ТИПИЗАЦИЯ ФЕНОЛОГИЧЕСКИХ ЛЕТ (НА ПРИМЕРЕ ЗАПОВЕДНИКА «КИВАЧ») Текст научной статьи по специальности «БИОЛОГИЯ»



На основе комплексной оценки темпов годового развития природы для условий заповедника «Кивач» выявлены четыре типа фенологических лет. Установлено, что на протяжении сорока лет (1966-2005 гг.) в половине случаев были отмечены годы с нормальными темпами сезонного развития природы, при этом общая картина фенологических лет последовательно изменялась: в первые 16 лет периода (1966-1981 гг.) превалировали депрессивные годы, затем на 9 лет их сменили экспрессивные годы (1982-1990 гг.), в последние 15 лет (1991-2005 гг.) преобладали годы с нестабильным развитием природных процессов.
ТИПИЗАЦИЯ ФЕНОЛОГИЧЕСКИХ ЛЕТ (НА ПРИМЕРЕ ЗАПОВЕДНИКА «КИВАЧ»)
С.Б. Скороходова, А.Н. Щербаков Государственный природный заповедник «Кивач»; e-mail: zap.kivachl@gmail.com
На основе комплексной оценки темпов годового развития природы для условий заповедника «Кивач» выявлены четыре типа фенологических лет. Установлено, что на протяжении сорока лет (1966-2005 гг.) в половине случаев были отмечены годы с нормальными темпами сезонного развития природы, при этом общая картина фенологических лет последовательно изменялась: в первые 16 лет периода (1966-1981 гг.) превалировали депрессивные годы, затем на 9 лет их сменили экспрессивные годы (1982-1990 гг.), в последние 15 лет (1991-2005 гг.) преобладали годы с нестабильным развитием природных процессов.
Темпы развития природы могут отличаться от сезона к сезону и года от году из-за значительной изменчивости сроков наступления природных явлений. При этом возможны всего четыре варианта развития природных событий: депрессивное, экспрессивное, нормальное и нестабильное.
В данной работе продолжены работы по типизации фенологических лет для условий заповедника «Кивач» на основе комплексной оценки темпов развития природы на протяжении всего года.
Использовались массивы фенологических данных заповедника «Кивач», включающие временные ряды сроков наступления 280 фенологических явлений за период 1965/66 - 2004/2005 гг, та же феноклиматическая периодизация и те же оценочные границы нормы наступления феноявлений, что и в последнем опубликованном календаре природы заповедника (Скороходова, 2006).
Компьютерная обработка этих временных рядов выполнялась с помощью табличного процессора Microsoft Excel.
Весь массив фенодат был последовательно преобразован сначала в массив абсолютных отклонений, потом - в массив нормированных отклонений. По каждому году была построена диаграмма нормированных отклонений по всем отмеченным фенологическим явлениям. При этом расположение фенологических явлений соответствовало очередности их наступления по среднемноголетнему варианту.
Затем массив нормированных отклонений был преобразован таким образом, чтобы стало возможным подсчитать ежегодное число явлений, наступивших своевременно (с нормированными отклонениями менее и равными +1о ), число явлений, наступивших позже обычных сроков (с нормированными отклонениями строго более +1о ) и число явлений,
наступивших раньше обычных сроков (с нормированными отклонениями строго более -1о ). Затем для каждого года в процентах рассчитали доли явлений, наступивших своевременно, поздно и рано.
Помимо этого, вычислили среднюю величину нормированного отклонения по всем отмеченным явлениям фенологического годом, а также проделали то же самое в рамках фенологических сезонов, получив некие показатели соответствия норме темпов развития природы. Мы назвали этот показатель индексом соответствия норме. Таким образом, индекс соответствия (ИС) представляет собой среднюю величину нормированного отклонения по всем отмеченным стандартным явлениям фенологического года или сезона. Он может быть положительным или отрицательным, в основном он меньше единицы (большие величины возможны лишь изредка и только на уровне сезонов). Чем меньше абсолютная величина индекса, тем ближе к норме сроки наступления фенологических явлений, и наоборот.
