Байкало-Монгольский регион является на настоящий момент малоизученным в аспекте зональной и региональной организации тепла и влаги. Он играют существенную роль в планетарном тепловлагообмене, так как представляет собой эколого-географическое ядро Центральной Азии.
Целью настоящего исследования явилось проведение сравнительного анализа методических подходов и методов оценки пространственно-временной организации тепла и влаги Байкало-Монгольского региона в реальном времени. Показаны пути решения оценки природных ресурсов тепла и влаги.
Методы географического анализа
Свойства географического поля. Взаимодействия множественных состояний атмосферы и рельефа не однозначные и выражаются в пространственно-временных тенденциях, корреляциях и функциях, относящихся к различным отраслям физической географии: климатологии, гидрологии, геоморфологии, геологии. Их невозможно выразить какой-либо одной строго определенной закономерностью. Поэтому, каждая наука формирует свой теоретический и прикладной образ взаимодействия атмосферы и ландшафтной поверхности. Вырабатывается, таким образом, система последовательных методов, отражающих отклик структур и режимов земной поверхности на атмосферные воздействия планетарного и космического порядка. Горные системы в некоторой степени азональные. В них региональные зоны отличаются от зональности 1-го порядка (поясности). Они взаимно подчинены друг другу с определенной относительностью и, следовательно, планетарные, космические и региональные свойства затушеваны, выражены не явно, тенденциозно.
Пространственное формирование на ландшафтной поверхности температур, атмосферных осадков, стока вод и испарения в горных системах имеет свои особенности. Они обусловлены высотной поясностью, экспозицией частей рельефа, географическим местоположением, широтой и долготой каждого ландшафта. Эти факторы создают множественную мозаику пространственно-временных изменений тепла и влаги, формируют их географическую системность, но не обеспечивают их корреляцию. Горная система представлена разнообразными довольно мелкими и сложно согласованными практически не коррелируемыми между собой геосистемами. Для них общим является средняя (обобщенная) согласованность, пространственная или временная направленность процесса и, вместе с этим, они имеют единую гидрологическую сеть. Поэтому, для всего географо-горного поля характерно свойство общей направленности, векторности со слабой корреляционной изменчивостью – оно тенденциозное с осредненной пространственно-временной организованностью [8].
Статистическая гидрология без параметров географического поля. Современная гидрология, как правило, изучает суммарный сток с организованных определенным образом элементарных ландшафтов в створе реки. Но, при этом, не располагает методами, обеспечивающими обратную связь с первичными стокоформирующими ячейками. Подобный бассейновый подход раскрывает структуру межгодовых колебаний стока, выявляет закономерности многолетних тенденций его изменений и составляет фоновый прогноз на ближайшую перспективу. Для этих целей разработаны соответствующие статистические способы, пространственные и временные тренды вычисляются методом наименьших квадратов, цикличность выясняется путем построения интегральных разностных кривых, теснота связей между анализируемыми рядами оценивается корреляционным анализом. Но они, как уже отмечалось, не оценивают и не создают первичную информацию, не дифференцируют ее пространственно, и время внутри бассейна.
Подобные значимые исследования в пределах Забайкалья выполнены В.А. Обязовым [9]. Была доказана многолетняя изменчивость стока рек, его непродолжительная и последовательная смена многоводных и маловодных фаз. Для главной юго-восточного реки Забайкалья – Шилки начало многоводных фаз выявлено в 1906, 1932, 1956, 1983, а их окончание – в 1920, 1941, 1963 и 1998 гг. Начало маловодных фаз отмечены в 1921, 1942, 1964, 1999, окончание – в 1931, 1955, 1982, 2007. Выявленные периоды относятся к внутривековым и имеют продолжительность от 24 до 27 лет. Фактор смены циклов отражает и тенденции многолетних изменений годового стока и тренды, как во времени, так и в пространстве. Отмечена высокая степень согласованности осадков и стока рек. Водность стока рек Забайкалья, по мнению автора, в следующем периоде до 2021-2023 гг. будет повышенной.
