Создание карт среднегодовых температур воздуха на территории Республики Мордовия с использованием ГИС-технологий

Наиболее важной климатической переменной и часто используемой, как индикатор состояния и изменения климата, является температура воздуха в поверхностном слое земли. Это очень изменчивый метеорологический элемент, зависящий от множества факторов. Также с понятием температуры воздуха связаны такие явления как аномальная жара или морозы, что зачастую приводит к большим экологическим и экономическим ущербам [1;  5;  7]. Для климатических исследований активно использовали разнообразные картографические произведения, так как они являются мощным средством пространственного анализа климатических данных. С помощью математикокартографического моделирования составили тематические карты на основе среднегодовых, среднемесячных, суточных и сезонных значений. Данный способ является одним из важнейших и прогрессирующих направлений в современных климатических исследованиях.

На сегодняшний день изучение климатических изменений наиболее целесообразно проводить с применением ГИС-технологий. Так как эти технологии увеличивают возможности для анализа и моделирования природных явлений и их показателей, имеющих пространственное распространение [4; 10]. Нами для изучения среднегодовых температур воздуха на территории Республики Мордовии было выбрано несколько периодов метеонаблюдений. Первый период (1962 – 2018 гг.) является основным, так как за каждые 8 лет этого периода будет происходить изучение изменения температуры воздуха.

Второй период (1961 – 1990 гг.) официально является фиксированным базисным периодом. Этот период используется для сравнения изменения и изменчивости климата во всех странах по отношению к этому стандартному базисному периоду. Он остаётся фиксированным на бессрочной основе или до тех пор, пока не будет представлена научно обоснованная причина для его изменения.

Третий период (1981 – 2010 гг.) – новый текущий базовый период, который является климатической стандартной нормой. Он определяется как среднее значение климатических данных, рассчитываемых за последовательные 30-летние периоды.

Рис. 1. Метеостанции Республики Мордовия и соседних регионов.

Так как на территории Мордовии расположено только 3 метеостанции, что является недостаточным для проведения исследования, были использованы данные метеорологических пунктов соседних регионов (см. рис.1). По результатам наблюдений с 19 метеорологических станций было выполнено картографирование изменений температуры воздуха на территории Республики Мордовия с 1962 по 2018 гг.

После добавления векторных слоев и метеоданных получена серия карт среднегодовой и среднемноголетней температуры за разные годы, представленные на рисунках 2–4. На рисунке 5 размещены карты среднемноголетних температур воздуха за разные периоды.

Для анализа изменений температуры воздуха был использован инструмент «Калькулятор растра» алгебры карт в ГИС Arc GIS 10.0. Нами проведено изучение изменения температур за разные периоды. Для этого из выбранных годов в период 1962 – 2018 гг. были вычтены данные базисного периода (1961 – 1990 гг.) (см. рис. 6–9). А для более точного разбора климатических изменений также вычитался новый период «норм»

(1981 – 2010 гг.) (см. рис. 6–9).

Рис. 2. Среднемноголетняя температура воздуха, 0С за период 1962 – 2018 гг.

Рис. 3. Среднегодовая температура воздуха за разные года, °С: а – 1962 г.; б – 1970 г.; в – 1978 г.; г – 1986 г.

Рис. 4. Среднегодовая температура воздуха за разные года, °С: а – 1994 г, б – 2002 г, в – 2010 г, г – 2018 г.

Рис. 5. Среднемноголетняя температура воздуха за разные периоды, °С «нормы»: а – за 1961 – 1990 гг., б – 1981 – 2010 гг.

Рис. 6. Изменение среднегодовой температуры воздуха, 0С: а – 1962 год к 1961 – 1990 гг., б – 1962 год к 1981 – 2010 гг., в – 1970 год к 1961 – 1990 гг., г – 1970 год к 1981 – 2010 гг.

Рис. 7. Изменение среднегодовой температуры воздуха, 0С:

а – 1978 год к 1961-1990 гг., б – 1978 год к 1981-2010 гг., в – 1986 год к 1961-1990 гг., г – 1986 год к 1981-2010 гг.

