Возможность прогноза засух и урожаев

О двухлетней периодичности урожаев зерновых

Вследствие неустойчивости урожаев в неорошаемом земледелии экономический эффект сельскохозяйственного производства в различные по метеорологическим условиям годы резко различен, хотя условия его ведения и остаются без существенных изменений. Если бы имелась возможность заранее предвидеть засуху, то это позволило бы заблаговременно предпринять необходимые организационные и другие меры по ослаблению влияния их на экономику отдельных хозяйств и районов, расположенных в зоне интенсивного развития засух.

Давно установлено наличие в природе двухлетней периодичности метеорологических явлений, в частности количества выпадающих осадков. Для европейской части РСФСР она впервые была отмечена еще А. И. Воейковым. Позднее широкие исследования по этому вопросу были проведены П. И. Колосковым вначале для Дальнего Востока, а затем и для других районов страны. Японские метеорологи установили наличие двухлетней периодичности и для территории Японии.

Замечено, что двухлетняя периодичность метеорологических условий оказывает влияние на колебания урожаев зерновых культур. П. И. Колосков двухлетнюю периодичность урожайности характеризует следующим образом: «Если урожай предыдущего года был ниже урожая данного года, то и урожай следующего года в большинстве случаев будет также ниже урожая данного года. И наоборот, если урожай предыдущего года был выше урожая данного года, то урожай следующего года будет также выше урожая данного года».

Указанная закономерность была проверена на примере средней урожайности в областях Поволжья за последние 20 лет. Оказалось, что чередование лет с повышенной и пониженной средней урожайностью всех зерновых культур подтверждается в Волгоградской области в 88% всех лет, Саратовской - 70%, Куйбышевской - 76%, Пензенской - 56% и в Ульяновской - в 62% всех лет. Средняя урожайность озимой ржи соответственно в Волгоградской области - 70%, Саратовской - 84%, Куйбышевской - 65%, Пензенской - 76% и в Ульяновской - 65% всех случаев; средняя урожайность яровой пшеницы в Волгоградской области - 88%, Саратовской - 68%, Куйбышевской -65%, Пензенской - 60%, в Ульяновской - 70%.

В связи с двухлетней периодичностью количества осадков в Поволжье имеется существенное различие по урожайности зерновых культур в четные и нечетные годы. Средние урожаи в четные годы выше, чем в нечетные, хотя в отдельные годы и имеют место отклонения в ту или другую сторону. В качестве примера можно привести данные по Саратовской области за период с 1951 по 1970 г. (табл. 37).

Сравнительная урожайность зерновых культур в Саратовской области в четные и нечетные, ц с 1 га

В среднем за указанные 10 четных лет сумма осадков, выпавших в мае и июне в районе Саратова, составила 82,7 мм, а в среднем за 10 нечетных лет - 56,5 мм.

Прогнозы урожая и цикличность засух

Проблема заблаговременной оценки ожидаемого урожая имеет большое значение как для отдельного хозяйства, так и в целом для экономики страны. В районах недостаточного и неустойчивого увлажнения эта проблема теснейшим образом связана с прогнозом засушливости предстоящего вегетационного сезона.

В настоящее время Гидрометцентром СССР регулярно разрабатываются агрометеорологические прогнозы ожидаемой средней урожайности и валового сбора ряда полевых культур. Основаны они на исследованиях Е. С. Улановой по озимой пшенице, А. В. Процерова и К. В. Кириличевой по яровой пшенице, М. С. Кулика по озимой ржи, Ю. И. Чиркова по кукурузе и др. Существующие методы прогноза, как правило, исходят из оценки состояния посевов на определенных этапах развития растений, сложившихся на время составления прогноза и ожидаемой погоды. Они составляются в период роста посевов.

В последние годы в НИИСХ Юго-Востока Г. В. Дегтяревой разрабатывается метод прогноза урожая яровой пшеницы с длительной заблаговременностью: до ее посева. Предложенный ею метод позволяет в апреле определить ожидаемый урожай яровой пшеницы по областям Поволжья и Оренбургской области. В основу метода положен подбор инерционных факторов, или таких факторов, которые, определяя сложившуюся обстановку, оказывают большое влияние на последующие условия, имеющие важное значение для развития данной культуры.

