Количественная оценка природных факторов пространственной дифференциации геосистем горных котловин на примере Убсунурской впадины

В современных научных исследованиях особое место занимает оценка региональных последствий глобальных климатических изменений. В горных условиях реакции на глобальные изменения климата проявляются быстрее, чем на равнинах. Актуальность учета географических факторов при разработке стратегии устойчивого развития в горах очевидна не только для специалистов, но и для широкой общественности. Учет огромного природно-рекреационного потенциала Алтая и прогноз его изменений представляет значительную сложность из-за труднодоступности и недостаточной изученности горных районов. Контрастность ландшафтных обстановок в горах и внутригорных котловинах Алтая делают их уникальным полигоном для решения задач оценки реакции ландшафтов на климатические изменения и для географического прогноза.

Убсунурская впадина, расположенная на границе России и Монголии, представляет собой межгорное понижение длиной 300 км при субмеридиональной ширине около 100 км, в западной части которого лежит горько-соленое озеро Убсу-Нур (урез воды 759 м). Впадина окружена горными хребтами, наиболее высокие (более 3,5 км) из них находятся в юго-западной части. Убсунурская котловина, значительная часть которой находится в пределах российско-монгольского биосферного заповедника, служит модельным объектом эколого-географических исследований уже более четверти века. Это объясняется достаточно компактным сочетанием на территории впадины большинства характерных для Внутренней Азии типов ландшафтов от полупустынь и эоловых песчаных равнин до гляциально-нивальных высокогорий. Накопленные знания о пространственном разнообразии ландшафтов Убсунурской впадины и истории их формирования позволяют исследовать факторы, влияющие на динамику природных обстановок, и рассмотреть механизмы действия этих факторов в современных условиях и будущем.

Целью настоящей работы было выявление ведущих природных факторов пространственной дифференциации геосистем и оценка вероятных амплитуд изменений ландшафтной структуры в горах и на днище котловины при возможных сценариях изменения климата на основе встречаемости геосистем на разных высотных уровнях при различных сочетаниях условий тепловлагообеспеченности.

В рамках достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— разработка модели пространственного распределения геосистем впадины на основе оригинальных геоморфологической и ландшафтной карт (М 1:500 000) и цифровой модели рельефа впадины;

— разработка сеточной модели с шагом 2 км полей основных климатических характеристик (среднелетняя температура воздуха, суммы активных температур, количество осадков за летний период, распределение значений гидротермического коэффициента Селянинова) для всей впадины с учетом высотных, долготных и широтных градиентов указанных характеристик;

— количественный анализ структуры высотной поясности, ее однородности по высотным ступеням, склонам разных экспозиций, типам рельефа;

— определение климатических «конвертов» основных состояний геосистем впадины, т. е. оценка интервалов климатических характеристик, оптимальных и лимитирующих пространственное положение геосистем;

— оценка высотных и площадных изменений длительновременных состояний горных и котловинных ландшафтов при четырех сценариях изменения климата: потепление на фоне увеличения/ сокращения количества осадков и похолодание, сопровождающееся ростом/ сокращением количества осадков.

Теоретической основой для решения поставленных задач являются современные представления о длительновременных состояниях ландшафтов и о ландшафтно-экологических факторах, определяющих разнообразие ландшафтной структуры. Для использования названных концепций применялись методы ГИС-моделирования, статистического анализа (корреляционного, регрессионного, кластерного), а также тематического (ландшафтного, геоморфологического, климатического) картографирования.

В работе были использованы данные режимных наблюдений на сети гидрометеорологических станций и постов на территории России и Монголии (данные по 15 станциям, охватывающие период наблюдений с 1961 по 1990 гг.), для решения задач картографирования использовались данные дистанционных съемок (аэрои космоснимки) на данную территорию. Кроме того, для разработки модели ландшафтной структуры использовались результаты многолетних (с 1990 —х гг.) полевых исследований Центрально-Азиатской экспедиции Санкт-Петербургского госуниверситета, в которых принимала участие и автор предлагаемой работы. Тематическим картографированием (М 1:500 ООО) была охвачена площадь около 70 тыс. км". Оценки связей между климатом и состояниями ландшафтов, а также расчет реакций почвенно-растительного покрова при разных сценариях климатических изменений выполнены для сеточной модели впадины в 17,5 тысячах узлов сетки.