Для выяснения типов фенологических лет сорокалетнего периода 1966-2005 гг. по темпам сезонного развития, по каждому году использовали систему из трех составляющих: а) визуальную картину годового хода фенологических явлений; б) среднегодовой и сезонные индексы соответствия норме стандартных фенологических явлений; в) среднегодовое и сезонное соотношение процентов стандартных фенологических явлений, наступивших своевременно, позже обычного и раньше обычного.
Сначала визуально, используя диаграммы нормированных отклонений по 280 ежегодным фенологическим явлениям, разделили годы на четыре группы: нормальные, нестабильные, депрессивные и экспрессивные (рис. 1).
Затем экстремальные годы попытались выделить с помощью годового индекса соответствия (приложение), имея в виду, что отрицательный по знаку и значительный по величине индекс указывает на экспрессивный год (или год со значительным числом явлений, наступивших в ранние сроки), и наоборот -положительный по знаку и значительный по величине индекс указывает на депрессивный год (или год со значительным числом явлений, наступивших в поздние сроки). Нестабильные годы выделяли с учетом резкого перелома отклонений на диаграмме или по резкому скачку сезонных ИС. Оставшиеся годы отнесли к нормальным.
В итоге пришли к выводу, что с глазомерной оценкой хорошо согласуется следующая схема: к экспрессивным годом относятся годы с отрицательными ИС, равными по абсолютной величине 0.3 и более; к депрессивным - с положительными ИС, равными 0.3 и более; нормальные и нестабильные годы находятся в одинаковом интервале ИС от -0.3 до +0.3; при этом к нестабильным относятся годы с заметным на диаграмме резким переломом темпов развития
внутри сезона (от значительных отрицательных к значительным положительным и наоборот) или с резким скачком сезонных ИС на величину равную и более 1.0; остальные относятся к нормальным.
Кроме того, подобную типизацию можно дополнить, используя годовое и сезонное соотношение процентов явлений, наступивших своевременно, позже и раньше обычного. В среднем, за исследуемый период доля своевременно наступивших явлений составила 68.5%, доля поздно наступивших явлений -16.3% (среднее квадратичное отклонение а = + 8.8), доля рано наступивших -также 16.3% (а = + 11,6). С визуальным выделением депрессивных лет хорошо согласуются годы с высокой (превышающей среднюю на величину сигмы) более 25.0%-ной годовой долей поздно наступивших явлений, при этом подобные доли должны быть характерны, как правило, для двух сезонов года. Экспрессивные годы согласуются с еще более высокой 30.0%-ной годовой долей рано наступивших явлений, при этом подобные доли должны быть характерны, как правило, для двух сезонов года. Нормальные годы согласуются с не менее, чем 69.0%-ной годовой долей своевременно наступивших явлений. Оставшиеся годы относятся к нестабильным (приложение).
Таким образом, на основе комплексной оценки темпов годового развития периодических природных явлений заповедника «Кивач» было установлено, что на протяжении сорока лет (1966-2005 гг) в половине случаев были отмечены годы с нормальными темпами сезонного развития природы, к депрессивным годам были отнесены 1966, 1968, 1969, 1971, 1978, 1981, 1985 и 1996 фенологические годы, к экспрессивным - 1975, 1983, 1984, 1989, 1990, 2002 годы; к нестабильным - 1967, 1974, 1993, 1995, 1999, 2000 и 2001 годы. Полученные результаты свидетельствуют также и об изменениях характера сезонного развития природы, произошедших в начале исследуемого периода, затем в его середине и в конце: депрессивные годы, свойственные в большей мере периоду 1966-1981 гг, сменились экспрессивными (преобладающими в период 1982-1990 гг), им на смену пришли нестабильные годы периода 1991-2005 гг.
Подобные изменения характера сезонного развития природы заповедника «Кивач» на протяжении последних десятилетий вызваны нестабильность его климата в условиях продолжающихся глобальных климатических изменений.
