Принципы географической картографии в современной климатологии

МЕТОДЫ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

УДК 528.942: 551.582.3

Е.А. Божилина1, В.Н. Сорокина2

ПРИНЦИПЫ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ КАРТОГРАФИИ

В СОВРЕМЕННОЙ КЛИМАТОЛОГИИ

Рассмотрены принципы географической картографии, их значение в современных условиях геоинформационного картографирования. Приведены результаты экспериментов по автоматизированной и географической интерполяции данных при составлении карт температуры воздуха и годовой суммы осадков на территорию Иркутской области.

Ключевые слова: географическая картография, климатические карты, методы интерполяции, тестовый участок, температура, осадки, Иркутская область.

Введение. Картографирование климата — часть географических исследований, его цель — познание климатических закономерностей. Карты позволяют сделать выводы о законах формирования климата, учесть и оценить климатические условия и ресурсы, а также осуществлять прогноз изменений климата. Климатическое картографирование — один из научных методов познания природы в целом, анализа взаимосвязей климата с другими компонентами природы. Климатические карты, как и другие карты природы, используются в сельском хозяйстве, строительстве, курортологии, здравоохранении, природопользовании и других направлениях практической деятельности.

Современное климатическое картографирование развивается в различных направлениях и масштабах, на глобальном, региональном и локальном уровнях. Для получения климатологической информации и создания климатических карт существуют хорошо разработанные методики, обоснованные в трудах Б.П. Алисова, И.А. Гольцберг, О.А. Дроздова, И.Н. Гусевой, Н.А. Мячковой, И.Д. Копанева, В.Н. Адаменко, А.А. Исаева и др. [1, 2, 4, 8—11]. Однако вопросы составления карт не регламентированы инструкциями и наставлениями и требуют серьезного климатологического и географического анализа для каждого картографируемого показателя и их комплекса.

Постановка проблемы. Принципы географической картографии, реализуемые в климатическом картографировании, имеют длительную историю становления и развития. Однако их реализация была основана на трудоемких картосоставительских работах. Их значение в современных условиях автоматизированного и геоинформационного картографирования недостаточно оценено и внедрено в реальные климатические проекты и прогнозы. Исключение составляет, например,

немецкая служба погоды, которая вернулась к методике рукописного вычерчивания изолиний экспертами-климатологами на синоптических картах.

При моделировании содержания климатических карт следует учитывать следующие положения:

— моделирование пространственного положения элементов климата, его характеристик и показателей необходимо выполнять как картографирование части климатической системы с учетом влияния климато-образующих и других факторов;

— необходимо отображать географические закономерности и своеобразный природный рисунок пространственного распределения климатических показателей, отражающий внешние структурные особенности, генезис и другие качества климата, формирующиеся в результате взаимодействия всех факторов;

— проводить изолинии следует не только автоматизированными методами, но и с использованием географической интерполяции и экстраполяции данных;

— необходимо анализировать атмосферную циркуляцию и учитывать взаимосвязи климата с рельефом, почвами, растительным покровом, стоком и ландшафтом в целом; разные типы связей должны отображаться и различаться в картографическом изображении;

— на всех этапах создания карт необходимо выполнять их согласование с географической основой и картами взаимосвязанной тематики;

— следует учитывать и в ряде случаев показывать на картах динамику климатических и метеорологических процессов, явлений и тенденции их развития;

— при создании карт климата следует принимать во внимание экологические аспекты и антропогенные изменения территорий.

