Modern forest climatopes and forest typological zoning of the northern part of European Russia

Full Text

Введение

Разработка современных схем районирования лесов России – одна из важнейших задач современного лесоведения и лесоводства. Специалисты лесного хозяйства в разработке таких схем предлагают исходить из природно-климатических факторов [1]. Такой подход традиционен для русского лесоведения, поскольку в классической лесной типологии климат в первую очередь рассматривался как определяющий типы леса [2] и географическое соответствие леса условиям местообитаний [3].

Лесные зоны в первую очередь зависят от климатических условий. Климатические факторы определяют ареалы древесно-кустарниковых пород, образующих лес, особенности возобновления леса, а также типы лесных культур, ассортимент пород и схемы их смешения при лесовосстановлении, лесокультурном деле, агролесомелиорации и лесной рекультивации [4]. С климатом напрямую связана агротехника создания, характер и особенности ухода за лесными культурами и лесонасаждениями [4].

Оценка лесных климатов и лесных климатопов с точки зрения лесорастительного эффекта была предложена Д.В. Воробьевым с использованием показателей среднемесячных положительных температур, гидротермического коэффициента и континентальности [5]. Д.Д. Лавриненко предложил лесорастительное (лесотипологическое) районирование проводить на основе показателей среднемесячных положительных температур и континентальности [6]. Именно эти схемы были положены в основу оценки лесных климатопов и лесотипологического районирования территории СССР.

Несмотря на то, что данные схемы разрабатывались на основе метеорологических данных до 40–60-х гг. XX в., лесотипологическое районирование Д.В. Воробьева продолжает использоваться в лесоведении и лесоводстве [4]. Также используются схемы лесного районирования на основе выделенных с использованием метеоданных того же периода природно-климатических зон [1; 7]. Лесотипологами для Восточно-Европейской равнины предлагается классификация лесных климатопов (типов климата) на основе подходов Д.Д. Лавриненко, с увязкой их с природно-климатическими зонами и зональными типами леса [8], но, к сожалению, без указания, по данным какого периода выполнялась классификация и без картографического представления районирования.

В настоящий момент в результате значительных изменений климата России [9; 10] эти схемы утратили свою актуальность и требуют пересмотра. Актуальная оценка лесных климатопов и лесотипологическое районирование было проведено для территории Украины [11], однако и оно уже могло утратить свою новизну, поскольку базировалось на данных без учета ситуации начала XXI в. Острейший кризис в современной лесной типологии (данная проблема нами была кратко рассмотрена в предыдущей публикации [12]) привел к тому, что лесотипологические схемы районирования остаются не актуализированными.

Ранее нами проведена оценка лесных климатопов южной равнинной части Европейской России [12]. Задачей данной работы является оценка лесных климатопов и разработка современной схемы лесотипологического (лесорастительного) районирования северной части Европейской России по климатическим показателям начала XXI в.

Объект и методы

Район исследования с юга был ограничен северными административными границами Брянской – Калужской – Тульской – Рязанской областей – Республики Мордовии – Ульяновской области – Республики Татарстан – Республики Башкортостан. На востоке – административными границами Ненецкого автономного округа, Республики Коми и Пермского края. На западе район исследований ограничен государственной границей России от Смоленской области на север.

