Изучение влияния климатических изменений на сезонную динамику ландшафтов Урала
Изучение влияния климатических изменений на сезонную динамику ландшафтов Урала
Свердловская область

Современные изменения климата влияют на сдвиги сроков наступления сезонных явлений. Тренды сезонной динамики ландшафтов в условиях изменяющегося климата служат критерием изученности пространственно-временной структуры, что необходимо для устойчивого развития региона на уровне ландшафтных областей и провинций Северного, Среднего и Южного Урала. Вопросы феноиндикации ландшафтов Урала ранее не разрабатывались.

Проголосовало:
Поделиться в соц. сетях:

Автор проекта:

Янцер Оксана Васильевна, Скок Наталия Васильевна, Гурьевских Ольга Юрьевна, Иванова Юлия Руслановна, Юровских Анастасия Михайловна

Номинация:

Научное достижение

Наименование проекта:

Изучение влияния климатических изменений на сезонную динамику ландшафтов Урала

Описание проекта:

Актуальность: современные изменения климата влияют на сдвиги сроков наступления сезонных явлений. Тренды сезонной динамики ландшафтов в условиях изменяющегося климата служат критерием изученности пространственно-временной структуры, что необходимо для устойчивого развития региона на уровне ландшафтных областей и провинций Северного, Среднего и Южного Урала. Вопросы феноиндикации ландшафтов Урала ранее не разрабатывались.
Новизна: впервые произведен анализ сезонной динамики ландшафтных областей и провинций Урала на основе архивных данных фенологической сети РГО XX века, материалов Летописей природы заповедников и современных полевых экспедиционных исследований в связи климатическими изменениями в XX и начале XXI веков. Выполнено ландшафтное обоснование фенологической сети Урала и картографирование биоклиматических показателей.
Проект включает анализ сезонной динамики ландшафтных областей Северного, Среднего и Южного Урала в связи климатическими изменениями в XX и начале XXI веков. Для изучаемых регионов исследованы тренды изменения среднегодовых температур воздуха и средних температур центральных месяцев сезонов, количества осадков по данным 39 метеорологических станций и 542 пунктов фенологической сети РГО. Исследование выполнено в парадигме функционально-динамического подхода, который, наряду со структурно-генетическим, лежит в основе познания закономерностей пространственно-временной организации геосистем.
Методами изучения сезонной динамики традиционно являются полевые наблюдения. Подобные ряды фенологических наблюдений накоплены классическим методом, который по классификации В.А. Батманова называется первичным методом группы регистраторов срока. Далее рассчитаны средние даты наступления явлений, которые представляют собой среднее арифметическое значение дат наступления явлений, вычисленных по каждому году. На следующем этапе для каждой провинции материал был проанализирован на дефектность. Даты, отклонения которых составили более ±3 суток от средних и явно аномальные были исключены из базы данных. При статистической обработке материалов оценены следующие параметры: средняя многолетняя дата наступления явления (Х ср.), дисперсия (σ²), стандартное отклонение (ошибка) среднего значения (σ) и крайние даты регистрации явления. При допустимом в фенологических исследованиях 5%-м уровне значимости, оцениваемому по критерию Стьюдента (Р=0,95), принималось, что значения среднегодовых фенодат достоверны в интервале Х ср. ± 2 σ. Для оптимизации сравнения показателей провинций произведен расчет широтного, долготного и высотного градиентов. Широтный фенологический градиент – это время (число суток), в течение которого фронт сезонного явления продвигается на 1° широты (111 км). Долготный фенологический градиент - количество времени (в сутках), в течение которого фронт сезонного явления продвигается вдоль параллели на 5° долготы. Мерой изменчивости сроков наступления сезонных явлений природы в горных условиях служит высотный фенологический градиент - разница в сроках их наступления при подъеме на каждые 100 м абсолютной высоты, выраженная в сутках.
Характеристика динамики выполнена на основе расчетов линейных трендов по многолетним рядам наблюдений. Оценка тренда проводилась методом наименьших квадратов, т. е. находилась линейная функция времени: d*(t) = At + В, которая наилучшим образом аппроксимирует временной ряд {d(t)}. Здесь d(t) – дата (сутки в календарном году) сезонного явления в t-й год (t - год наблюдения). Значение коэффициента А дает среднюю скорость изменения рассматриваемой характеристики (сут/год) на исследуемом отрезке времени. Календарные даты переводились в непрерывные ряды путем отсчета от 1 марта по методике Г.Н. Зайцева. Более раннее наступление явлений фиксируется отрицательным трендом, более позднее – положительным. Скорость изменения дат наступления явлений, характеризующая тренд по десятилетиям, рассчитывалась как средняя по провинции.
Биоклиматические показатели для весеннего развития растительности представляют собой среднюю дату, выведенную из семи явлений: характеризующих все периоды весны: начало сокодвижения у березы (Bеtula pubеscens; Betula Pendula Roth.); начало зеленения черемухи (Padus avium Mill.) и березы (Bеtula pubеscens; Betula Pendula Roth.); начало цветения черемухи (Padus avium Mill.), желтой акации (Caragana arborescens Lam.), сирени (Syringa vulgaris) и рябины (Sorbus aucuparia). Для их расчета первоначально были вычислены средние даты наступления каждого явления в провинции, затем - средняя величина по семи явлениям. Это комплексные индикаторы, по сути, являются биоклиматическими, поскольку физиологическая реакция фитокомпонента весной и в начале лета обусловлена и температурными показателями, и характером увлажнения. Осенний биоклиматический показатель для провинций Урала рассчитан по началу пожелтения листьев березы, поспеванию плодов рябины обыкновенной, концу массового листопада березы и осины аналогичным способом.
Для визуализации пространственных закономерностей протекания фенологических процессов применена кроссплатформенная геоинформационная система (ГИС) QGis Desktop версии 3.14.16. Пространственная информационная модель строилась встроенными средствами ГИС, без использования иного специального программного обеспечения. Исходя из полноты и кондиционности материалов, создавались либо точечные векторные слои без группировки дат наступления фенологических явлений, либо полигональные векторные слои, в которых обработанные данные были сгруппированы по принадлежности к единицам физико-географического районирования и в базу данных заносились средние значения для них. Примером моделей, построенных в условиях недостаточности данных, являются выполненные методом картограммы карты трендов начала пожелтения березы и биоклиматических показателей. Данный метод в случае недостаточной обеспеченности фенологическими данными является оптимальным, поскольку позволяет отображать специфику наступления явлений на уровне ландшафтных провинций. Для построения карты изофен зеленения березы применялся метод обратных взвешенных расстояний (IDW). Нерегулярность региональной фенологической сети Урала послужила причиной поиска иных методов, нетипичных для карт природы. В частности, предпринята попытка применения метода картограммы для составления биоклиматической карты в привязке к ландшафтным провинциям Урала.
Результаты проекта – основные тренды и карты динамики биоклиматических показателей для разных ландшафтных областей Северного, Среднего и Южного Урала, отражены в монографии «Влияние климатических изменений на сезонную динамику ландшафтов Урала», а также в публикациях уровня РИНЦ и ВАК, представлены на всероссийской научно-практической конференции.