Рассмотрим вкратце некоторые из приведенных положений. Картографирование климата как единого

1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра картографии и геоинформатики, доцент, канд. геогр. н., e-mail: bozilina@mail.ru

2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра метеорологии и климатологии, доцент, канд. геогр. н., e-mail: vnsorokina@mail.ru

целого основано на системном подходе и учете факторов климатообразования в процессе картографирования отдельных климатических показателей. Системный подход опирается на многолетние традиции комплексного картографирования и новейшие достижения геоинформационного картографирования. Методика создания карт базируется на анализе климата как части природного комплекса, а показателей климата — как проявление единой климатической системы. Изучение климата как системы — концептуальная основа математико-картографического моделирования климата [5], которая должна быть реализована и в самом картографическом изображении. Для этого необходима правильная последовательность этапов создания карт, включающая работы по подготовке вспомогательных основ, дополнительных тематических карт для согласования, географической интерполяции, экстраполяции данных, уточнения климатических границ, изучения атмосферной циркуляции, взаимосвязей и др.

Климат характеризуется внешними пространственными проявлениями. Поэтому и в картографическом изображении необходимо сохранять географическое подобие природного рисунка, присущего пространственным полям климатических показателей, их комплексам и районам, явлениям погоды и климата. Рисунок отражает структурные особенности, генезис, и многие другие характеристики формирования и развития климатических процессов, явлений. Геометрические образы пространственного распределения климатических показателей имеют специфику отображения на картах. Например, в зависимости от масштаба на картах средних суточных значений январской температуры на территории Восточной Сибири следует отображать "озера" холодного воздуха в днищах долин в зимний период при высокой повторяемости инверсий, зоны накопления снежного покрова в долинах и котловинах — на картах высоты снежного покрова и т.д.

Типичные черты присущи рисункам, отражающим пространственные границы климатических областей и поля климатических показателей, отображенные системой изолиний. Пространственная геометрия может быть обусловлена различными процессами. Для картографирования важен учет доминирующих воздействий. Особенно сильно проявляется влияние рельефа. Пространственное распределение климатических и в особенности микроклиматических показателей зависит от форм рельефа (наличие оврагов, пойм рек, террас и т.д.), различий в абсолютной высоте местности, экспозиции и крутизны склонов. Рисунок многих климатических показателей может изменяться под влиянием дополнительных факторов.

В последние годы все большее внимание уделяется разработке методов изображения динамики и изменений климата на картах климата. Создаются специальные карты динамики климата, серии климатических карт, характеризующие внутригодовую динамику климата в атласах, карты-анимации метеорологических, климатических и опасных сезонных и периодических

атмосферных явлений, карты прогноза долгосрочных изменений климата и отдельных климатических показателей и ресурсов. В современных условиях методика отображения на картах динамики основана на специальных картографических геоинформационных системах оценки динамики климата. В базу данных таких систем обязательно включение современных архивов климатических данных, представляемых на сайтах Росгидрометцентра, Северо-Евразийского климатического центра, ВНИИГМИ—МЦД, Word Weather, многих региональных архивов, например Канадского национального архива климатических данных.

В настоящее время интенсивность динамических изменений природной среды значительно увеличивается, что прослеживается и в изменении климата [5, 6]. К причинам таких изменений относятся воздействия различных факторов, но особую роль при этом играет нарастающее антропогенное воздействие. Антропогенная деятельность проявляется в изменении химического состава приземного слоя атмосферы, влагообмена между поверхностью Земли и атмосферой, накоплении химических веществ, изменении показателей климата. В связи с этим происходит экологизация содержания карт климата, создание карт нового содержания — эко-лого-климатических [3]. Изучение изменений климата и их прогноз базируются на математическом моделировании климатических полей. Математическое моделирование пространственного распределения климатических показателей предполагает соответствующую визуализацию. Для таких изображений мы предлагаем использовать термин "картографическая визуализация климатических моделей". Полученные отображения климатических моделей имеют важное научное и практическое значение, однако при географическом анализе и оценке необходимо учитывать их ограничения и условность: они не всегда дают реальную модель действительности, а в ряде случаев противоречат закономерностям пространственных климатических полей.