Исследования проводились на протяжении 10 лет с использованием открытых данных ежесуточного мониторинга температур и осадков Росгидромета и базы данных ВНИИ Гидрометеорологической информации [13; 14] по 304 метеорологическим станциям. В анализ не включены метеостанции Московской городской агломерации и г. Санкт-Петербурга, но использованы данные метеостанций московских аэропортов и г. Москвы как субъекта федерации (объединены с метеостанциями Московской области без выделения границ г. Москвы). Данные обрабатывались общепринятыми в климатологии методами с расчетом среднемесячных температур воздуха и среднемесячных сумм осадков за период начала XXI века по 2022 г. включительно. Метеоданные вносились в атрибутивную базу данных, привязанную к метеостанциям, которые были привязаны к топографической основе в прикладном пакете ArcGIS. В базе рассчитывались лесоклиматические индексы [5; 6]: суммы среднемесячных положительных температур (Т) за год, гидротермический коэффициент Д.В. Воробьева (W = T/R − 0,0286T, где R – сумма осадков периода положительных температур) и контрастность климата (А) как разности средних температур самого теплого и холодного месяцев года. Географическое распределение индексов выполнялось по результатам пространственной интерполяции величин Т, W и А методом кригинга (Ordinary kriging), а районирование – с использованием пространственной классификации величин Т и W на основе принятой схемы современной украинской лесотипологической школы [11; 15], а величины А – по Д.Д. Лавриненко [6]. При выделении зон не учитывались так называемые «бычьи глаза» (локальные небольшие пятна), образующиеся либо как результат «ошибок» сглаживания, либо возможных артефактных климатических показателей или локальных погодных проявлений за период наблюдений.

Результаты и обсуждение

Для севера Европейской России (рис. 1) определяются четыре зональных термотопа, зоны которых имеют четкое широтное простирание (в скобках приводится индексация, принятая Д.В. Воробьевым [8; 15; 16]).

Северную половину полуострова Канина и северную часть (севернее г. Нарьян-Мара) Ненецкого автономного округа занимает зона холодных лесных термотопов с суммой температур теплого периода +24…+44°C (а – боровые термотопы). Расположена зона севернее Полярного круга и наблюдается ее смещение на север по сравнению с данными Д.В. Воробьева – изотермы соответствующих сумм положительных температур ранее проходили южнее [5, с. 72, см. рис. 9], что указывает на значительное смещение холодных климатов на север в настоящий период. В целом же определение Д.В. Воробьева боров как «типов тундр» [5, с. 70] подтверждается современными данными. Небольшой участок боровых термотопов в виде сравнительно узкой прибрежной полосы отмечается и на северо-востоке Кольского полуострова (напротив полуострова Канина).

 

Рисунок 1 – Термотопы (климаты трофотопов) и тепловые лесотипологические зоны севера Европейской России (пояснения к легенде в тексте, также тут и далее показаны крупные озера и водохранилища)

 

Мурманская область, северная часть Республики Карелия, Онежский полуостров и северная треть Архангельской области, а также северная половина Республики Коми – зона относительно холодных лесных термотопов с суммой температур теплого периода +44…+64°C (b – суборевые термотопы).

Южнее расположена обширная зона лесных термотопов прохладных с суммой температур теплого периода +64…+84°C (с – сугрудковые термотопы), занимающая большую часть территории северной части Европейской России. Южная граница зоны проходит севернее Финского залива Балтийского моря, деля Карельский перешеек практически пополам, и идет по южному побережью Ладожского озера. Далее она расположена несколько южнее северной границы Новгородской области, отсекает северную часть Тверской области, проходит по южному побережью Рыбинского водохранилища и отсекает север Ярославкой области и северную половину Костромской области. После граница прослеживается практически по северной границе Нижегородской области и, проходя через южные районы Кировской области, делит пополам Удмуртскую Республику севернее г. Ижевска, далее проходит севернее Воткинского водохранилища, после чего в Пермском крае резко меняет направление на меридиональное в связи с влиянием Уральских гор.

Для севера Европейской России для боровых и суборевых термотопов в районе Урала нет изменения направления границ зон с широтного на меридиональное и отдельно не выделяются термотопы Уральских гор. Это может быть связано с ростом положительных температур в горах Урала из-за повышения среднегодовых температур в уральском регионе [17; 18], в результате чего горные термотопы стали попадать в один температурный диапазон с равнинными. Также это может быть связано с закрытием части метеостанций на самых высоких пунктах Урала и отсутствием по ним доступных актуальных данных.