География проекта:

Изучение сезонной динамики и изменений климатических показателей произведено для территории Пермского края, Свердловской, Челябинской, Курганской, Оренбургской, Тюменской областей и республики Башкортостан. Регион исследования охватил Северный, Средний и Южный Урал.
Трансляция результатов проекта осуществлена в более чем 40 субъектов РФ, участниками презентации результатов проекта стали представители субъектов РФ: Пермский край, Тверская область, Кировская область, Свердловская область и Екатеринбург, г. Москва, Московская область, г. Санкт-Петербург, Республика Крым, ХМАО-Югра, Нижегородская область, Красноярский край, Республика Дагестан, Тюменская область, Республика Башкортостан, Республика Татарстан, Республика Алтай, Алтайский край, Республика Коми, Республика Татарстан, Еврейская автономная область, Республика Бурятия, Белгородская область, Приморский край, Челябинская область, Курская область, Калининградская область, Томская область, Чувашская республика, Тамбовская область, Республика Марий Эл, Мурманская область, Саратовская область, Калужская область, Республика Коми, Воронежская область, Забайкальский край, Удмуртская республика.

Цели и задачи:

Цель: изучение влияния климатических изменений на сезонную динамику ландшафтов Урала.
Основные задачи проекта:
1. Ландшафтное обоснование фенологической сети Урала, выбор репрезентативных площадок наблюдений.

2. Изучение и анализ архивов данных фенологической сети РГО XX века.
3. Расчет метеорологических показателей за данный период по 30 пунктам наблюдений, расположенных в ландшафтных областях Северного, Среднего и Южного Урала.
4. Составление и расчет биоклиматических показателей для разных физико-географических условий.
5. Выявление и обоснование пространственно-временных показателей и установление зависимости трендов сезонной динамики от изменений климата.
Трансляция результатов в научное сообщество России, тиражирование методики ландшафтного обоснования региональной фенологической сети.

Итоги реализации:

1. Произведен анализ географической репрезентативности фенологической сети по 12 ландшафтным провинциям Северного, Среднего и Южного Урала в пределах пяти ландшафтных областей. Проанализировано 542 пункта фенологической сети наблюдений по единицам физико-географического районирования. Их наибольшая плотность характерна для равнинной части территории: 278 расположены на Восточно-Европейской и Западно-Сибирской равнинах, а 264 – в пределах Урала. Максимально представлена пунктами и данными наблюдений в таежной ландшафтной области Исетско-Северо-Сосьвинская провинция восточных предгорий Урала, наблюдения здесь проводились в 217 пунктах, за весь период их было зафиксировано 919. На втором месте — низкогорная провинция Среднего Урала, где было проведено 625 наблюдений в 184 пунктах. В лесостепной области – Западная предгорно-среднегорная провинция Южного Урала, где за 97-летний период в 172 пунктах отмечено 548 наблюдений, что обусловлено большей степенью освоенности и доступностью точек наблюдения в предгорных участках. В степной области наиболее представлены 45 пунктов Урало-Тобольской провинции Зауральского пенеплена по 199 наблюдениям. Минимальное количество пунктов расположено в провинции Южно-Уральской возвышенности (3 пункта), что меньше, чем в среднегорной полосе Северного Урала. Минимальное количество наблюдений в степных провинциях Южного Урала связано с малой представленностью древесных видов-феноиндикаторов.
2. Исследованы тренды изменения среднегодовых температур воздуха и средних температур центральных месяцев сезонов, количества осадков по данным 12 основных метеостанций и 14 пунктов с короткими рядами по территории Урала; данные 13 метеорологических станций, в том числе с самыми продолжительными рядами, в Предуралье и Зауралье, и сроков наступления явлений органической природы по 264 пунктам наблюдений.
3. Проведен сбор архивных данных фенологической сети РГО XX–XXI вв. (49132 единиц хранения – бланков, заполненных корреспондентами-наблюдателями в период с 1891 по 2007 гг.). Обработаны Летописи природы 10 заповедников: Печоро-Илычский, Вишерский, Денежкин Камень, Басеги, Висимский, Ильменский, Южно-Уральский, Шульган-Таш, Шайтан-Тау, Оренбургский: Буртинский и Айтуарский участки. Исходные бумажные материалы имеют разную степень сохранности и полноты представленности дат наступления ключевых явлений живой природы: начала пыления ольхи серой (Alnus incana (L.) Moench), осины (Populus tremula L.), сокодвижения и зеленения березы (Bеtula pubеscens, Betula Pendula Roth.) и черемухи обыкновенной (Padus avium Mill.), цветения черемухи обыкновенной, липы (Tilia cordata), цветения рябины (Sorbus aucuparia), шиповника (Rоsa canína); созревание плодов рябины обыкновенной, поспевание плодов шиповника, начало пожелтения березы, массовое пожелтение листьев березы, осины и липы, хвои лиственницы (Larix sibirica Ledeb.), начало и конец массового листопада у берез, осины, липы. Бланки наблюдений оцифрованы и занесены в электронные таблицы. Оцифровано более 500 календарей природы. Составлен реестр пунктов наблюдений по ландшафтным областям и провинциям Урала, он позволил свести данные в таблицы по конкретным явлениям природы и рассчитать средние даты наступления явлений.
4. Установлены тренды изменения климата. Выявлено, что в условиях ландшафтного разнообразия Урала в период с 1925 по 2019 гг. наблюдаются тенденции к более раннему наступлению метеорологических и фитофенологических весенних событий. В большинстве провинций Урала весной установлена линейная взаимосвязь между датами наступления явлений-феноиндикаторов с переходом через температурные рубежи, а также с нарастанием сумм положительных температур.
5. Организованы и проведены полевые экспедиционные исследования по 5 трансектам на Южном, Северном и Среднем Урале (07.2020-12.2021).
