Моделирование межгеосистемных различий влагопереноса в почве-растительности-атмосфере лесостепи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 11.00.07, кандидат географических наук Кашутина, Екатерина Александровна

• Кашутина, Екатерина Александровна
• кандидат географических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат географических наук Кашутина, Екатерина Александровна

Том 1. Текст диссертации.

Введение.

Глава 1, Основные факторы формирования водного цикла вегетационного периода в зоне лесостепи.

Глава 2. Описание влагопереноса на участках плакорных территорий лесостепной зоны в период вегетации с использованием модели.

Глава 3. Оценка переметров модели. Критерии качества. Чувствительность модели к различным факторам. Проверка модели на независимом материале.

Глава 4. Зависимость процессов влагооборота в почве от типа геосистем при различных метеорологических условиях.

Глава 5, Попытка реконструкции исторического гидрологического цикла вегетационного периода лесостепи.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование межгеосистемных различий влагопереноса в почве-растительности-атмосфере лесостепи»

Обмен теплом и влагой между поверхностью суши и атмосферой - один из основных факторов формирования и изменения климата и речного стока. Его количественная оценка на основе прямых измерений потоков явного и скрытого тепла в атмосфере и их связей с метеорологическими параметрами для различных ландшафтов выполнена в 1940-1960-х годах климатологическими школами М.И.Будыко, А. Р. Константинов а, А.С.Монина, Ю.Л.Раунера в СССР (Будыко, 1955, 1956, Моннн, Обухов, 1954, Раунер, 1960-1, 1960-2, Константинов, 1968), Боуэна, Торнтвейта, Пенмана в США (Bowcn I.S., 1926, Thornthwaite C.W., 1939, 1954, Penman H.L., 1948). Позднее на основе таких работ сделаны оценки вклада природаых зон в формирование климата (Кренке, Золотокрылин, 1984). В это же время в нашей стране интенсивно развивалась ландшафтная гидрология, в первую очередь связанная с именами В.Г.Глушкова (1933) и М,И.Львовича (19э0а |'9'5"0б. 1963). занимающаяся проблемами формирования и изменения водного баланса в различных природных ландшафтах.

Однако в это время в географик существовало некоторое противопоставление между гидрологическими и метеорологическими методами в изучении взаимодействия поверхности суши и атмосферы. Метеорологические оценки не учитывали процессов внутри почвенного и растительного покрова , либо вообще не рассматривая почву, либо определяя ее лишь как пассивную емкость (модель "ведра"), затопляемую или переполняемую избыточной влагой (разностью осадков и испарения), и не различали транширации влаги через растение от ее испарения с поверхности почвы или с капель воды на листьях. В гидрологических работах испарение рассчитывалось либо по простейшим зависимостям типа формулы Дальтона, уравнения Ольдекопа, или как остаточный член уравнения водного баланса.

В 1960-е годы появляются работы, рассматривающие физические и биологические процессы в системе "подстилающая поверхность - атмосфера" в виде континуума почва-растение-атмосфера (Будаговский, 1964, Philip, 1966). В зарубежной терминологии такие модели получили наименование SVAT (Soil-Vegetation-Atmosphere). В нашей стране разработкой данного подхода в 1970-80-е годы занимались С.В.Нерхшн, А.Ф.Чудновский (1975), И.И.Судницын (1979), О.Д.Сиротенко (1981), Лаборатория гидрологического цикла суши Института Водных Проблем АН (Кучмент и др., 1989, Мотовилов, Старцева, 1985, Старцева, 1992). За границей наибольшее развитие получил подход, предложенный Дирдорфом (Deardorff J.W., 1978). Детализация описания гидрометеорологических процессов в таких моделях различна и зависит в том числе от поставленной задачи. Однако построение единых моделей SVAT тормозится различием скорости процессов и точности (быстроты) их измерений в почве и атмосфере. Гидрология поверхностного стока и верхних почвенных слоев имеет типичный временной масштаб порядка 1-10 дней, а метеорологические процессы характеризуются временным масштабом около 1 часа (Andre et al., 1986), Турбулентные потоки являются нелинейными функциями от статического состояния нижнего атмосферного слоя, почвенной влажности, температуры поверхности. Поэтому, по мнению Дшсинсона (Dickinson et al., 1986), для расчетов диффузионных потоков (например, испарения) нельзя привлекать среднесуточные значения метеорологических элементов, тогда как в гидрологических моделях формирования влажности почвы наиболее часто использующийся шаг по времени - 1 сутки. Вследствие этого к стыковке гидрологических и метеорологических блоков следует подходить с особой аккуратностью.