По Монголии составляющие водного баланса анализировались Н.Т. Кузнецовым [6]. Это первая работа, в которой дается оценка источников питания рек. В ней особо отмечается повышенное питание рек грунтовыми водами за счет высокой инфильтрационной способности защебененных почв. При этом наблюдается закономерное увеличение доли грунтового питания при движении на юг. Однако абсолютная величина такого питания в южном направлении уменьшается и в ручьях пустыни Гоби. Расходы воды невелики, хотя водосборные площади достигает значительных размеров.
Периодичность выпадения атмосферных осадков и стока рек Монголии анализировалась Н. Батнасаном, Д.В. Севастьяновым [2]. Ими отмечено, что в пустынях Гоби фаза пониженной увлажненности продолжительностью около 20 лет завершилась в 1952 г., а фаза повышенной увлажненности достигла максимума в 1965–1970 гг. При этом, увлажненность горных областей характеризуется менее определенной изменчивостью.
Подобные прогнозы изменений климата Монголии частично приведены в статье Д. Оюунбаатара с соавторами [10]. По данным авторов к концу этого столетия в 2080 г. в зимнее время температура воздуха по сравнению с климатической нормой 1961-1990 гг. повысится на 3,4 градуса, а осадки увеличатся на 13,9 мм. В летнее время атмосферных осадков выпадет на 23,9 мм больше.
В 1970-1980 гг. наблюдались маловодные годы. С конца 1980 г. до середины 1990-х преобладал относительно многоводный период. Под влиянием глобального потепления с середины 1990-х годов в Монголии начался маловодный период, который продолжается и до настоящего времени. Тип осадков изменился – уменьшилось количество обложных дождей, а количество ливневых дождей увеличилось на 18-20%. Кратковременные ливневые дожди не увеличивают влажность почвы и уровень грунтовых вод. Теряется связь между поверхностными и подземными водами. Разные климатические сценарии показывают, что ожидается увеличение стока поверхностных вод Монголии до 2040-2070 гг. В дальнейшем из-за продолжающегося потепления климата и в связи с увеличением суммарного испарения ожидается существенное уменьшение стока.
В приведенном анализе пространственно-временной изменчивости составляющих водного баланса основное внимание обращено на результаты исследований, которые получены классическими, в основном статистическими методами. Сомнений нет в достоверности этих результатов. Однако настораживает то обстоятельство, что в выполненных анализах присутствует какое-то безликое пространство без ландшафтов и рельефа, гор и низменностей. Анализируется водность какой-то абстрактной гидрологической сети, какого-то бассейна, внутренняя структура которого напоминает черный ящик, который, должен быть основным источником информации о стоке реки. Если мы осуществляем гидрологический анализ горных систем, то и их свойства должны иметь место в структурах познания составляющих водного баланса.
Поэтому статистические методы должны оставаться основополагающими приемами познания стока рек. Назрело время их дополнить географическим содержанием. Подобный синтез гидрологии и географии, климата и географии уже начал выполняться. Остается только его реализовать, посредством уже обоснованных методов.
Географо-климатический метод. Ландшафты планеты обладают двумя важнейшими пространственными свойствами – широтной зональностью и высотной поясностью. Каждая зона неповторима. Не вдаваясь в геолого-геоморфологическую эволюцию рельефа, лишь отметим, что в его структурах можно выделить крупные ландшафты высокогорий, плоскогорий, плато, высоких горных равнин и низменностей. Они разноуровневые, с характерными свойствами высотной поясности и при территориальной общности формируют единую горную систему. Она является универсальным трехмерным географическим пространством, с системно дифференцированными планетарно-космическими связями, взаимодействием континентов и океанов, глубинными земными процессами. Данные обстоятельства и определяют синтез географии и климатологии, поиск пространственных и временных соответствующих подходов к обоснованию географо-климатических векторов (трендов), анализу отклика горных систем и его составляющих на современное потепление климата.
Метод интенсивности физико-географического процесса. Первым таким синтезом является гипотеза физико-географического процесса, обоснованного выдающимся отечественным ученый А.А. Григорьевым [5]. Его теоретическая сущность заключается в том, что максимальная интенсивность физико-географического процесса прослеживается при эквивалентном равенстве тепла и влаги, т.е. при их оптимальном соотношении. Относительный избыток тепла или влаги уменьшает или увеличивает данную интенсивность и выражается индексом сухости или увлажнения.