Южный Урал: Екатеринбург - Миасс - Златоуст - Сим -Уфа - Инзер - Белорецк - Магнитогорск - Сибай -Чебаркуль - Карабаш - Екатеринбург.
Средний Урал: Екатеринбург — Нижний Тагил — деревня Верхняя Ослянка — Екатеринбург. Екатеринбург - Полевской - Ревда - Михайловск – Екатеринбург (круглогодичные наблюдения).
Северный Урал: 1)Екатеринбург - Североуральск - р. Шарп - Шарпинская сопка - массив Денежкин камень - Желтая сопка - Главный Уральский хребет - кордон Крив - г. Североуральск - Екатеринбург. 2)Екатеринбург -Карпинск -пос. Кытлым - Конжаковский камень - Серебрянский камень - пос. Кытлым – Екатеринбург.
Общее количество участников экспедиций – 46, включая 4 преподавателей вуза, 28 студентов, 14 школьников. В рамках экспедиций происходило освоение методики проведения метеорологических и фенологических исследований, методики камеральной обработки результатов.
6. По результатам исследования, включая экспедиционный этап выполнены и защищены 10 исследовательских проектов студентов и школьников на Фестивале «Юные исследователи Урала», ноябрь 2020 и на Международном географическом фестивале «Моя Земля» 23.03. 2021.
7. Опубликовано 5 студенческих статей в материалах Международной научно-практической конференции 16-19 декабря 2020 г. «Фенология: современное состояние и перспективы развития», посвященной 175-летию Русского географического общества; 120-летию со дня рождения фенолога В.А. Батманова; 90-летию Уральского государственного педагогического университета, г. Екатеринбург (в системе РИНЦ).
8. Проведена Всероссийская научно-практическая конференция «Климатические изменения и сезонная динамика ландшафтов». Сроки проведения 22-24.04.2021 г. Количество участников 150 человек, более 40 субъектов РФ. Результат – обмен результатами исследований между разными регионами России, обсуждение теоретических и методологических подходов в исследовании динамики ландшафтов в контексте климатических изменений. Совместная разработка ряда актуальных и перспективных направлений деятельности фенологической сети РГО и вузовского и научного сообщества по расширению и развитию системы фенологических наблюдений в условиях современных изменений климатических процессов, а также по усилению координации наблюдений и исследований под эгидой РГО. Материалы размещены в РИНЦ (https://www.elibrary.ru/item.asp?id=46516772).
9. Опубликованы 3 научные статьи в журналах из перечня ВАК, отражающие основные теоретико-методологические подходы и результаты исследований влияния изменений климата на сезонную динамику ландшафтов Урала:
1) Исследование сезонной динамики ландшафтов Урала в парадигме функционально-динамического подхода: история и современность/ О.Ю. Гурьевских [и др.]//Географический вестник. 2021.№1. С.16 – 30.
2) Тенденции весеннего развития растительности в условиях ландшафтного разнообразия Урала в контексте климатических изменений /О.Ю. Гурьевских [и др.]//Успехи современного естествознания. 2021. №5. С. 51-61.
3) Картографирование фитофенологических явлений и биоклиматических показателей в ландшафтных провинциях Урала О.Ю. Гурьевских [и др.] // Международный научно-исследовательский журнал. 2021. № 6 (108). С. 24-32.
10. Издана монография «Влияние климатических изменений на сезонную динамику ландшафтов Урала» с грифом РГО, объемом 25 п.л., формата А4, в которой изложены основные теоретико-методологические подходы, результаты расчета и картографирования динамики климатических и биоклиматических показателей для разных типов ландшафтов Урала. Монография рассчитана на широкий круг читателей – как научных сотрудников, так и учителей, преподавателей и всех, кто интересуется данной проблематикой. Презентация издания состоялась на конференции «Климатические изменения и сезонная динамика ландшафтов» 23.04.2021 г.
Общее количество вовлеченных в исследование школьников – 53, студентов и магистрантов – 97, кандидатов наук – 4, аспирантов и молодых ученых -3.