Примерно в последнее десятилетие исследования в области параметризации моделей типа SVAT получили значительное распространение из-за быстрого развития глобальных моделей климата, требовавших данных о влиянии на вертикальный влагоперенос неодаородностей свойств подстилающей поверхности суши. Применению моделей типа SVAT в рамках моделей климата посвящена работа одного из комитетов Международной Гидрологической Ассоциации - ICASVR (Int. Commitee on Atmosphere-Soil-Vegetation Relations). Глобальные модели климата имеют значительный пространственный масштаб (2.5x2.5°, в последнее время 1.0x1.0°, что в средних широтах примерно соответствует территории в 10000 кв.км). Свойства поверхности и гидрологические процессы сейчас в подобных моделях учитываются достаточно грубо: климатической ячейке присваиваются однородные свойства растительности и почвы, как правило, по доминирующему на этой территории типам почвенно-растительного покрова (модели BATS Дикинсона (Dickinson et al., 1986), SiB - Селлерса (Sellers et al., 1986), модель И.А.Розинкиной (1991) и другие). Свойства почв в подобных расчетах либо вообще не учитываются, либо используется только грубая классификация по механическому составу (песок, гравий, глина и т.д.) (Cuerna, Mahrt, 1995).

Между тем реальные поверхности неоднородны не только для масштабов 2.5x2.5°, но и для гораздо меньших. Они представляют наборы геосистем с размерами порядка сотен метров или первых километров - посевы различных сельскохозяйственных культур, леса, водоемы, болота, селитебные территории. Набор и соотношение площадей геосистем меняются в результате антропогенной деятельности вместе с изменением землепользования, что может служить важным фактором изменений климата (Кренке, 1989). Здесь существует важнейшая проблема - как распространить данные о процессах на участке малого масштаба (около 10-* м-) на размеры климатической ячейки глобальной климатической модели, принимая во внимание значительную пространственную изменчивость физических и биологических характеристик почвенного и растительного покрова (Andre, 1986), В недавних исследованиях выявлена значительная нелинейная реакция атмосферных процессов на пространственную изменчивость характеристик подстилающей поверхности в ячейке климата (Avissar, 1995). Поэтому проблема влияния неоднородности территории на ее суммарный обмен теплом и влагой с атмосферой является одним го основных фокусов ключевого проекта биосферно - геосферной программы "Глобальные изменения" -Биосферные аспекты гидрологического цикла (ВАНЮ). Согласно этой Программе выполнена серия полевых экспериментов в разных странах и природных зонах, в том числе КУРЭКС-88 и КУРЭКС-91 в лесостепной зоне Европейской России (рис.В.1 и В. 2) с участием автора, Для оценки значений пространственной изменчивости потоков необходимо их независимое моделирование для различных геосистем, входящих, в ту или иную природную зону. Модели для отдельных геосистем важны не только для последующего интегрирования подсеточных процессов, но и для расчетов режимов каждой из геосистем самой по себе, что дает возможность оценил» распространение корневой системы, предсказать почвенные засухи или переувлажнение почв, оценить наличие или отсутствие поверхностного стока и подпитку грунтовых вод. Такие модели могут быть использованы в цепях реконструкции или прогноза гидрологического цикла территории при изменении структуры землепользования или климатических параметров в некоторых пределах. Эти исследования важны также дая создания современных многомерных мезомасштабных моделей стока с водосборов (Кучмент и др., 1986), где необходимо задание информации об изменчивости свойств подстилающей поверхности.

