CC BY
39
ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
2007 г. Выпуск 6. С. 31-38
УДК 572.021;502.75
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ КЛИМАТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА
В ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
В.П. Днепровская, Ю.М. Полищук
Изучены взаимосвязи показателей климатического состояния и пространственной структуры растительного покрова на территории Западной Сибири. Пространственная структура растительного покрова территории определена на основе дешифрирования космических снимков РЕСУРС-О1 (сканер МСУ-СК). Анализ климатического состояния территории проведен с использованием метеоданных, полученных в период 1955-1992 гг., на 99 метеостанциях. Показано, что с повышением среднегодовой температуры уменьшаются относительные площади темнохвойных лесов и увеличиваются площади мелколиственных лесов.
Введение
Одной из важных задач современных исследований Северной Евразии является выявление особенностей пространственной структуры растительного покрова в зависимости от климатических изменений. В решении этой задачи возникает необходимость учитывать пространственные свойства объектов исследований. Включение пространственных свойств в анализ хотя и усложняет процедуры анализа, но позволяет использовать дополнительную информацию, которая может быть актуализирована в рамках геоинформационного подхода к анализу многомерных данных [1, 2]. Реализация этого подхода требует использования гео-информационных систем (ГИС), позволяющих манипулировать и управлять пространственными данными, хранящимися в виде тематических слоев, географически определенных относительно цифровой карты-основы. Целью настоящей работы является изучение пространственной структуры лесорастительного покрова территории Западной Сибири в зависимости от изменения показателей климатического состояния.
Описание объекта исследования и характеристика данных
Объектом исследования является территория Западно-Сибирской равнины в границах шести административных образований - Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО), Ханты-Мансийского автономного округа (ХМАО) и Томской, Омской, Новосибирской областей и юга Тюменской области.
Расположенная в умеренном поясе, где господствует западный перенос, Западная Сибирь находится под сильным влиянием Атлантического океана, которое сказывается в наибольшей степени в зимний период на севере территории. Известно, что в пределах ЗападноСибирской равнины ярко прослеживается зональное распределение ландшафтов в виде широтных географических зон: субарктической тундры, редколесья, тайги и лесостепи. Однако переходы между зонами недостаточно четки вследствие равнинности и сильной заболоченности территории. Зональность проявляется во всём комплексе природных условий: в изменении характера климата, растительного и почвенного покрова, состава животного мира и др.
На рис. 1 приведена карта геоботанического зонирования территории, на которой треугольниками обозначено расположение метеостанций. Северная часть исследуемой территории расположена в зоне субарктической тундры и редколесья. Центральная часть находится в таёжной зоне. Поверхность лесостепи на юге территории плоская, ровная, слегка волнистая.
Легенда
А Пете оста і и, 11 Геосотаі1ч ескі е Зої ы
СуСар кт і ч е спая туї А р: і Рея юл е с ья НГ1 Се Е:нрі ая та Г га Среліяя та Гга Юж і ая таГга [>х1 По^таГга Лесостеіь 1800 нм
Рис. 1. Карта геоботанического районирования территории Западно-Сибирской равнины
Для исследования климатических изменений территории Западной Сибири были использованы метеорологические данные за период 1955-1992 гг., полученные на 99 метеостанциях исследуемой территории: временные ряды среднегодовых значений температуры воздуха и количества атмосферных осадков, а также максимальные годовые величины показателей снежного покрова (его высота, плотность и запасы воды).
В настоящей работе для определения характеристик пространственной структуры растительного покрова территории использовались многозональные снимки со спутника «Ресурс-О1-3» (сканер МСУ-СК). Космический снимок МСУ-СК с пространственным разрешением около 150 метров имеет полосу обзора 600 км. Сканер МСУ-СК с четырьмя спектральными каналами (каналы 1-3 - в видимой зоне спектра, 4-й канал - в ближней инфракрасной зоне) позволяет различать большое количество природных и антропогенных объектов.
Для определения состава и преобладающей растительности, наличия открытых водных поверхностей были взяты летние снимки. Хвойные и лиственные леса отчетливо выделяются на космоснимке благодаря различиям спектральной яркости. Разделение светлохвойных (сосновых) и темнохвойных лесов проводилось путем классификационного анализа снимка с привлечением «учителей», полученных на основе лесотаксационных планов.
Изучение климатических изменений на территории Западной Сибири
Анализ изменений климатического состояния территории Западной Сибири проводился раздельно для ее центральной (в границах ХМАО) и южной (в границах Томской, Новосибирской и Омской областей) частей территории с использованием временных рядов среднегодовых значений температуры воздуха, количества атмосферных осадков и запаса воды в снежном покрове (ЗВСП) в период 1955-1992 гг. Результаты анализа климатических изменений приведены для южной и центральной частей территории соответственно на рис. 2 и 3.