Научное значение проекта:
• выявлена пространственно-временная структура ландшафтных областей и провинций Северного, Среднего и Южного Урала;
• установлены тренды наступления сезонных явлений;
• выполнено картографирование фенологических явлений и биоклиматических показателей для ландшафтных провинций Урала;
• проанализировано изменение климата в ландшафтных областях и провинциях Урала в XX-XXI веках;
• выполнен многофакторный анализ и ландшафтное обоснование региональной фенологической сети.

Практическое значение исследования:
установление сроков фенологических явлений в условиях изменяющегося климата имеет значение в широком диапазоне сфер деятельности человека, связанных с сезонностью явлений:
• лечение и профилактика сезонных заболеваний, причиной которых служит аллергическая реакция на пыльцу растений (поллиноз) –медицина;
• установление сроков активности клещей - эпидемиология, паразитология – акарология, рекреация и туризм, спорт;
• сезонные сельскохозяйственные работы – сельское хозяйство;
• тактика проведения спасательных работ, борьба с пожарами – безопасность;
• включение региональных ООПТ в фенологическую сеть – охрана природы;
• исследовательская деятельность со школьниками и студентами – образование.
Освещение деятельности по проекту в СМИ.
● «Стартовала фенологическая экспедиция УрГПУ и РГО на Южный Урал», дата публикации 14.08.2020, Уральский государственный педагогический университет – https://uspu.ru/news/startovala-fenologicheskaya-ekspeditsiya-urgpu-i-rgo-na-yuzhnyy-ural/?sphrase_i... 
● «Участники фенологических экспедиций УрГПУ пронаблюдали и измерили скорость наступления осени на Урале», дата публикации 18.09.2020, Уральский государственный педагогический университет – https://uspu.ru/news/uchastniki-fenologicheskikh-ekspeditsiy-urgpu-pronablyudali-i-izmerili-skorost-...
● «Уральцы измерили скорость наступления осени в регионе», дата публикации 18.09.2020, РГО - https://www.rgo.ru/ru/article/uralcy-izmerili-skorost-nastupleniya-oseni-v-regione
● «Ученые обсудили климатическую и экологическую ситуацию в мире и представили результаты своих исследований», дата публикации 23.04.2021, Уральский государственный педагогический университет – https://uspu.ru/news/uchenye-obsudili-klimaticheskuyu-i-ekologicheskuyu-situatsiyu-v-mire-i-predstav...
● «Приглашаем к участию во всероссийской научно-практической конференции «КЛИМАТИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ И СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА ЛАНДШАФТОВ», дата публикации 15.01.2021, РГО - https://www.rgo.ru/ru/article/priglashaem-k-uchastiyu-vo-vserossiyskoy-nauchno-prakticheskoy-konfere...
● «Климатические изменения и сезонную динамику ландшафтов рассматривают на фенологической конференции в Екатеринбурге, дата публикации 23.04.2021, РГО - https://www.rgo.ru/ru/article/klimaticheskie-izmeneniya-i-sezonnuyu-dinamiku-landshaftov-rassmatriva...
● «Фенологическая школа», дата публикации 29.04.2021, Фенологическая сеть РГО – https://fenolog.rgo.ru/article/fenologicheskaya-shkola
«В Екатеринбурге состоялась фенологическая конференция», дата публикации 26.04.2021 г., Фенологическая сеть РГО – https://fenolog.rgo.ru/article/v-ekaterinburge-sostoyalas-fenologicheskaya-konferenciya

Сроки реализации:

Проект стартовал 14 июня 2020 года и завершился 25 мая 2021 г.
Исследования, проводимые Уральской фенологической школой являются долгосрочными и выполняются системно на протяжении последних 100 лет, начиная с 20-х годов века.