В итоге проведенных исследований были получены следующие результаты, которые и составляют основные защищаемые положения диссертации:

1. Количественный анализ пространственного распределения геосистем выявил, что в ландшафтной дифференциации впадины ведущую роль играет рельеф: гипсометрический фактор, тип рельефа, литология поверхности, экспозиция,.

2. Предложенная методика сравнения встречаемости геосистем на разных высотных уровнях способствует объективизации выделения высотных поясов. С помощью статистических методов проведен анализ однородности ландшафтной структуры гипсометрических уровней.

3. В горных котловинах реалистичное отражение пространственного распределения основных климатических характеристик возможно только с учетом всего комплекса высотно-экспозиционных и широтно-долготных особенностей территории. В этом случае появляется возможность построения изолинейных полей метеопараметров, пригодных для среднемасштабного ландшафтно-климатического моделирования.

3. Каждая группа состояний геосистем характеризуется определенными интервалами климатических параметров, благоприятными для их функционирования, и значениями, лимитирующими их пространственное распространение. Наиболее широкая эколого-климатическая ниша присуща степным геосистемам.

4. Наиболее заметные изменения высотно-ярусной структуры впадины возможны при потеплении на фоне иссушения и при похолодании, сопровождающемся увеличением количества осадков.

5. Максимальная амплитуда высотно-площадных изменений при климатических колебаниях вероятна для луговых, полупустынных и тундровых состояний геосистем. Самыми консервативными к возможным колебаниям климата являются псаммофитные и петрофитные состояния геосистем и совокупность степных состояний.

Научной новизной работы является количественный анализ высотно-ярусной структуры впадины, на основе которого выявлены особенности распределения современных состояний геосистем в зависимости от высоты, форм рельефа и экспозиции. Кроме того, созданы модели пространственного распределения по всей впадине полей среднелетней температуры воздуха, сумм активных температур, сумм атмосферных осадков летнего периода и коэффициентов увлажнения для летнего периода, на основе которых для этого региона установлены связи состояний геосистем с основными климатическими характеристиками. Впервые количественно оценены возможные высотно-площадные изменения ландшафтной структуры впадины при различных сценариях колебания климата, основанные на встречаемости современных состояний в различных диапазонах значений метеопараметров.

Теоретическая значимость работы заключается в том, что она развивает концепцию состояний геосистем применительно к задачам моделирования ландшафтной структуры при климатических колебаниях. Полученные результаты могут быть использованы в разработках стратегий сбалансированного (устойчивого) развития горных регионов юга Сибири, а также при организации наблюдений в биосферных заповедниках в горах.

Результаты проведенных исследований докладывались на международной монтологической конференции «Состояние и развитие горных систем» в Санкт-Петербурге (2002 г.), на XII съезде Русского Географического Общества в Кронштадте (2005 г.), на IV международном симпозиуме «Степи севера Евразии» в Оренбурге (2006 г.), на научной сессии факультета географии и геоэкологии СПбГУ, а также на IX международном симпозиуме «Экосистемы Центральной Азии» в Кызыле (2008 г.) и на конференции факультета географии и геоэкологии СПбГУ в 2008 г.

Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения и приложения, содержит 56 рисунков и 35 таблиц.

Список литературы

включает более 50 наименований.