В условиях Поволжья урожай во многом определяется засушливостью вегетационного сезона. Судить о возможной засушливости того или иного будущего года задолго до нее можно было бы при установлении наличия в природе периодичности засушливых явлений. Имеются все основания полагать, что такая периодичность существует, но она еще недостаточно изучена. При анализе засух за прошлые годы ряду исследователей удавалось установить повторяемость их через определенное число лет. Но когда пытались распространить выявленную закономерность на последующие годы, то во многих случаях сделанные на основе этого прогнозы не оправдывались. Так, большая группа лет, начиная с 1891 г., заканчивающаяся на единицу, отличалась повышенной засушливостью, а 1941 г. был на редкость увлажненным.

На основе изучения материала за 120 лет нам удалось установить, что засушливые годы в Поволжье идут циклами с повторяемостью внутри каждого цикла через определенное число лет. Циклы, налагаясь друг на друга, создают сложное чередование засушливых и незасушливых лет. Засухи нередко следуют друг за другом или прерываются более или менее длительным периодом лет с удовлетворительным увлажнением.

Интенсивность засух в каждом цикле через некоторое время затухает, но в это время возникают новые циклы. В последнем столетии новые циклы засушливых лет возникали примерно через одинаковые промежутки времени 32-33 года. Начало было положено засухами 1859, 1891, 1924 и 1957 гг.

Засухи цикла 1891 г. имели повторяемость через 10 лет (1891, 1901, 1911, 1921, 1931), которая разрушилась в 1941 г., и повторяемость через 15 лет (1891, 1906, 1921, 1936, 1951), которая находится в фазе затухания с 1966 г. В настоящее время нет оснований ожидать интенсивных засух данного цикла.

Засухи цикла 1924 г. имеют повторяемость через 11 (1924, 1935, 1946, 1957) и через 15 лет (1924, 1939, 1954, 1969). Последующую засуху этого цикла можно ожидать в 1984 г.

И, наконец, последний цикл 1957 г. имеет повторяемость засух средней интенсивности через 10 лет (1967, 1977) и сильной интенсивности через 15 лет (1957, 1972, 1987).

Необходимо, однако, оговорить, что указанная повторяемость засух охватывает не все засушливые годы. Из числа засух последнего 80-летия в нее не укладываются несколько засух средней интенсивности.

Исходя из указанной цикличности и повторяемости, на ближайшие годы засухи в Поволжье вероятны в 1977, 1981, 1984 и 1987 гг. Из них наиболее интенсивной может быть засуха 1987 г. Начало нового цикла засушливых лет можно ожидать в 1990 г.

Физическая природа рассмотренной периодичности остается пока еще недостаточно ясной. Лишь в виде предположения можно говорить о связи ее с ритмичностью солнечной активности. Тем не менее, периодические колебания, установленные эмпирическим путем, представляют определенный интерес для сельскохозяйственной практики.

Связь засух с погодой предшествующего периода

Засухи обычно связаны с антициклональной погодой и пониженной облачностью. Поэтому естественно, что весенне-летним засухам присуща повышенная солнечная радиация. По наблюдениям в Саратове, суммарная солнечная радиация за май и июнь в засушливые годы составляет в среднем 35,0 кк/см2, а в годы без засух - 29,5. Замечено, что повышение притока солнечной энергии довольно часто бывает еще до начала вегетационного сезона засушливых лет. Месячные величины суммарной радиации в предзасушливые осенне-зимние периоды существенно отличаются от соответствующих сумм в годы, предшествующие весенне-летним сезонам без засухи, что может быть использовано для установления вероятности засухи.

Засушливость вегетационного сезона сопоставлялась нами с притоком осенней и весенней радиации. Осенняя радиация характеризовалась суммарным притоком солнечной энергии за сентябрь и октябрь, а весенняя - за март. В качестве условной границы между несколько повышенной радиацией перед засухой и пониженной перед незасушливым сезоном принята средняя между средней радиацией засушливых и незасушливых лет.

Приток суммарной радиации за сентябрь и октябрь перед засушливыми годами составляет в среднем 17,2 кк/см2, а перед незасушливыми - 14,6. Средняя из них 15,9 кк/см2 (округленно) и принята за условную границу, предупреждающую о возможности засухи. В марте средняя суммарная радиация перед засушливыми годами составляет 9,9 и перед незасушливыми 7,3 кк/см2. В качестве границы принята суммарная радиация 8,6 кк/см2.