Ориентация исключительно на математические методы в ущерб географическим подходам может сказаться на достоверности пространственных выводов, в том числе об изменениях климатических показателей в условиях глобального потепления. В последнее время появляются новые перспективные технологии моделирования климатических показателей с учетом географических поправок, в частности разрабатываются алгоритмы расчета температуры воздуха в горах с учетом не только высоты, но также экспозиции и крутизны склонов [7] и др. Исследование методов интерполяции важно проводить для территорий и тестовых участков, на которых зависимость климатических параметров от циркуляции, атмосферы, рельефа местности, подстилающей поверхности выражена наиболее сильно.

Методы интерполяции. Результаты экспериментов для территории Иркутской области. Задача климатического картографирования — моделировать реальное пространство климатических явлений и их показателей.

Для этого необходимо проводить географическую локализацию климатических явлений и их характеристик на основе индикационной локализации и географическую интерполяцию данных. Географическая интерполяция основана на анализе атмосферной циркуляции и взаимосвязей климатических показателей с рельефом и другими природными факторами. Она позволяет учесть корреляции с почвенно-растительным покровом, стоком, используя их в качестве индикаторов для проектирования положения изолиний при дефиците исходных данных. Для выявления природных связей особое значение имеет привлечение различных слоев и баз данных геоинформационных систем. Проводить изолинии следует с учетом географических поправок. Для работы привлекаются цифровые модели рельефа, гипсометрическая или морфометрическая основа. При этом составляется схема разделительных линий, соответствующих резкой смене картографируемого показателя (горных хребтов, характерных горизонталей, границ природных индикаторов и т.п.). Проводится районирование территории, выделяются различные высотные слои, зоны с различными характеристиками рельефа и почвенно-растительного покрова, для которых осуществляется расчет вертикальных градиентов или строятся графики изменения показателя с высотой и в зависимости от крутизны и ориентировки склонов.

Нами проведены эксперименты по построению изолиний климатических показателей с использованием автоматизированных методов и приемов географической интерполяции при создании карт температуры воздуха и сумм осадков для территории Иркутской области на базе архива данных за 1982—2006 гг. Автома-

а

~ 26 -—-V изолинии средней месячной температуры января,'

Баяндай О метеостанция

Рис. 1. Примеры различных методов интерполяции

тизированная интерполяция выполнялась различными методами, в том числе методом кригинга (kriging), учитывающего не только удаленность исходных точек от интерполируемых, но и их взаиморасположение, а также методом сплайна, основанным на расчете значения точек в соответствии с математической функцей, минимизирующей кривизну поверхности (в результате получается сглаженная поверхность, точно проходящая через все точки измерений). Пример фрагмента карты, выполненной методом автоматизированной интерполяции, представлен на рис. 1, а. Автоматизированное моделирование не позволило учесть циркуляцию атмосферы, перенос воздушных масс, рельеф поверхности, наличие водоемов, тип подстилающей поверхности, наличие температурных инверсий зимой, географическую специфику распространения температуры летом. Таким образом, можно предположить, что автоматизированное моделирование не позволило правильно охарактеризовать климат региона, найти его главные особенности.

Составление карт приемами географической интерполяции выполнено на гипсометрической основе. На рис. 1, а представлен обобщенный фрагмент карты средней месячной температуры воздуха в январе на часть территории Иркутской области. Картографическое моделирование распределения средней месячной температуры на территории Иркутской области проведено с учетом атмосферной циркуляции и рельефа. При этом был выполнен анализ барического поля и преобладающего переноса воздушных масс в январе и июле, а также изучены особенности развития циклонической деятельности в эти месяцы. Зимой на этой территории преобладание антициклонального

б

-19,1 максимальные средние месячные значения температуры 'С -35,9 минимальные средние месячные значения температуры

------реки

для тестового участка на территории Иркутской области

режима в условиях сложной орографии обусловливает наличие температурных инверсий, т.е. понижение температуры в долинах и повышение на окружающих склонах гор. Повышение температуры с высотой велико и в среднем составляет 2 °С и более на 100 м [12]. Наиболее ярко инверсии выражены на северо-востоке области, где резко возрастает повторяемость антициклонов и отмечается уменьшение облачности, что способствует усилению процесса радиационного выхолаживания в различных отрицательных формах рельефа (долинах, котловинах и различных понижениях с затрудненной вентиляцией). Это отчетливо отображено на картах, например, в долинах рек Витим, Жуя, Большой Патом среднесуточная температура воздуха в январе достигает —28 °С, а абсолютный минимум составляет —38 °С.