Для типизации фенологических лет предложено использование системы из трех составляющих: а) визуальной картины хода фенологических явлений, расположенных в среднемноголетней последовательности своего наступления; б) среднегодового и сезонных индексов соответствия норме фенологических явлений; в) среднегодового и сезонного соотношения процентов фенологических явлений, наступивших своевременно, позже обычного и раньше обычного.
На основе комплексной оценки темпов годового развития периодических
природных явлений заповедника «Кивач» было установлено, что на протяжении сорока лет (1966-2005 гг.) в половине случаев были отмечены годы с нормальными темпами сезонного развития природы, депрессивные годы были свойственны в большей мере периоду 1966-1981 гг. (1966, 1968, 1969, 1971, 1978, 1981, 1985 и 1996 годы), экспрессивные - периоду 1982-1990 гг. (1975, 1983, 1984, 1989, 1990, 2002 годы), нестабильные - периоду 1991-2005 гг. (1967, 1974, 1993, 1995, 1999, 2000 и 2001 годы). Очевидные изменения характера сезонного развития природы заповедника «Кивач» вызваны процессом пересоздания его климата на фоне продолжающегося изменения климата Земли.
б)
3.0
1.0 -1.0 -3.0
I ,
В)
3,0
1,0
-1.0
-3,0
Рис. 1 Примеры визуализации различных типов фенологических лет: а) с депрессивным, б) с экспрессивным, в) с нормальным и г) с нестабильным характером развития природных явлений.
Приложение.
Индекс Доля (%) явлений. Отмет-
Год Тип соответствия наступивших: ки к
своевре- менно поздно рано диаграм- ме
1 2 3 4 5 6 7
65/1966 Депрессивный 0.5 61.5 29.5 9.0
0.4 69.4 26.1 4.3
0.1 54.1 41.2 4.7
0.8 75.0 14.3 10.7
-0.5 65.0 5.0 30.0
66/1967 Нестабильный 0.1 62.0 23.4 14.6 Резкая
0.0 70.8 12.5 16.7 смена
-0.1 64.8 15.9 19.3 темпов
0.9 46.4 (53.6) 0.0 развития
0.3 61.1 (27.8) 11.1 внутри весны
67/1968 Депрессивный 0.4 56.1 30.3 13.6
0.0 90.5 0.0 9.5
0.7 46.2 46.2 7.7
0.2 46.4 35.7 17.9
-0.5 66.7 0.0 33.3
68/1969 Депрессивный 0.5 59.0 34.2 6.8
0.3 73.7 15.8 10.5
0.7 59.2 38.8 2.0
1.0 38.1 61.9 0.0
0.0 64.3 17.9 17.9
69/1970 Нормальный 0.3 73.0 21.3 5.7
0.3 69.6 21.7 8.7
0.4 68.8 25.0 6.3
0.4 87.0 13.0 0.0
0.0 78.1 15.6 6.3
70/1971 Депрессивный 0.5 52.0 39.2 8.8
04 47.6 42.9 9.5
0.7 47.4 46.2 6.4
0.9 30.0 60.0 10.0
-0.3 82.8 3.4 13.8