По десятилетним наблюдениям за солнечной радиацией в Саратове, суммарная радиация за сентябрь - октябрь превышала пограничную величину (15,9 кк/см2) пять раз, из них только в одном случае в следующем году не было весенне-летней засухи, а четыре года были засушливыми. Пониженная радиация во всех без исключения случаях отмечалась перед годами без засухи. Таким образом, в десяти случаях количество солнечной радиации осенью правильно сигнализировало о вероятной орошенности периода весенне-летней вегетации. На основании этих данных получается, что при осенней радиации, превышающей пограничную величину, вероятность засухи составляет 90%.

По одиннадцатилетним наблюдениям, радиация в марте превышала 8,6 кк/см2 в пяти случаях, в одном из них - перед годом незасушливым. В остальные шесть лет суммарный приток солнечной энергии в марте был меньше 8,6 кк/см2, и все эти годы весенне-летний сезон был без засухи. Следовательно, в 10 случаях из 11 радиация в марте достаточно достоверно свидетельствовала о вероятности весенне-летней засухи.

Полученные материалы о связи между притоком солнечной энергии предшествующей осенью и в марте с засушливостью весенне-летнего сезона представляет значительный интерес, но они нуждаются в дополнительной проверке на материалах более длительных наблюдений.

Наблюдения за солнечной радиацией ведутся на ограниченном количестве пунктов. Поэтому, естественно, возник вопрос о возможности для определения вероятности засухи использовать взамен суммарного притока солнечной энергии продолжительность солнечного сияния. Наблюдения за продолжительностью солнечного сияния более просты, и они ведутся на многих метеорологических станциях. Между суммарной радиацией и продолжительностью солнечного сияния существует довольно высокая зависимость.

По многолетним данным, в годы засух продолжительность солнечного сияния больше, чем в годы незасушливые. В целях прогнозов важно определить, имеется ли зависимость между весенне-летней засухой и продолжительностью солнечного сияния в предшествующий засухе осенне-зимне-весенний сезон.

В Саратове за 20 лет наблюдений получены данные, представленные в табл. 38.

Продолжительность солнечного сияния в осенне-зимне-весенний период перед годами с различной засушливостью (Саратов)

В данном случае, как и по суммарной радиации, наиболее существенные превышения в продолжительности солнечного сияния в период, предшествующий засухам, отмечаются в сентябре и марте, причем в марте разница больше, чем в октябре. Среднее число часов солнечного сияния за шесть лет, предшествующих весенне-летним засухам, составило в марте 131 час, а за 14 лет перед незасушливыми годами - 90 часов. Средняя из этих двух величин - 110 часов была принята как условная граница, отделяющая повышенные значения перед засухой от пониженных в незасушливые годы.

За 20 лет семь раз продолжительность солнечного сияния в марте превышала 110 часов. Засуха после них была в пяти случаях, или в 71% всех лет. С пониженной продолжительностью солнечного сияния в марте было 13 лет, из них только в одном случае последующий весенне-летний сезон оказался засушливым.

Несколько слабее связь засух с продолжительностью солнечного сияния в сентябре. Вероятность засух после повышенного числа свечения солнца в этом месяце, рассчитанного таким же методом, как и для марта, составляет лишь 56%.

Известной предпосылкой весенне-летней засухи является сухость предшествующей осени. Чем более обширную территорию захватывает осенняя засуха, тем больше вероятность засушливой погоды весенне-летнего периода в следующем году. С целью уточнения этого вопроса были проанализированы наблюдения за 50 лет, из которых 18 были засушливыми, а 32 с нормальным или повышенным количеством осадков по отношению к многолетнему среднему (табл. 39).

Вероятность весенне-летних засух в зависимости от характера увлажнения предшествующей осени

Примечание. В таблице к годам с сухой осенью отнесены такие, в которые сумма осадков за три осенних месяца с сентября по ноябрь составляет меньше 75% от многолетнего среднего за это время.

Подобные же расчеты сделаны и в отношении зимних осадков (с декабря по март). Вероятность засухи после малоснежной зимы с небольшим количеством осадков в части районов Поволжья (только Заволжье или только Правобережье) составляет 62%. Если малоснежная зима наблюдалась по всей территории Поволжья, то вероятность засухи возрастает до 80%.