На разработанных нами картах средней месячной температуры воздуха в январе отмечается более высокий фон температуры в западной части Иркутской области, что связано с положением этой территории на западной периферии Азиатского антициклона и выносом сюда относительно теплых воздушных масс из Казахстана, Средней Азии и реже из Китая и Центральной Азии. В январе температура здесь с запада на восток изменяется от —16 до —23 °С. Кроме того, зимой центр высокого давления находится к югу от Саян и через хребет медленно происходит переток воздуха на север. Это обусловливает развитие фенов на северных склонах хребта, что заметно повышает общий уровень температуры в январе в Присаянье, смягчая низкие значения температуры зимой, а также отсутствие инверсий в отрицательных формах рельефа. В соответствии с выявленной закономерностью в Южном Присаянье на наших картах отображается понижение температуры воздуха с высотой в январе.

В процессе картографирования выделено влияние Байкала на близлежащую территорию. Это влияние ограничивается узкой полосой и мало ощущается за окружающими его хребтами, так как поверхность озера невелика, со всех сторон окружена горами, здесь отсутствуют устойчивые течения, которые могут способствовать интенсивному теплообмену между Байкалом и окружающей его территорией. Озеро оказывает отепляющее воздействие, особенно в осенний и раннезимний периоды, на прибрежную полосу. Над озером отсутствуют зимние инверсии. Средняя температура воздуха в январе на карте на юге побережья в пределах Иркутской области составляет —17  —18 °С, на северо-востоке она достигает —20 °С. Летом Байкал действует охлаждающе на близлежащую территорию.

На крайнем севере Иркутской области на январских картах отмечается закономерное распределение температуры — постепенное понижение к северу (от -27 до -33 °С).

Построение карты средней суточной температуры воздуха в июле методом географической интерполяции основано на анализе климатообразующих факторов и условий летнего сезона. Летом в формировании

температуры воздуха определяющее значение имеет радиационный фактор. Радиационный баланс летом мало меняется на этой территории и составляет за сезон 800—850 мДж/м2. Это способствует трансформации часто распространяющегося сюда арктического воздуха в умеренный континентальный и формированию более однородного поля температуры, в отличие от зимы. Метод географической интерполяции позволил отобразить на карте увеличение температуры воздуха в долинах и уменьшение с высотой на прилегающих склонах гор и их вершинах: в долинах до 18 °С, на междуречьях до 16—17 °С (см. фрагмент карты на рис. 2), на горных хребтах на высотах более 2000 м до 10—11 °С.

При построении карты осадков принимались во внимание следующие особенности. Прежде всего учитывалось, что на рассматриваемой территории годовые суммы осадков изменяются в широких пределах (от 300—350 до 1400 мм). До 65—85% годовой суммы осадков выпадает в теплый период в связи с развитием циклонической деятельности. Наименьшая для области сумма осадков наблюдается на о-ве Ольхон (<200 мм), засушливо и западное побережье озера. При построении изогиет учитывался сложный рельеф области. На наветренных склонах хребтов (Байкальский, Хамар-Дабан, предгорья Восточного Саяна) осадков выпадает в 2—3 раза больше, чем на другой территории области. В предгорьях Восточного Саяна значения годовой суммы осадков составляют 500—600 мм, увеличиваясь на наветренных склонах нагорья до 700— 800 мм. Наибольшая сумма осадков фиксируется на обращенных к Байкалу склонах хр. Хамар-Дабан, что связано с выходом южных монгольских циклонов во вторую половину лета на эту территорию.