71/1972 Нормальный 0.2 75.5 16.7 7.8
-0.2 83.3 4.2 12.5
0.4 67.9 23.6 8.5
0.2 78.1 18.8 3.1
-0.2 93.3 0.0 6.7
72/1973 Нормальный -0.2 68.9 12.1 18.9
0.3 60.0 25.0 15.0
-0.3 75.7 7.1 17.1
0.4 75.0 16.7 8.3
0.4 56.7 13.3 30.0
Продолжение приложения
1 2 3 4 5 6 7
73/1974 Нестабильный 0.3 56.9 28.9 14.2 Очень
-0.9* 34.6 7.7 *57.7 резкая
0. 5 * 51.7 37.9* 10.3 смена
0.3 81.8 18.2 0.0 темпов
0.4 66.7 25.0 8.3 разв. от зимы* к *весне
74/1975 Экспрессивный -0.6 61.5 6.2 32.3
0.0 78.9 15.8 5.3
-0.8 53.4 3.4 43.1
-0.6 60.7 7.1 32.1
-0.2 81.3 9.4 9.4
75/1976 Нормальный 0.3 75.4 19.7 4.9 (депрес-
0.3 76.9 19.2 3.8 сия
0.2 86.7 11.5 1.8 летом)
0.8 46.4 (50.0) 3.6
0.2 61.1 22.2 16.7
76/1977 Нормальный -0.1 77.4 11.1 11.6
0.5 76.2 23.8 0.0
-0.2 79.3 8.1 12.6
-0.1 82.1 10.7 7.1
-0.1 66.7 13.3 20.0
77/1978 Депрессивный 0.3 66.1 25.3 8.6
0.3 84.0 12.0 4.0
0.4 65.5 26.9 7.6
0.4 62.5 30.0 7.5
-0.1 59.5 24.3 16.2
78/1979 Нормальный 0.2 69.3 20.4 10.2
0.1 62.1 13.8 24.1
0.5 65.0 28.5 6.5
0.0 76.3 10.5 13.2
-0.2 82.9 8.6 8.6
79/1980 Нормальный 0.2 70.6 19.0 10.4
0.2 80.0 12.0 8.0
0.5 72.2 25.2 2.6
-0.4 61.1 13.9 25.0
-0.2 68.6 8.6 22.9
80/1981 Депрессивный 0.3 66.9 25.4 7.7
0.1 54.2 25.0 20.8
0.4 65.9 29.5 4.5
-0.1 82.4 7.8 9.8
0.5 58.5 34.1 7.3
81/1982 Нормальный 0.2 75.0 16.9 8.1
-0.3 75.0 7.1 17.9
0.1 81.0 10.9 8.0
0.8 53.2 40.4 6.4
0.1 80.6 16.7 2.8
82/1983 Экспрессивный -0.5 58.8 7.8 33.3 (Очень
0.7 57.7 38.5* 3.8 резкая
-0.8 54.7 2.2 *43.1 смена
-0.6 58.5 1.9 39.6 темпов
-0.1 74.4 15.4 10.3 от зимы * к *весне)
Продолжение приложения
1 2 3 4 5 6 7
83/1984 Экспрессивный -0.6 64.6 1.5 33.8
-0.3 (80.0) 4.0 16.0
-0.6 68.3 0.7 30.9
-1.1 42.9 0.0 57.1
-0.3 (72.1) 4.7 23.3
84/1985 Депрессивный 04 (71.6) 22.6 5.7 Очень
0.0 (90.6) 6.3 3.1 значительн
0.4 (74.3) 19.1 6.6 ая
0.8 54.9 45.1 0.0 депрессия
0.2 (69.0) 19.0 11.9 летом
85/1986 Нормальный -0.3 76.9 7.3 15.8
-0.2 88.5 0.0 11.5
-0.2 80.3 8.3 11.4
-0.5 75.0 2.5 22.5
-0.3 58.3 13.9 27.8
86/1987 Нормальный -0.2 71.9 18.5 9.6
0.3 76. 7 20.0 3.3
0.3 74.6 20.9 4.5
0.4 71.1 20.0 8.9
-0.5 60.0 7.5 32.5
87/1988 Нормальный 0.0 73.3 15.0 11.7 (экспрессия
-0.4 65.2 8.7 (26.1) зимой и
0.3 72.3 21.2 6.6 осенью)
-0.1 90.0 4.0 0x0
-0.4 59.5 10.8 (29.7)
88/1989 Экспрессивный -0.8 47.6 3.3 49.2
-1.2 52.4 0.0 47.6