Нами подобная модшь влагопереноса построена для репрезентативных геосистем лесостепи бассейна р.Сейм до г.Курска (площадь водосбора около 7500 KB.KM.). Выбор территории определялся наличием исходной информации, непосредственным участием автора в полевых экспериментах серии КУРЭКС, проводившихся на базе Курской биосферной станции Института Географии РАН, и относительной однородностью почвенного покрова этого района. Построение модели состояло в комбинировании и стыковке между собой традиционных блоков -модели диффузии почвенной влаги, для которой нами предложены некоторые новые

Рис.В.1. Схема полигона "КУРЭКС-88" Б Л

- экспериментальные объекты

- точки наблюдений

Схема полигона "КУРЭКС-91" дороги границы объектов реки точки наблюдений маршруты полетов ТУ-134: на высоте 10 км на высоте 5 км

-7 и критерии оптимизации эмпирических параметров, модели испарения и транспнращш А.И.Будаговского с некоторыми дополнениями, привязывающими испарение к процессам влагопереноса в почве, модели поглощения почвенной влаги корнями растений Молза, модифицированного нами подхода к расчету перехвата осадков, разработанного Руттером. Отличия нашего подхода от традиционных моделей ЗУАТ определялись 1)наличием в модели А.И.Будаговского большого эмпирического материала практически для всех геосистем лесостепи, как впрочем и для ряда других зон, и отсутствием в них необходимости измерений других параметров растительного покрова, кроме его высоты и листового индекса. Прочие, как правило, трудно поддающиеся измерениям характеристики в подходе Будаговекого заменены эшшрическими функциями, детерминированными для определенных видов и фазовых состояний растительных геосистем; 2)возможностью применения модели испарения для суточного шага по времени и таким образом совпадением временных масштабов дня гидрологического (формирования влагосодержания почвы) и метеорологического (испарения) блоков; 3) наличием массовых расчетов потоков тепла и влаги для больших территорий СНГ по модели А. И,Будаговекого.

Целями работы являются:

1. оценка для разных условий величин межгеосистемных неоднородностей составляющих испарения, движения и накопления влаги в почве в теплый период года на основе модели вертикального влагопереноса в системе почва-растительность-атмосфера с привлечением детального описания почвенно-растительных свойств геосистем лесостепи;

2. получение для разных исторических срезов интегральных характеристик элементов гидрологического цикла рассматриваемой территории с учетом их мезомасшабной неоднородности.

Достижение этих целей потребовало решения следующих задач:

1) на основе сведении о главных факторах формирования гидрологического цикла вегетационного периода лесостепи составление и параметризация для репрезентативных геосистем исследуемой территории модели, описывающей основные гидрологические процессы;

2) оценка по модели элементов гидрологического цикла геосистем лесостепи за разные временные интервалы в различных метеорологических условиях;

3) реконструкция исторических изменений водного цикла территории в связи с изменением землепользования в лесостепи с учетом мезомасштабной неоднородности поверхности. 9

Научная новизна. В представленной работе впервые для расчета потоков влаги в почве использована откалиброванная для доминирующих в рассматриваемой зоне видов растительности модель звапотранепирации А. И.Будаговекого. Впервые с учетом видовых особенностей растительного покрова на основе параметризации гидрофизических свойств почв детально описаны гидрологические процессы вегетационного периода в лесостепной зоне. В модели предложены новые критерии качества, позволяющие описать структурные особенности профиля влажности почвы. Получены оценки мезомасштабной неоднородности потоков влаги во всей системе почва-растительность-атмосфера и накопления влага в различных гидрометеорологических условиях для геосистем лесостепи.