Еще меньше связь весенне-летних засух с температурным режимом зимы. Хотя после суровых холодных зим засуха наблюдается несколько чаще, чем после зим теплых, все же вероятность ее остается невысокой. По тем же 50-летним наблюдениям, после холодных зим 47% всех лет были засушливыми, после нормальных - 42% и после теплых зим - 21%.

При анализе температурного режима периодов, предшествующих весенне-летним засухам, установлена несколько более высокая, чем с температурой зимы, связь засух с интенсивностью повышения температуры воздуха от зимы к весне. Засухи чаще бывают при резком нарастании температуры воздуха от февраля к апрелю, что обычно происходит в годы с холодной зимой и теплой весной (табл. 40).

Вероятность весенне-летних засух в зависимости от интенсивности нарастания температуры воздуха от зимы к весне

Поволжье отличается большими различиями в сроках наступления весны (переход средней суточной температуры воздуха через +5°) в отдельные годы. В южных районах весна обычно начинается во второй половине марта, в северных - в начале апреля. Весенний сезон, особенно апрель, протекает преимущественно при синоптических процессах, характерных для зимы. Устойчивый сибирский антициклон, смещаясь к апрелю несколько к северу, определяет в Поволжье господство восточных и юго-восточных ветров. Западные воздействия развиваются в основном во второй половине мая или июне. Поэтому чем раньше наступает весна, особенно при резко выраженном сибирском антициклоне, тем дольше районы Поволжья подвергаются действию восточных ветров. Ранние весенние ветры в этой зоне отличаются большой скоростью, они порывисты, резки и способствуют ускоренному, интенсивному высушиванию полей. В годы с поздней весной сокращается срок действия юго-восточных сухих и зачастую жарких ветров.

В зависимости от даты перехода средней суточной температуры воздуха через +5° все годы разбиты на три группы:

1) с ранней весной, когда переход температуры воздуха через + 5° наступает на шесть или больше дней раньше многолетнего среднего;

2) с поздней весной, когда переход средней суточной температуры воздуха через +5° наступает на шесть или более дней позже средних многолетних сроков;

3) с нормальной весной, при переходе температуры воздуха через +5° в пределах отклонений в пять дней от многолетнего среднего.

Наиболее высока вероятность весенне-летней засухи в годы с ранней весной, и очень редко засухи формируются в годы с поздней весной.

Показатели вероятности засухи в зависимости от погодных условий предшествующего осенне-зимне-весеннего периода сведены в табл. 41.

Вероятность засухи в зависимости от погодных условий предшествующего осенне-зимне-весеннего периода

Инерционные факторы и годы-аналоги

Для оценки ожидаемых условий формирования урожая с длительной заблаговременностью важное значение имеет удачный подбор инерционных факторов. Применительно к условиям Поволжья выделены такие наиболее важные инерционные факторы, оказывающие значительное влияние на условия формирования урожая полевых культур: засушливость весенне-летнего периода в предшествующем году, осеннее состояние озимых, характер увлажнения почвы предшествующей осенью и количество зимних осадков.

Засушливость предшествующего вегетационного сезона характеризует условия развития культурных растений и позволяет приближенно судить о размерах выноса питательных веществ из почвы и уровне почвенного плодородия к началу весенних полевых работ. После влажных, урожайных лет почва обедняется запасами доступной растениям пищи и посевы острее испытывают недостаток питательных веществ в почве и в первую очередь аммиачного и нитратного азота. После засушливого вегетационного сезона и слабого развития культурных растений в почве остается значительное количество неиспользованной, доступной растениям пищи, которая может быть использована на формирование урожая в следующем году.

Например, в результате интенсивной засухи 1972 г., которой предшествовал в Поволжье умеренно засушливый 1971 г., запасы аммиачного и нитратного азота, накопленные в почве ко времени посева яровых, использовались в очень слабой степени и в значительной части остались для урожая 1973 г. По данным лаборатории агрохимии НИИСХ Юго-Востока, суммарное количество нитратного и аммиачного азота перед весенним севом в 1973 г. составляло по отношению к многолетнему среднему: после яровой пшеницы - 187%, после озимой пшеницы - 280%, после кукурузы - 228% и на черном пару - 145%.