Южная граница зоны сугрудковых термотопов в отличие от северной границы с суборевой зоной является неровной с формированием отчетливо видимых «языков». Это может указывать на ее динамическое равновесие, связанное с идущими изменениями термоклимата. Подтверждает это наличием мощного «языка» сугрудковых климатопов на юго-западе Ленинградской области с его заходом в Псковскую область. Вероятно, в связи с динамикой климата происходило или происходит смещение границы этой зоны на север, а такие остаточные «языки» связаны с местными термоклиматическими условиями. Фактически для зоны сугрудковых лесных климатов наблюдается неопределенность или динамическая подвижность южной границы, в результате чего возможна неустойчивость лесных климатов.

На юге северной части Европейской России определяется зона лесных термотопов умеренных с суммой температур теплого периода +84…+104°C (d – грудовые термотопы). Зона включает почти всю Псковскую, Новгородскую и большую западную часть Тверской области, Смоленскую, Московскую, Владимирскую и Ивановскую области, большую южную часть Ярославской области, юг Костромской области (с г. Костромой), почти всю Нижегородскую область и Чувашскую Республику, южную половину Удмуртской Республики (с г. Ижевском) и юго-западный «угол» Пермского края (западнее Воткинского водохранилища). Южная граница этой зоны нами определялась ранее [12].

По режимам континентальности (рис. 2) в северной части Европейской России выделяются пять контрастотопов (в скобках приводится индексация, принятая Д.Д. Лавриненко [6]).

 

Рисунок 2 – Контрастотопы и лесотипологические зоны континентальности севера Европейской России (пояснения к легенде в тексте)

 

Зона контрастотопов относительно мягкого климата (I – +20…+26°C) охватывает западные регионы севера Европейской России (Смоленскую, Псковскую, западную половину Тверской, почти всю Новгородскую и Ленинградскую области и южную часть Республики Карелия). Граница зоны в России в южной Карелии имеет простирание, близкое к широтному, которое меняется на почти меридиональное по линии г. Петрозаводск – г. Тверь. Также отмечается динамика границы с формированием «языков» в западном направлении. Отдельный полуанклав этой зоны определяется на побережьях Белого и Баренцева морей (в том числе в районе Поморского пролива) и о. Вайгач в связи с морским эффектом, нивелирующим амплитуды температур. Сходный полуанклав нами определялся ранее в юго-восточной, центральной и южной части Краснодарского края на Черноморском побережье [12].

На побережье Баренцева моря – Мурманский берег от полуостровов Средний и Рыбачий до острова Кильдин и Териберской губы и в районе Канина Носа – определяется небольшой участок контрастотопов с режимом континентальности менее +20°C, который Д.Д. Лавриненко не выделялся. Ранее нами такой же участок определялся в районе г. Туапсе – г. Адлера для прибрежной полосы и причерноморской части Кавказских гор Краснодарского края [12]. Предварительно он был назван как 0 – мягкого (приморского) климата. Судя по всему, идентификация этих контрастотопов связана с наличием метеорологических станций на побережье морей, где близко к побережью подходят возвышенности и горы. Как нами ранее отмечалось, эти контрастоттопы требуют дополнительного рассмотрения для оценки лесорастительного эффекта.

Центральное положение на севере Европейской России занимают охватывающие значительное пространство контрастотопы относительно континентального климата (II – +26…+32°C). Зона имеет меридиональный характер простирания, далее уходя на юг [12].

На востоке выделяется зона контрастотопов континентального климата (III – +32…+36°C). Западная граница этой зоны имеет очертание сильновыпуклой на запад дуги, идущей с северо-востока практически по административной границе Республики Коми (без северо-западных районов) и поворачивающей на юго-восток, формируя линию севернее г. Сыктывкара – г. Перми. Южный участок этой зоны также определяется на юге Удмуртской Республики. Восточнее в Республике Коми выделяется небольшой участок зоны контрастотопов резко континентального климата (IV – +36…+40°C). Эти две зоны достаточно четко связаны с Уральскими горами, которые, вероятнее всего, и определяют их простирание.