На рис. 2-а показаны временные ходы среднегодовых значений температуры воздуха. Пунктирными линиями показаны средние значения для двух временных интервалов: 1955-1970 гг. и 1975-1992 гг., а штрихпунктирными линиями - доверительные интервалы для средних значений, рассчитанные для вероятности 90 %.
Из графика на рис. 2-а видно, что среднегодовая температура воздуха во втором периоде по сравнению с периодом 1955-1970 гг. увеличилась на 0,9 °С. Количество среднегодовых атмосферных осадков во втором периоде в среднем увеличилось на 0,7 мм по сравнению с первым периодом, т. е. приблизительно на 2 % (рис. 2-б). А изменение величины запаса воды в снежном покрове для южной территории Западной Сибири во втором периоде составляет 12,8 мм. (рис. 2-в), т.е. увеличение по сравнению с первым периодом около 12,4%. Следовательно, с повышением температуры значительно возрастает величина водозапаса в снежном покрове, хотя уровень атмосферных осадков увеличивается незначительно.
Рис. 2. Временные ходы показателей климатического состояния в южной части Западной Сибири
Как видно из рис. 3, где показаны изменения климатических показателей на территории ХМАО, среднегодовая температура воздуха увеличилась на 0,8 °С; уровень среднегодовых атмосферных осадков увеличился незначительно (приблизительно 1,2 %).
Рис. 3. Временные ходы показателей климатического состояния в центральной части
территории Западной Сибири
Определение структуры растительного покрова на основе дешифрирования
космоснимков среднего разрешения
Обработка космических снимков проводилась средствами программного обеспечения системы ERDAS Imagine, после чего данные экспортировались в формат, поддерживаемый программным обеспечением геоинформационной системы ArcView 3.х, с помощью которой определялись относительные площади каждого из ландшафтных выделов [3].
Исследования структуры лесорастительного покрова проведены с использованием космических снимков юго-восточной (Томская область) и центральной (Ханты-Мансийский автономный округ) частей Западной Сибири. На рис. 4 представлена карта-схема ландшафтного районирования исследуемой территории.
Рис. 4. Карта ландшафтного районирования центральной и юго-восточной части
Западной Сибири
В процессе анализа результатов обработки космического снимка были определены 4 типа ландшафтных выделов, характерных для таёжной зоны территории Западной Сибири: темнохвойные (ель, кедр), мелколиственные (береза, осина) и сосновые леса и болота. Для иллюстрации на рис. 5 представлена диаграмма, отображающая пространственную структуру земного покрова территории Средне-Обской ландшафтной провинции, в виде соотношения площадей выделов разного вида. Рис. 5 показывает преобладание темнохвойных лесов на исследуемой территории.
Рис. 5. Относительные площади ландшафтных выделов на территории Средне-Обской ландшафтной провинции
Данные о пространственной структуре различных ландшафтных провинций на территории центральной и юго-восточной частей Западной Сибири в виде относительных площадей ландшафтных выделов приведены в табл.1, где приняты следующие обозначения: ТХЛ -темнохвойные леса, СЛ - сосновые леса, МЛЛ - мелколиственные леса, Т - температура, ЗВСП - запас воды в снежном покрове.
Таблица 1.
Относительные площади ландшафтных выделов и основные климатические показатели
Ландшафтная провинция Тип ландшафтного выдела Климатические показатели
ТХЛ СЛ МЛЛ болото Т, °С ср. год. атм. осадки, мм ЗВСП, мм
Подуральская 39.33 37.16 21.05 2.46 -2.2 45.9 204.2
Северо-Сосьвинская 42.95 27.19 27.26 2.60 -2.0 46.5 197.3
Надымская 25.41 41.81 20.90 11.88 -3.7 41.0 180.9
Полуйская 31.13 33.34 23.25 12.29 -3.9 41.1 174.4
Белогорская 68.30 18.88 12.00 0.83 -2.5 46.3 212.4
Нумтовская 40.68 36.01 22.29 1.02 -3.1 39.7 192.5
Кондо-Тавдинская 13.83 24.28 56.10 5.79 0.4 43.1 135.8
Кондинская 17.41 29.06 51.25 2.28 0.0 39.4 156.8
Назым-Ляминская 29.77 25.72 24.07 20.44 -2.3 41.7 196.5
Ляминско-Аганская 29.27 48.52 20.37 1.84 -2.7 41.6 207.1
Юганско- Ларьеганская 19.34 32.41 2.93 45.31 -0.9 47.5 175.2
Казымская 29.55 27.24 27.35 15.85 -3.5 41.3 184.2
Нижне-Обская 32.41 41.81 15.32 10.46 -2.5 47.4 213.0
Средне-Обская 20.88 58.77 18.93 1.41 -1.8 43.1 201.4
Иртышская 15.92 21.98 9.01 53.09 -1.0 46.1 148.5
Александровская 24.83 29.66 9.74 35.77 -0.7 44.8 144.3
Васюганская 16.35 24.20 28.24 31.21 0.1 41.3 112.7
Кеть-Тымская 11.01 19.20 21.01 48.78 -1.1 45.5 162.4
Пойменная 6.01 12.43 44.12 37.44 -0.2 42.4 119.8
Томская 4.46 8.01 62.87 24.66 1.1 40.5 99.9
Чулымская 6.67 13.56 57.80 21.97 0.6 39.6 122.5
Анализ взаимосвязи структуры лесорастительного покрова с климатическими характеристиками
Для изучения взаимосвязи климатических характеристик и структуры лесорастительного покрова на основе данных табл.1 были построены графики зависимости относительных площадей ландшафтных выделов разных типов от климатических показателей. Для иллюстрации на рис. 6 приведена зависимость относительной площади темнохвойных лесов (у) от температуры воздуха (х). На графике (рис. 6) показана линия тренда, описываемая уравнением у = ах + Ь, где а и Ь - коэффициенты линейного уравнения.
