Работа над научными проектами

Оценка влияния климатических изменений на сельское хозяйство Республики Татарстан методом имитационного моделирования в XX-XXI веках

С 2022 по 2023 гг. сотрудниками кафедры велась работа над проектом, направленный на решение важной фундаментальной научной проблемы - оценки роли естественных (тепловое состояние Атлантического океана, циркуляции атмосферы) и антропогенных факторов на формирование погодно-климатических и агрометеорологических аномалий на территории Республики Татарстан и их влияния на продуктивность сельскохозяйственных культур в настоящем и будущем.

Климат и погода играют существенную роль в формировании урожая сельскохозяйственных культур. В связи с глобальным потеплением климата происходят региональные изменения агроклиматических ресурсов, приводящие к изменению основных показателей вегетационного периода (продолжительности, тепло- и влагообеспеченности и др.), биоклиматического потенциала, наблюдается рост засушливости в районах рискованного земледелия, включая территорию Республики Татарстан. Для решения задачи климатических изменений на состояние и продуктивность био(агро)сферы была использована, разработанная В.Н. Павловой в ВНИИСМ, имитационная система Климат-Почва-Урожай (КПУ). Данная модель позволяет оценить изменения агроклиматических ресурсов и продуктивность зерновых культур по данным метеорологических, почвенных и агрохимических наблюдениях в рамках текущего мониторинга. С использованием численных сценариев изменения климата до конца XXI века была произведена оценка агроклиматических ресурсов и продуктивности с/х культур в XXI веке.

Задачи проекта:

1. Анализ климатических изменений в РТ в последние десятилетия (1966-2021 гг.) на фоне происходящих климатических событий в Северном полушарии и России.

2. Оценка агроклиматических ресурсов РТ, включающих в себя характеристики вегетационного периода, биоклиматический потенциал, показатели экстремальности климата с использованием данных метеосети и реанализов.

3. Моделирование процесса формирования урожая с использованием динамической модели Погода-Урожай, задавая метеорологические условия с суточным шагом по времени от всходов до уборки урожая. Расчет запасов влаги в почве, показателей испарения, биометрических показателей растений. Мониторинг состояния посевов с помощью спутниковой информации (NDVI).

4. Оценка климатических рисков и показателей изменений агроклиматических ресурсов и продуктивности зерновых культур на основе сценариев изменения климата GFDL CM3, HAD CM3 и ANS 31 на начало, середину и конец XXI века по сценариям эмиссии парниковых газов RCP4.5 и RCP8.5.

Для получения объективной информации об изменениях климата на территории РТ были использованы статистические методы обработки и анализа данных метеорологических наблюдений и реанализа. Агроклиматические ресурсы были оценены с помощью известных показателей. Были оценены суммы среднесуточных значений температуры воздуха за период со среднесуточной температурой, превышающей 0, 5, 10 и 15оС; даты устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха через 0, 5, 10 и 15оС весной и осенью; продолжительность периодов календарного года со среднесуточной температурой, превышающей 0, 5, 10 и 15оС. Показатели ресурсов влаги были оценины с помощью индекса сухости М.И. Будыко, гидротермического коэффициента Г.Т. Селянинова, коэффициента увлажнения Ю.И. Чиркова. Степень засушливости был рассчитан с использованием индекса Д.А. Педя, а суровость зим по методу А.В. Мещерской. В качестве показателей экстремальности гидрометеорологических условий были рассчитаны 27 климатических показателей рекомендованных ВМО. Кроме того, мезомасштабная численная модель WRF-ARW апробирована для прогностических расчетов на территории РТ, что позволило составить прогнозы неблагоприятных метеорологических явлений и предупреждать об этом работников агросферы. Оценка климатических рисков при производстве сельскохозяйственных культур был произведен по формуле:

R=P*Y, где R – риск, Р – вероятность опасного явления, Y – уязвимость объекта.

По предложению В.Н. Павловой, величина уязвимости объекта была оценина по формуле

Y=1 – урожайность/БКП, где БКП – биоклиматический потенциал.

В Казанском университете для оценки происходящих климатических изменений в XX-XXI веках регулярно привлекались данные о температуре поверхности океана (Северная Атлантика), барико-циркуляционных процессах, происходящих в тропосфере Северного полушария, включая известные индексы циркуляции NAO, AO, SCAND и др., солнечной активности и др. Этот опыт был использован в данном проекте с целью оценки вклада естественных факторов в климатические изменения. Так, с применением метода множественной пошаговой регрессии был оценен вклад циркуляционных мод в формирование региональных структур и сезонных особенностей изменения температуры воздуха в текущий момент времени.