-1.0 48.5 0.8 50.8
-1.1 20.4 5.6 74.1
0.2 79.5 10.3 10.2
89/1990 Экспрессивный -0.4 58.2 9.4 32.4 (смена
0.0 (85.7) 0.0 14.3 темпов в
-0.9 42.4 5.8 51.8 конце
0.5 (78.2) 16.4 5. 5 весны)
0.1 (70.7) 17.1 12.2
90/1991 Нормальный 0.0 76.2 10.0 13.8
0.0 68.0 20.0 12.0
0.0 73.9 7.2 18.8
0.1 87.7 7.0 5.3
0.1 73.2 17.1 9.8
91/1992 Нормальный 0.1 75.9 14.6 9.5
0.4 55.0 30.0 15.0
0.1 75.2 15.0 9.8
-0.1 91.4 5.2 3.4
0.2 6627 19.0 14.3
92/1993 Нестабильный -0.3 67.9 10.2 22.0 Резкая
-0.3 55.0 10.0 (35.0) смена
-0.3 64.2 10.4 (25.4) темпов
0.1 (75.0) 14.3 10.7 развития
-0.5 (77.8) 2.8 19.4 внутри весны
93/1994 Нормальный 0.1 79.3 13.8 6.9
0.1 53.8 (30.8) 15.4
0.1 81.7 115 6.9
0.5 82.4 15.7 2.0
-0.1 84.2 7.9 7.9
Продолжение приложения
2 3 4 5 6 7
94/1995 Нестабильный -0.3 66.9 8.0 25.1 Резкие
-0.4 59.1 13.6 (27.3) смены
-0.2 (77.4) 7.5 15.0 темпов
-1.0 35.7 5.4 (58.9) весной
0.0 (80.0) 10.0 10.0
95/1996 Депрессивный М 67.1 25.5 7.4 Очень
-0.4 65.5 6.9 27.6 значитель-
0.4 (74.2) 21.2 4.5 ная
0.8 45.8 50.0 4.2 депрессия
0.5 (70.6) 23.5 21.1 летом
96/1997 Нормальный 0.3 75.3 17.3 7.5
0.1 57.7 23.1 19.2
0.4 75.0 18.4 6.6
0.2 85.5 9.1 5.5
0.1 73.7 5.9 5.3
97/1998 Нормальный 0.2 76.7 14.4 8.9
0.3 65.4 23.1 11.5
0.4 78.7 16.4 4.9
-0.2 84.9 1.9 13.2
0.0 65.7 20.0 14.3
98/1999 Нестабильный -0.1 68.1 12.6 19.3 Очень
0.1 62.1 24.1 13.8 резкая
-0.1 67.7 12.3 20.0 смена
-0.6 68.9 4.4 (26.7) темпов
0.1 73.5 14.7 11.8 развития весной
99/2000 Нестабильный -0.3 66.1 10.4 23.5 Экспрессия
0.1 (82.6) 17.4 0.0 весной;
-0.6 55.7 8.2 36.1 депрессия
-0.5 (84.9) 0.0 15.1 осенью
0.5 62.5 31.3 6.3
2000/01 Нестабильный -0.2 60.0 13.5 26.5 Очень
1.3 14.3 78.6* 7.1 резкая
-0.6 52.6 6.0 *41.4 смена
-0.2 88.0 0.0 12.0 темпов
0.2 62.9 (31.4)_ 5.7 развития от зимы* к весне*
2001/02 Экспрессивный -0.6 62.7 3.8 33.5
-0.5 66.7 7.4 25.9
-0.7 57.0 3.9 39.1
-0.6 69.6 0.0 30.4
-0.2 71.4 5.7 22.9
2002/03 Нормальный 0.0 78.7 11.3 10.0 (экспрессия
-0.9 51.7 3.4 (44.8) зимой;
0.0 85.2 9.4 5.5 депрессия
0.2 0.3 86.7 64.3 11.1 (28.6) 2.2 7.1 осенью)
2003/04 Нормальный 0.1 82.9 9.2 7.9
0.1 72.0 12.0 16.0
-0.2 82.9 5.4 11.6
0.3 90.2 9.8 0.0
0.5 80.0 20.0 0.0
2004/05 Нормальный 0.2 85.2 11.0 3.8
0.3 84.2 15.8 0.0
0.1 86.8 7.8 5.4
0.1 87.0 11.1 1.9
0.5 77.1 20.0 2.9