência reduzida dos anticiclones na área J1 (Figura 8(a)); frequência aumentada dos anticiclones na área J2 (Figura 8(a)); os maiores ciclones na área J3 (Figura 8(c)). O máximo da área do anticiclone na fase leste sobre o leste da Ucrânia dificilmente leva a um aumento adicional da aridez no sul da planície do Leste Europeu, devido à baixa frequência da ocorrência do anticiclone (Figuras 8(b) e 8(d)).
(a)
(b)
(c)
(d)
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(b)
(c)
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Mais precipitação e menos frequência da grave seca atmosférica na planície da Europa de Leste, em média, nos anos da fase QBO a oeste, em comparação com a fase QBO a leste, durante o período 1953-2011, resultou em mais rendimentos do trigo de primavera. Os efeitos observados são explicados pelas diferenças de circulação nas fases de QBO. Portanto, a prioridade do uso do trigo de primavera na região central da Terra Negra e nas estepes da parte européia da Rússia na fase oeste pode reduzir os riscos agrícolas. Neste caso, a oscilação quasibienal pode ser usada como um dos preditores confiáveis. No entanto, este tópico requer um estudo mais aprofundado, incluindo os outros factores de influência na produção agrícola.
4. Conclusão
Significante sinal QBO na precipitação, seca atmosférica, e produção agrícola em Maio-Junho no sul da planície do Leste Europeu foi detectado no período de 1953-2011, incluindo o período de mudança climática activa. As maiores áreas das diferenças significativas de precipitação e frequência de seca nas fases de QBO foram identificadas em Maio. Mais precipitação e menor frequência de seca em Maio e Junho (excluindo a área a norte do Mar Cáspio) foram observadas no sul da planície do Leste Europeu na fase de QBO a oeste, em comparação com a fase de QBO a leste. As diferenças significativas na fase oeste/este da precipitação em Maio foram localizadas na Ucrânia central, na região oeste da Terra Negra Central da Rússia, e na bacia inferior do Don. Os padrões menos uniformes de precipitação no sul da planície do Leste Europeu foram revelados em Junho. As diferenças significativas na frequência da seca severa em Maio foram identificadas no centro da Ucrânia e a norte do Mar Cáspio. A análise mostrou que a mesma frequência em Junho é menor no norte da Ucrânia, na região oeste da Terra Negra Central, no Oblast de Rostov e no Krai de Krasnodar, mas é maior na região do Volga.
Ao mesmo tempo, as tendências de seca severa na planície do Leste Europeu em ambas as fases da QBO durante o período de mudanças climáticas activas de 1991-2011 foram espacialmente não-uniformes. As maiores tendências de aumento da seca em Maio e em Junho na Ucrânia (principalmente nas regiões centrais) e na região a leste do Mar de Azov foram reveladas na fase de QBO a leste. As tendências do mesmo sinal na fase da QBO a oeste só foram detectadas na Ucrânia. Assim, a Ucrânia e a região a leste do Mar de Azov foram identificadas como as regiões mais vulneráveis ao aumento do risco de seca grave durante a estação de crescimento activo no final do 20º início do século XXI no sul da planície da Europa de Leste.
Diferenças de precipitação e frequência de seca grave em Maio e em Junho no período 1953-2011 nas fases de QBO são explicadas pelas diferenças nos padrões de circulação nas fases oeste e leste da QBO. A intensificação da pista de tempestade sobre a planície do leste europeu em maio na fase oeste da QBO resulta na diminuição da umidificação na Ucrânia e no centro da parte europeia da Rússia. Juntamente com isso, o aumento da aridez na região do Volga e dos Pré-Urrais do Sul em maio e junho está associado à maior freqüência e/ou aos anticiclones extensivos mais potentes.
As condições climáticas em maio e junho nos anos da fase QBO a oeste no período 1953-2011 foram mais favoráveis para o rendimento. O rendimento médio de trigo de inverno, trigo de primavera e cevada de primavera no sul da planície da Europa do Leste na fase de QBO a oeste durante o período 1953-2011 excedeu o mesmo rendimento na fase de leste. A diferença de rendimento do trigo primaveril na parte européia da Rússia na fase QBO a oeste excede a mesma diferença na fase leste na região Central da Terra Negra (em 3-10%) e nas regiões sul (em 5-12%) no período 1953-2011. Diferença maior para o trigo de primavera foi associada à sua sensibilidade à deficiência de chuva e seca durante a estação de crescimento ativo na planície do leste europeu.
Conflito de interesses
Os autores declaram que não há conflito de interesses em relação à publicação deste trabalho.
Conhecimento
O estudo foi realizado com o apoio financeiro do programa aceito pela Academia de Ciências da Rússia “Desertificação de Terras Secas no Sul da Rússia no Contexto das Mudanças Climáticas”