Здесь прослеживается переход на новый уровень познаний – от элементарных природных систем к их зональным объединениям, от отдельных (точечных) характеристик водного и теплового балансов к их взаимно дополняющим свойствам. Так, зонально-высотная сущность данного открытия проявляется в том, что в ряде областей экватора даже огромное поступающее количество тепла не в состоянии испарить приток атмосферных осадков. На экваторе могут формироваться зоны избыточного увлажнения и недостаточной теплообеспеченности, а в Арктике – зоны недостаточного увлажнения и избыточной теплообеспеченности. Подобные проявления характерны и горным системам.
Метод гидролого-климатических расчетов. На основах интенсивности физико-географического процесса М.И. Будыко [3] и В.С. Мезенцев [7] обосновали метод гидролого-климатических расчетов. В трактовке В.С. Мезенцева система уравнений взаимосвязи элементов водного и теплоэнергетического балансов включает географический параметр (n), обеспечивающий генетические связи между стоком (Y мм), атмосферными осадками (Х мм) и максимально возможным испарением (Zm мм) и имеет следующий вид:
Y = X – Zm [1 – (X/Zm )-n ]-1/ n. (1)
Соотношения между осадками (Х, мм) и максимально возможны испарением (Zm, мм) выражается коэффициентом увлажнения:
βх = Х/ Zm. (2)
дефициты или избытки влаги, в форме дисбалансового оптимума –
ΔХ = Х – Zm. (3)
Ландшафтно-гидрологический метод. Приведенная система расчетов отражает генетическую связь физической географии, климатологии и гидрологии. Она особенно применима для мелких географических комплексов, фаций, в основном местоположений, вмещающих метеорологические станции и обеспечивающих их исходной информацией.
Изложенная система подходов к определению составляющих водного и теплового балансов в своей сущности является географической, особенно для горных территорий с характерными небольшими природными системами. Вместе с этим, она может охватывать практически все ландшафты любого масштаба.
Впервые значимость географических факторов в исследованиях вод суши отметил В.Г. Глушков [4]. В статье «Географо-гидрологический метод» он писал, что данный метод устанавливает причинную связь вод района с географическим ландшафтом в целом, включает климат, геологию, геоморфологию, почвы и растительность. В современных условиях метод вобрал новейшие достижения ландшафтоведения, гидрологии и климата в области вод суши [1, 8].
Преимущество ландшафтно-гидрологического метода над методами классической статистики в гидрологии заключается в возможном определении составляющих водного и теплового балансов любого местоположения. Общепринятые статистические методы в гидрологии в большей степени охватывают воды всего бассейна реки до створа измерения. Если это горная река, то обобщаются составляющие водного баланса переувлажненных высокогорных и сухих низкогорных ландшафтов. Подобное осреднение не обеспечивает их пространственную детализацию.
Примером применения рассмотренных методов позволило раскрыть особенности пространственной трансформации в изучаемом регионе. В период глобального потепления произошла трансформация природных и хозяйственных систем. Сдвиг параметров тепла и влаги определялся за периоды 1969-2010 гг. и 1950-2010 гг. относительно данных до 1968 гг., по справочной информации. Общий фон формирования тепловлагообмена изучался в следующих климатических условиях. С 1975 г. по 2010 г. в крайне аридных южных пустынях Монголии средние годовые температуры повысились на 2 ºС, в северном горном Забайкалье на 1 ºС. Однако в Северном Забайкалье прирост летних ∑Т≥10º оказался большим – 600 ºС, в аридных пустынях – всего 200 ºС. Атмосферные осадки холодного периода не изменились или несколько увеличились в горно-таежных ландшафтах, уменьшились в лесостепных, степных Забайкалья, полупустынях и пустынях Монголии.
Заключение
Проведен детальный анализ и дано обоснование разных методов исследования пространственно-временной организации тепла и влаги. Выявлена их зональная целостность и региональные особенности в этом аспекте горных систем Центральной Азии.
Пространственно-временные изменения гидрологических структур горных систем определялись ландшафтно-гидрологическим методом, который является основополагающим в развитии физико-географических процессов. Следует иметь в виду, что благодаря особой специфике горных систем, они выполняют функции научно-экспериментальных полигонов познания структур и режимов ландшафтов планеты в целом, а также в оценке социально-экономических и экологических последствий.