Прогностические климатические оценки были выполнены по результатам расчетов с моделями общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО) проекта CMIP6.

На основе разработанной в ВНИИСМ имитационной системы Климат-Почва-Урожай была реализована система численного мониторинга агроклиматических ресурсов РТ и прогноз продуктивности зерновых культур с использованием ряда сценариев изменения климата.

Кроме того, дополнительно для оценки состояния посевов и прогноза ожидаемой урожайности была использована спутниковая информация. С этой целью планировалось регулярно анализировать величину «вегетационного индекса» NDVI, с помощью которого можно рассчитывать и оценивать продуктивность растений, фенологические изменения, продолжительность вегетационного периода и др. Как известно, величина NDVI определяется путем дистанционного зондирования с учетом обнаруженной зависимости между отражением оптического излучения в красном и ближнем инфракрасном диапазонах спектра и количеством наземной биомассы, площади листовой поверхности и т.д.

Общий план реализации проекта

План на первый год реализации проекта

1. Подготовка и анализ информационной базы – метеорологических наблюдений на станциях на территории РТ и сопредельных субъектов РФ, данных реанализа, тепловом состоянии Северной Атлантики и макромасштабных индексов атмосферной циркуляции. Кроме того, будет сформирована база данных о тепловом и влажностном состоянии почв на территории РТ и урожайности сельскохозяйственных культур.

2. Расчет совокупности статистических показателей, характеризующих среднее состояние климата РТ в период 1966-2021 гг. и экстремальных климатических характеристик.

3. Расчет характеристик вегетационного периода: дат перехода средней суточной температуры через 0, 5 и 10оС весной и осенью, продолжительности вегетационного периода, сумм эффективных температур, биоклиматического потенциала.

4. Нахождение статистических связей между характеристиками тепло- и влагообеспеченности различных месяцев вегетационного периода и урожайностью сельскохозяйственных культур, построение уравнений множественной регрессии.

5. Подготовить и опубликовать 2 статьи в журналах из третьего (Q3) квартиля и 3 статьи в российских журналах из перечня ВАК. Срок выполнения 3-4 кварталы 2022 г.

План на второй год реализации проекта

1. Определение физико-статистической зависимости климатических показателей и характеристик вегетационного периода от состояния температуры поверхности океана, циркуляции атмосферы и солнечной активности. Выявление степени засушливости земель региона.

2. Оценка изменчивости агроклиматических ресурсов и продуктивности зерновых культур на территории Татарстана с помощью имитационной системы Климат-Почва-Урожай по данным регулярных метеорологических, почвенных и агрохимических наблюдений.

3. Оценка климатических рисков при производстве зерновых культур и оценка ущербов от опасных явлений на территории РТ.

4. Прогноз температуры воздуха и атмосферных осадков на территории РТ на базе ансамблевых расчетов климатических моделей CMIP6 до конца XXI века.

5. Расчет комплексных оценок изменений агроклиматических ресурсов и продуктивности зерновых культур в РТ на основе сценариев изменения климата GFDL CM3, HAD CM3 и ANS 31 на начало, середину и конец XXI века по сценариям эмиссии парниковых газов RCP4.5 и RCP8.5.

6. Подготовить и опубликовать 2 статьи в журналах из третьего (Q3) квартиля и 4 статьи в российских журналах из перечня ВАК. Подготовить и опубликовать монографию «Изменения современного климата на территории Татарстана и их последствия для сельского хозяйства».

Ожидаемые результаты реализации проекта

1. Составление аналитического обзора о состоянии климата и в целом окружающей среды на территории РТ в период 1966-2021 гг. (2022).

2. В результате комплексного анализа характеристик вегетационного периода (его тепло- и влагообеспеченности, продолжительности и др.) и урожайности сельскохозяйственных культур будет построена статистическая модель по оценке вклада различных естественных факторов в продуктивность зерновых культур (2022).

3. Будет получена оценка роли макромасштабных естественных факторов (теплового состояния океана, атмосферной циркуляции и солнечной активности) в изменениях климата и агроклиматических ресурсов на территории РТ в современный период (2023).

4. С помощью имитационной модели Климат-Почва-Урожай будет осуществлен мониторинг урожайности сельскохозяйственных культур на территории РТ с использованием декадных метеорологических, почвенных и биохимических наблюдений (2023).

5. На базе ансамбля климатических моделей CMIP6 будет дана оценка климатических изменений РТ до конца XXI века, степени засушливости земель (2023).

6. Анализ динамики продуктивности зерновых культур до конца XXI века с использованием ряда сценариев климатических изменений на базе имитационной модели Климат-Почва-Урожай (2023).