Рис. 8. Изменение среднегодовой температуры воздуха, 0С:

а – 1994 год к 1961-1990 гг., б – 1994 год к 1981-2010 гг., в – 2002 год к 1961-1990 гг., г – 2002 год к 1981-2010 гг.

Рис. 9. Изменение среднегодовой температуры воздуха, 0С: а – 2010 год к 1961-1990 гг., б – 2010 год к 1981-2010 гг., в – 2018 год к 1961-1990 гг., г – 2018 год к 1981-2010 гг.

При визуальном анализе карт среднегодовых температур можно наблюдать наиболее низкие температуры в центральной части региона, это прослеживается на всех картах среднегодовых температур. Самый прохладный год из представленных является 1978, а теплый – 2010 год. Максимум средней температуры было зафиксировано в 2010 году в районе метеостанции Темников и составило +8 °С, а минимум в 1978 году на метеостанции Саранск со значением +2,6 °С.

По представленным картографическим произведениям и графикам можно отметить положительный рост среднегодовой температуры воздуха, что говорит об общем повышении температуры воздуха на всей территории Республики Мордовия (см. рис. 10). Тенденция увеличения температуры с каждым годом свидетельствует, о говорящей во всем мире глобальной проблеме изменения климата, вызванной таянием ледников и повышением уровня Мирового океана. Данная проблема не раз обсуждалась на саммитах Организации Объединённых Наций. Следствие данной проблемы в будущем может вызвать коренную перестройку природных зон материков, если не предпринимать никаких действий [3].

Рис. 10. Многолетний ход среднегодовой температуры воздуха по отдельным метеостанциям, 0С.

Далее нами были определены аномалии за изучаемый временной период. На рисунке 12 в виде графиков и на рисунках 6 – 9 в виде картографического материала, представлены аномалии и изменения среднегодовых температур, как отклонение наблюдаемых значений от базисного периода (1961 – 1990 гг.) и от текущего базового периода (1981 – 2010 гг.). На данных графиках прослеживается положительная и отрицательная аномалия среднегодовой температуры воздуха. Максимальное значение отрицательной и положительной аномалии было зафиксировано в 1978 году и в 2010 году на метеостанции Саранск соответственно с показателями -1,4 °С и +3,8 °С. Особо отчетливо данное явление можно проследить на картах, представленных на рисунке 9.

Печально известный своими пожарами 2010 год характеризовался аномально жарким летом, а также повышенным температурным режимом в весенний и осенний периоды (см. рис. 11).

Рис. 11. Диаграмма годового хода температур по месяцам в 2010 году по ст. Саранск.

Особенностью климата современного периода является факт глобального повышения поверхностной температуры воздуха. На территории Мордовии значение коэффициента линейного тренда по ряду средних аномалий температуры воздуха в целом составило 0,1 °С за 10 лет, при этом рост температуры не был монотонным. Наиболее отчетливо тенденция повышения среднегодовой температуры воздуха для территории Мордовии проявилась в 1991 – 2010 гг. Увеличение средних годовых значений температуры воздуха произошло в основном за счет потепления в зимний период [2].

Рис. 12. Аномалии среднегодовой температуры воздуха по отдельным метеостанциям.

В результате проделанной работы был создан набор пространственных данных для изучения изменений температур воздуха на территории Республики Мордовия; разработано содержание и составлены тематические карты. Основываясь на полученных картографических материалах, можно сделать вывод о том, что на территории Республики Мордовия зафиксирован положительный рост среднегодовой температуры воздуха, что свидетельствует о тенденции к потеплению. Наиболее отчетливо данный факт проявился в 1991 – 2010 гг. Созданные картографические материалы могут быть использованы для дальнейших климатических исследований. Характеристика особенностей изменений температуры воздуха может быть использована в учебном процессе для студентов, обучающихся по направлениям подготовки «География», «Экология и природопользование», «Картография и геоинформатика» [6; 8–9].