Для долин изогиеты строили с учетом уменьшения количества осадков (рис. 2), в некоторых горных долинах и котловинах сумма количества осадков, по данным метеостанций, составляет 300—350 мм. Очень хороший индикатор количества осадков — наличие густой речной сети. Благодаря этому удалось приблизительно определить количество осадков на хр. Кодар, где отсутствуют метеостанции.

Особое внимание было уделено территории вблизи оз. Байкал. Построение изогиет здесь осложняется недостаточностью пунктов наблюдений за осадками, резкими перепадами количества осадков на небольшой территории. Особенно трудоемким было составление картографического изображения для Южного Прибайкалья, где изменение осадков происходит в двух измерениях — при движении вдоль берега озера с запада на восток и при увеличении абсолютной высоты местности.

Таким образом, в процессе картографирования удалось отобразить следующие географические особенности распределения температуры и количества осадков в этом регионе:

— наличие температурных инверсий в центральных и восточных районах Иркутской области, "озера"

Рис. 2. Фрагменты карт на тестовый участок Иркутской области: а — средняя месячная температура воздуха в июле; б — годовая сумма

осадков

холодного воздуха в днищах узких долин (Лена, Кирен-га, Витим, Мама, Большой Патом, Чара, Жуя, Чуя);

— отепляющее влияние Братского и Усть-Илим-ского водохранилищ;

— влияние оз. Байкал на распределение температур и осадков;

— антропогенное влияние крупных городов (Иркутск, Ангарск, Усолье-Сибирское, Черемхово, Братск, Усть-Илимск, Шелехов).

Эксперименты по созданию карт температуры воздуха и годовой суммы осадков на территорию Иркутской области методом автоматизированной и географической интерполяции показывают преимущества последней для картографирования климатических показателей. Такой метод должен дополнять автоматизированную интерполяцию и требует использования хорошей гипсометрической основы в требуемом масштабе.

Использование методов географической интерполяции позволяет делать выводы об изменении температурного режима для конкретных территорий с присущей им спецификой циркуляции атмосферы и процессов климатообразования. Нами проведен сравнительный анализ построенных на основе географической интерполяции карт средней месячной температуры воздуха в январе и июле по данным за 1982—2006 гг. и аналогичных карт из Атласа Иркутской области (1962) за период наблюдения с 1881 по 1961 г. Исходя из проведенного анализа можно сделать следующие выводы. Прежде всего, на основной территории области произошло общее потепление в холодный период года, особенно в январе-феврале. В северных районах области среднемесячная темпе-

ратура повысилась на 2—2,5°, в центральных районах повышение составило 1—1,5°, в местах распространения температурных инверсий повышение незначительное — несколько десятых долей градуса, в восточных районах области температурный фон не изменился. В горных районах повышение температуры составило 1° на юге (в Саянах), на Хамар-Дабане изменения не выявлены. Выделился крупный Иркут-ско-Тулунский район, где антропогенные факторы весьма существенно влияют на формирование зимнего температурного фона: в Иркутске повышение составило от 1 до 3°.

Поле летних значений температуры на территории области также претерпело некоторые изменения. В целом повышение средней суточной температуры воздуха в июле составило ~1°. Такое изменение температуры характерно для Иркутско-Тулунского района и территорий, где влияют Братское и Усть-Илимское водохранилища. Аналогичные повышения средней суточной температуры воздуха, вызванные антропогенным воздействием, фиксируются на метеостанциях в крупных городах: Братск, Усть-Кут, Усть-Илимск, Саянск. Не отмечены изменения в горных районах. В Прибайкалье наблюдается незначительное понижение температуры на 0,5°.

Таким образом, географическая интерполяция при построении карт позволила провести их пространственный анализ и выделить районы с разными тенденциями и трендами изменения средней суточной температуры воздуха на территории Иркутской области.