Как видно из рис. 6, повышение среднегодовой температуры на территории Западной Сибири сопровождается снижением доли темнохвойных лесов в структуре земного покрова.
70
+ 60
ЯП
+. 4П
* л. 30
+ + + ^*"*,20
+ 1П •
* О
-45 -3.5 -2.5 -1.5 -0.5 0.5 1.5
тем нохвойны е Т.ЧС
Рис. 6. График зависимости относительного содержания темнохвойных лесов от
температуры воздуха
На рис. 7 приведены графики линий тренда, отображающие зависимости относительных площадей выделов от рассматриваемых климатических показателей. По мере повышения среднегодовой температуры воздуха, т.е. по мере смены ландшафтных зон от севера к югу, как видно из рис. 7-а структура лесоболотных территорий существенно изменяется. Площади темнохвойных и сосновых лесов сокращаются (от ~ 35 % - 40 % на севере территории, до ~ 10 % - 15 % на юге территории), преобладающими становятся автоморфные березовые леса. Площадь болот в среднем увеличивается, что отражает общую тенденцию увеличения заболачивания территорий к югу таёжной зоны Западной Сибири. Рис. 7-б показывает, что с увеличением ЗВСП (т.е. в направлении с юга к северу) площади темнохвойных и сосновых лесов увеличиваются (от ~ 5 % - 12 % на юге территории, до ~ 35 % - 40 % на севере территории). Площадь мелколиственных лесов и болот уменьшается. С увеличением среднегодовой суммы атмосферных осадков отмечается повышение площадей сосновых и темнохвойных лесов, заболоченных территорий; площади мелколиственных лесов уменьшаются (рис. 7-в).
-45 -3.5 -2 5 -15 -0.5 0.5 15
Т,°С
и
■ - ■ -нелколиственные — - -болото
а
3 ВСП,мм
— — сосна
- - - мелколиственные — - -болото
б
в
Рис. 7. График зависимости относительных площадей выделов от климатических показателей
Заключение
Таким образом, в результате проведённого комплексного анализа изменений показателей климатического состояния и пространственной структуры растительного покрова на обширной территории Западной Сибири установлена взаимосвязь этих показателей. В частности, показано, что повышение среднегодовой температуры воздуха сопровождается сокращением относительной площади темнохвойных лесов и ростом площади мелколиственных лесов и болот. С ростом среднего значения водозапаса в снежном покрове, наоборот, увеличивается относительная площадь темнохвойных лесов и сокращаются площади мелколиственных лесов и болот. Полученные результаты могут быть использованы при прогнозе изменений гео-ботанической структуры растительности Западной Сибири в условиях ожидаемого глобального потепления.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ-Обь (проект № 05-05-98002) и Совета по грантам Президента РФ для ведущих научных школ (грант № НШ-1008.2003.5).
ЛИТЕРАТУРА
1. Полищук Ю.М., Перемитина Т.О. Геоинформационный подход к анализу многомерных данных о пространственно-распределенных объектах // Геоинформатика. - 2003. - № 1. -
С. 18-21.
2. Полищук Ю.М., Иродова В.П., Перемитина Т.О. Геоинформационный анализ климатических особенностей юго-востока Западной Сибири на основе метода главных компонент // География и природные ресурсы. - 2003. - № 4.- С. 139-143.
3. Булгакова И.В., Полищук Ю.М. Исследование пространственной структуры лесоболотных комплексов нефтедобывающих регионов с использованием космоснимков среднего разрешения // Матер. 2-й Междун. научно-практич. конф. «Эколого-географические проблемы природопользования нефтегазовых регионов» (Нижневартовск, 20-22 октября 2003 г.) - Нижневартовск: Изд-е НГПИ, 2003. - С. 48-50.