В первой главе дается физико-географическая характеристика района исследований с детальным рассмотрением особенностей распределения основных форм рельефа по высоте, подробная характеристика климата и особенностей режима увлажнения территории, охваченной стационарными метеонаблюдениями. Во второй главе приведен анализ высотно-ярусной структуры впадины, выявлены особенности высотных поясов, получены количественные оценки связи состояний геосистем с типами рельефа и экспозицией макросклонов. В третьей главе описывается методика приведения метеоданных и построения изолинейных полей распределения важнейших климатических показателей по всей впадине с учетом высотно-широтно-долготных особенностей территории. Кроме того, выявлены диапазоны значений метеопараметров, в пределах которых наблюдаются оптимальные условия для каждой группы состояний геосистем, а также лимитирующие их. В четвертой главе приводятся расчеты возможных изменений площадей групп состояний геосистем при четырех наиболее вероятных сценариях климатических колебаний в целом и по высотным ступеням для варианта потепления на фоне уменьшения атмосферных осадков и похолодания с одновременным ростом атмосферного увлажнения.

Заключение

.

Подводя итоги проделанной работы можно сказать, что все задачи, поставленные для достижения цели исследования, были выполнены.

— Создана цифровая модель ландшафтной структуры Убсунурской впадины.

— Анализ высотно-ярусной структуры на основе сравнения площадей групп состояний геосистем позволяет объективизировать выделение высотных ступеней.

— Предложенные количественные методы позволяют оценивать степень вариативности и однородности высотных поясов на основе встречаемости длительновременных состояний геосистем.

— В условиях сильнорасчлененного рельефа внутригорных котловин реалистичное отражение пространственного распределения полей основных климатических характеристик только по данным метеостанций и постов не возможно, вследствие ограниченности охвата территории режимных наблюдений и наличию специфических особенностей циркуляции атмосферы, барьерному эффекту, инверсионным явлениям. Поэтому, для создания модели распределения таких показателей, как среднелетняя температура воздуха, суммы активных температур, количество летних осадков и значения гидротермического коэффициента, необходим учет вертикального, широтно-долготного градиентов, связь температуры с облачностью. Предложена методика построения полей метеопараметров может быть применена для моделирования климата горных котловин в сходных физико-географических условиях.

— Рассчитаны значения среднелетних температур, сумм активных температур, летних осадков и значений ГТК в каждой узловой точке модели и построены изолинейные поля распределения метеопараметров.

— Созданная модель пространственного распределения полей основных гидрометеорологических характеристик для всей территории впадины позволила для каждой группы состояний геосистем определить вероятностные показатели встречаемости при различных условиях теплои влагообеспеченности, т. е. выявить эколого-климатические ниши геосистем.

— Некоторая «размытость» диапазонов высотных ступеней и пересечения климатических ниш различных состояний геосистем обусловлены преимущественно орографическим (литолого-геоморфологическим) фактором. Примененный способ выявления степени связи природных факторов с состояниями геоситем (критерий Крамера) показал, что наиболее значимым фактором пространственной дифференциации ландшафтов является форма рельефа, литологический состав подстилающих пород, определяющие режим миграции вещества и экспозиция макросклонов. Гораздо меньшее влияние на состояния геосистем оказывают термические условия и атмосферное увлажнение.

— Наиболее широкая климатическая амплитуда характерна для степных состояний геосистем в целом. Моделирование изменений климата выявило крайне высокую консервативность степных состояний геосистем по отношению к колебаниям климата. Однако этот вывод не означает неизменность площадей и высотных границ различных степных состояний при изменении климата.

Индикаторами климатических изменений можно считать полупустынные, тундровые и долинно-луговые, в том числе солончаковые геосистемы, для которых вероятны не только существенные площадные изменения, но и значительные изменения границ поясов по высоте.

— Наибольшие изменения ландшафтной структуры вероятны при потеплении на фоне сокращения осадков: увеличатся площади полупустынных и лугово-солончаковых состояний (почти на 70 и 40% соответственно) за счет существенного сокращения горно-тундровых и горно-таежныха также при похолодании и одновременном увеличении количества атмосферных осадков, когда вероятно резкое увеличение площади горно-тундровых и горно-таежных состояний при сокращении полупустынных и луговых.

При потеплении на фоне роста увлажнения изменения площадей различных состояний геосистем не превысят 10 — 13%: за счет сокращения полупустынных и луговых состояний увеличатся площади лесных. При похолодании на фоне уменьшения атмосферного увлажнения на треть увеличится площадь полупустынных состояний при существенном сокращении лесных.