Заключение. Сложные научно-технические процессы по созданию климатических карт можно реализовать с высокой степенью точности, достоверности и

эффективности на основе использования современных технологий картографирования и всей совокупности данных, включая архивы обработанных данных сети наблюдений за атмосферой и ее загрязнением, а также новые виды климатических справочников. Основные тенденции современного этапа климатического картографирования связаны с развитием геоинформационных подходов, математического моделирования климата, отображением изменчивости, динамики и трендов климатических показателей, развитием эколого-климатического картографирования.

В процессе картографирования на новом уровне развития технологий важно сохранить методологические и методические приемы, которые разработаны в трудах многих видных климатологов, картографов и географов. Анализ современного климата и его изменений за последние десятилетия может быть существенно углублен и расширен на основе фундаментальных картографических произведений, выполненных с применением климатологической обработки и географической интерполяции данных.

При составлении климатических карт на основе автоматизированной интерполяции следует проводить корректировку рисунка изолиний на основе изучения

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алисов Б.П., Дроздов О.А., Рубинштейн Е.С. Курс климатологии. Ч. I, II. М.: Гидрометеоиздат, 1952.

2. Адаменко В.Н., Масанова М.Д., Четвериков А.Ф. Индикация изменений климата: Методы анализа и интерпретации. Л.: Гидрометеоиздат, 1982.

3. Божилина Е.А., Сваткова Т.Г., Чистов С.В. Эколого-географическое картографирование: Учеб. пособие. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1999.

4. Гусева И.Н. Климатические карты // Методические указания по проектированию и составлению комплексных научно-справочных атласов. Вып. 5. М., 1970.

5. Кислов А.В. Климат в прошлом, настоящем и будущем. М.: Наука/Интерпериодика, 2001.

6. Кислов А.В., Евстигнеев В.М., Малхазова С.М. и др. Прогноз климатической ресурсообеспеченности ВосточноЕвропейской равнины в условиях потепления XXI века. М.: Макс-Пресс, 2008.

пространственных закономерностей распределения показателей с учетом циркуляции атмосферы, рельефа, подстилающей поверхности и других факторов. Географическая интерполяция данных, используемая для проведения изолиний на климатических картах, позволяет проводить углубленный пространственный анализ изменения климата и его показателей для различных территорий, учитывать их специфику, например наличие зимних долинных инверсий.

Необходимо дальнейшее совершенствование теории и методики климатического картографирования, обеспечивающих адаптацию современных алгоритмов и моделей к отображению закономерностей многофакторного системного географического пространства климатических полей, в том числе методов автоматизированной интерполяции с учетом географических поправок и подходов.

В настоящее время разрабатывается проект нового климатического атласа России. Применение географической интерполяции данных для построения карт в этом атласе будет способствовать детальному пространственному анализу изменения климата и его показателей.

7. Кислов А.В., Розинкина И.А., Чернышев А.В. Технология моделирования микроклиматических особенностей горной территории в рамках модели общей циркуляции атмосферы // Метеорология и гидрология. 2006. № 10. С. 45—53.

8. Копанев И.Д. Снежный покров на территории СССР Л.: Гидрометеоиздат, 1978.

9. Исаев А.А. Экологическая климатология. М.: Научный мир, 2003.

10. Микроклимат СССР / Под ред. И.А. Гольцберг. Л.: Гидрометеоиздат, 1967.

11. Мячкова Н.А. Климат СССР: Учеб. пособие. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1983.

12. Справочник по климату СССР Вып. 22. Ч. 2. Температура воздуха и почвы. Л.: Гидрометеоиздат, 1961.

Поступила в редакцию 30.05.2011

E.A. Bozhilina, V.N. Sorokina PRINCIPLES OF GEOGRAPHICAL CARTOGRAPHY IN MODERN CLIMATOLOGY

Principles of geographical cartography and their importance at the present-day stage of geoinfor-mational mapping development are discussed. The results of automated and geographical interpolation of data in the process of mapping air temperatures and annual precipitation for the territory of the Irkutsk oblast are presented.

Key words: geographical cartography, geographical interpolation.