Практическая ценность. Результата работы могут быть использованы дай совершенствования мезомасштабных гидрометеорологических моделей, в моделях климата. Расчеты гидрологического режима каждой из геосистем дают возможность оценить распространение корневой системы, улучшить качество прогнозов почвенных засух и переувлажнения почв, оценить наличие или отсутствие поверхностного стока и подпитки грунтовых вод, выполнить начальные этапы расчетов стока, Модель может применяться для прогноза изменения водного цикла в результате природно-антропогенных модификаций, для реконструкции гидрологических процессов территории при историческом изменении структуры землепользования (имитационное моделирование). Подобные исследования важны также для создания современных многомерных мезомасштабных моделей стока с водосборов, требующих информации об изменчивости свойств подстилающей поверхности.

Работа была выполнена в лабораториях Гидрологии и Климатологии Института Географии РАН, В работе использованы материалы базы данных по Проекту международных экспериментов ВАНС на территории лесостепи КУРЭКС-88 и КУРЭКС-91, в которых автор принимала участие, отчеты участников Проекта, материалы многолетних исследований Института Географии в районе Курской биосферной станции, материалы Центрально-Черноземного заповедника, длительные ряды наблюдений Нижнедевицкой воднобалансовой станции, некоторые данные измерений на агрометеорологической и гидрологической сетях Курской области. Я благодарна Л.Н.Былинской за предоставленную возможность работы с авторским макетом карты землепользования Курской области, составленную ею для конца XVIII столетия, Нине Николаевне Самариной и недавно скончавшейся Леонтине Михайловне Ананьевой за предоставленные ими материалы исследований по Курской области.

Я благодарю своего научного руководителя Александра Николаевича Кренке, без научной помощи и моральной поддержки которого данная работа была бы невозможной, Ирину Павловну Милюкову за научную и практическую помощь при создании модели. Хочу высказать большую признательность всем сотрудникам лаборатории Почвенных Вод Института Водных Проблем, которые очень помогли мне в освоении модели испарения, разработанной в их лаборатории. Хочется выразить благодарность Николаю Ивановичу Коронкевичу, Сергею Владимировичу Зонну, Александру Георгиевичу Георги ада, Сергею Владимировичу Ясинскому, Евгению Михайловичу Гусеву, Андрею Борисовичу Шмакнну, Елизавете Анатольевне Денисенко, Светлане Арсентьевне Сычевой, Анатолию Анатольевичу Токаренко за предоставленные консультации, и всем сотрудникам лаборатории гидрологии Института Географии РАН - за их долготерпение. Я хочу с благодарностью вспомнить Елену Александровну Лозинскую, работавшую в лаборатории Почвенных Вод ИВП РАН, и Евгения Петровича Чернышева, с которым мне посчастливилось работать на экспериментах КУРЭКС, а также высказать огромное уважение школам Анатолия Ивановича Будаговского и Льва Самуиловича Кучмента, методики исследований которых широко применялись в данной работе.

Заключение диссертации по теме «Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия», Кашутина, Екатерина Александровна

Выводы.

При исследовании поведения геосистем в метеорологические сезоны различной степени обеспеченности были получены следующие основные результаты по оценке межгеосистемных различий в гидрологическом цикле для вегетационного периода лесостепи;

1. Максимальные отличия в испарении с поверхности почвы между различными геосистемами лесостепи отмечаются в период со второй декады июня по вторую декаду августа и составляют: в экстремально сухой и жаркий год более 2.5 мм/сутки (между лесом и паром), во влажные и холодные и средние по условиям тепло- и влагообеченности сезоны уменьшаются до 2 мм/сутки (между лесом и паром, между лесом и сахарной свеклой).

2. В сухие и средние года максимальный разброс в величинах транспирации приходится на 2 декаду июня и достигает 6 мм/сутки между лесом и косимой степью. Во влажные годы максимальные отличия в значениях транспирации между геосистемами сокращаются до 4 мм/сутки (между лесом и кукурузным полем) и сдвигаются на 3 декад}' мая. Нижний метровый почвенный слой (100 - 200 см) наибольшую роль в транспирации играет в засу шливые сезоны, во влажные и средние его роль уменьшается.