Значение осеннего состояния озимых для урожая будущего года рассматривается в главе об озимых. Важным инерционным фактором является характер погоды предшествующей осенью или запас продуктивной влаги в метровом слое почвы к началу зимы. Годы с малым увлажнением предшествующей осенью, как правило, отличаются дружной весной, большей интенсивностью весеннего таяния снега и незначительным коэффициентом стока талых вод. После влажной осени чаще бывает затяжная весна и повышенный сток.

После сухой осени в районах со снежной зимой почва до весны сохраняет рыхлое строение, она мало уплотняется и быстро доходит до состояния спелости. Ввиду рыхлого строения пахотного слоя капиллярное испарение влаги идет недостаточно эффективно, и подвижная вода сравнительно быстро опускается в глубинные слои. Такая почва достигает спелости весной быстро и дружно, в ней активно протекают микробиологические процессы. После дождливой осени верхние слои почвы сильно оседают, уплотняются, и в ней не остается свободных промежутков, не заполненных водой. При замерзании такая земля делается водонепроницаемой. Весной в уплотнившейся почве, имеющей большое количество капилляров, вода непрерывно подтягивается к поверхности и испаряется. Почва поспевает медленно и неравномерно. В условиях переувлажненной и уплотнившейся почвы микробиологические процессы в ранневесенний период сильно подавлены.

Количество зимних осадков служит показателем потенциальных возможностей для весеннего увлажнения почвы. Кроме того, зимние осадки можно рассматривать как комплексный показатель наблюдавшихся зимой синоптических процессов, которые имеют довольно тесную связь с погодными условиями периода весенне-летней вегетации зерновых культур.

Большую помощь в оценке предстоящих условий вегетационного сезона может оказать удачный подбор годов-аналогов. Годы-аналоги не дают точного представления о характере предстоящей погоды и вряд ли могут быть использованы в целях ее прогноза, но на основании их в ряде случаев можно судить об общем направлении развития метеорологических условий - благоприятном или неблагоприятном для культурных растений. В основе лет-аналогов, видимо, лежат частично познанные, а частично пока еще не познанные инерционные факторы.

Для практического использования лет-аналогов в целях оценки ожидаемых условий периода развития полевых культур большое значение имеет удачный подбор показателей, которые в известной мере определяют общий характер предстоящей обстановки.

К примеру, анализ условий, предшествующих наиболее интенсивным засухам в прошлом, показывает, что всем таким засухам (1891, 1921, 1957) сопутствовала умеренно засушливая погода вегетационного сезона в предыдущем году, засушливая осень и малоснежная или бесснежная зима. На основе этих показателей, по условиям погоды весной, летом и осенью 1971 г. и характеру погоды зимы с большой вероятностью можно было ожидать интенсивную засуху в 1972 г.

Из практики земледелия в степных засушливых районах Поволжья за прошлые годы вырисовывается также совершенно очевидная закономерность - после наиболее интенсивных засух следуют высокоурожайные годы. Это можно видеть на примере урожаев яровой пшеницы в конкурсном сортоиспытании на полях НИИСХ Юго-Востока (табл. 42).

Сравнительная урожайность яровой пшеницы в конкурсном сортоиспытании НИИСХ Юго-Востока в годы интенсивных засух и в последующие за ними

Еще более резко эта закономерность выявляется в колхозах и совхозах. В совхозе «Ершовский», расположенном в центральной части Саратовского Заволжья, в среднем за восемь лет с наиболее интенсивной засухой (1936, 1939, 1943, 1946, 1955, 1957, 1969, 1972) средний урожай яровой пшеницы составил 3,0 ц с 1 га с колебаниями от 1,4 до 3,8 ц. Средний урожай последующих за засухами лет получен по 14,0 ц с колебаниями от 11,5 до 21,0 ц с 1 га. Всем известны высокие урожаи зерновых культур в Поволжье в 1958, 1970 и 1973 гг. после засух 1957, 1969 и 1972 гг.

На основе указанных показателей в январе 1973 г. удачно были предсказаны благоприятные условия в том году для урожая всех полевых культур. В феврале 1974 г. по годам-аналогам определена была большая вероятность повышенного количества осадков предстоящего весенне-летнего периода. После двух влажных лет подряд в степных районах Поволжья, как правило, в последующем году отмечается пониженная по отношению к многолетнему среднему сумма осадков за май и июнь и в 80% случаев повышенная температура воздуха.