3. Максимальные отличия между геосистемами в суммарном испарении возрастают с увеличением сухости года (до 5 мм/сутки в экстремально сухой год, до 3 мм/сутки в экстремально влажный год). В зависимости от метеорологических условий наибольший разброс в испарении отмечается с конца мая по начало июля, при этом чем суше год, тем раньше отмечаются максимальные различия в значениях суммарного испарения по территории. Наибольшие отличия во все сезоны отмечаются между' испарением с лесных и паровых участков.

4. Во все годы максимальные отличия во влагозапасах в слое 0 100 см отмечаются между паровым и ячменным полями, причем в сухие годы максимум различий приходится на конец июня, а во влажные и средние по метеоусловиям годы - на первую декаду июля.

5. Основными поглотителями влаги в зоне лесостепи являются лес и культура сахарной свеклы. Даже при экстремально высоких осадках баланс почвенной влаги в слое 0-200 см в лесу за вегетационный сезон всегда отрицательный, а под сахарной свеклой - близок к нулю. Под пологом леса во все сезоны, а под сахарной свеклой в сухие и средние по условиям тепло- и влагообеспеченности годы изменение влагозапасов во втором от поверхности метровом почвенном слое даже превышает изменения в верхнем 1-метровом слое. Пар по сравнению с прочими геосистемами экономит воду, однако в средние и сухие годы расходует на физическое испарение не только влагу летних осадков, но и весенние почвенные влагозапасы.

6. Исключение вертикального водообмена между слоями 0-100 и 100-200 см для геосистем лесостепи оправданно лишь для лет, характеризующихся средними метеоусловиями, причем только в случае рассмотрения всего сезона вегетации.

7. Наибольшие отличия в распределении влажности почвы по глубине между геосистемами характерны для лет средней обеспеченности, наименьшие - во влажные сезоны.

Глава 5

Попытка реконструкции исторического гидрологического цикла вегетационного периода лесостепи

Как один из вариантов применения, нашу модель можно использовать для оценки гидрологического цикла вегетационного периода территории лесостепи при различных сценариях ее ландшафтной структуры (как гипотетических, так и реальных). Следует заметить, что имитационное моделирование поведения гидрологических систем в условиях меняющихся климата и землепользования выполнялось многими авторами на различных по степени сложности моделях и ранее. Выделю, например, работы Института Водных Проблем РАН (Кучмент, Мотовилов, Назаров, 1990) и Государственного Гидрологического Института (Румянцев и др., 1985). Ниже в нашей работе приведены результаты попытки сравнения компонент гидрологического цикла вегетационного периода исследуемой территории для трех временных срезов: 1. при отсутствии антропогенного воздействия на природу, 2. для конца XVIII века, когда происходило интенсивное сельскохозяйственное освоение территории, 3. на современном этапе (по состоянию ландшафтной структуры на 1988 год).

А. М.Грином (1965) с привлечением метода ландшафтно-гидрологических аналогий была выполнена реконструкция годового гидрологического цикла данной территории в историческую эпоху. Им была сделана оценка водного баланса лесостепи для условий 1) до начала хозяйственного освоения области (примерно до 1Х-Х вв.). при этом принималось, что общая лесистость территории составляла 60 % , 2) для конца XIX- начала XX веков,3) для второй четверти XX столетия. В его работе для ненарушенных человеским вмешательством природных условий в качестве аналога были приняты естественные геосистемы Центрально-Черноземного заповедника, а для конца XIX- начала XX веков - данные по Нижнедевицкой во дисбалансовой станции, где обработка земли на стоковых площадках производилась вручную или на конной тяге. А.М.Грином были получены оценки динамики структуры годового водного баланса для данной территории, приведенные в таблице 5.1.

Реконструкция гидрологического цикла в нашей работе была сведена к оценке параметров исторической подстилающей поверхности и расчетам гидрологических процессов для осредненного по метеоусловиям года с вводом в использовавшуюся модель восстановленных параметров.