По режимам увлажнения (рис. 3) на севере Европейской России выделяются следующие зоны климатов гигротопов (в скобках приводится индексация, принятая Д.В. Воробьевым [8; 15; 16]).

 

Рисунок 3 – Лесотипологические зоны увлажнения севера Европейской России (пояснения к легенде в тексте)

 

На севере определяется дизъюнктивная зона климатов гигротопов мокрых (5, коэффициент увлажнения W = 4,8–6,2). Зона охватывает почти всю Мурманскую область с формированием «языка» на севере Республики Карелия. Второй полуанклав расположен севернее г. Архангельска на побережье Белого моря. Третий – на полуострове Канин. Два крупных полуанклава этой зоны отмечаются в центральной части и на северо-востоке Ненецкого АО. Помимо этого выделяется меридиональный анклав горных вариантов климатов мокрых гигротопов в районе Уральских гор. Внутри этой зоны на Кольском полуострове и Среднем Урале отмечаются участки климатов гигротопов с величиной коэффициента увлажнения Д.В. Воробьева выше 6,2, которые условно можно назвать ультрамокрыми. Эти климаты Д.В. Воробьевым не выделялись, но отдельной зоны они на севере Европейской России не образуют, а их появление связано с локальными участками с крайне высоким уровнем осадков на возвышенных и горных территориях, где имеются метеостанции.

Обширнейшие пространства севера Европейской России занимает зона климатов гигротопов сырых (4, 3,4–4,8). При этом южная граница этой зоны характеризуется крайне своеобразным простиранием. В центральной части севера Европейской России от оз. Белое до чуть севернее схождения административных границ Удмуртской Республики, Кировской области и Пермского края и далее – севернее г. Перми она идет практически в широтном направлении, уходя за Урал. В западной же части севера Европейской России (от Белого озера в направлении г. Твери и южнее) эта граница имеет практически меридиональное простирание, которое вновь резко меняет свое направление на широтное в Смоленской области. В результате этого образуется крупный западный участок зоны климатов сырых гигротопов, выдающийся на юг и охватывающий Новгородскую, Тверскую (западнее г. Твери), восток Псковской и север Смоленской области. Также здесь на южной границе формируются мощные «языки» в Смоленской области и в районе Рыбинского водохранилища. Такая конфигурация зоны сырых гигротопов, по нашему мнению, связана с процессами аридизации климата России, который идет из центра континентальной Евразии в направлении на север. Однако на северо-востоке водные системы Ладожского и Онежского озер и Рыбинского водохранилища, а также влияние влажных воздушных масс, идущих от Балтийского моря, приостанавливают этот процесс, формируя западный участок климата сырых гигротопов значительно южнее, чем в центральной части севера Европейской России, и определяя «языки» этих климатов гигротопов, заходящие южнее и восточнее. Внутри зоны сырых гигротопов отмечаются анклавы влажных и мокрых лесных климатов, связанные с локальными климатическими и метеорологическими условиями.

На юге определяются две зоны: влажных (3, 2,0–3,4) и свежих (2, 0,6–2,0) зональных климатов гигротопов. Климаты влажных гигротопов характерны для юга Смоленской области (далее уходя в Брянскую и Калужскую область [12]), Московской области (кроме юга), восточной половины Тверской и южной части Вологодской областей, Ярославской, Ивановской и большей части Кировской областей, севера Нижегородской области и северной половины Удмуртской Республики, а также юго-запада Пермского края. Граница между зонами проходит примерно по Московской, Владимирской и Нижегородской областям, северной границе Чувашской Республики и по Удмуртской Республике. В связи с процессами аридизации на границе формируются мощные «языки», в результате чего участки свежих зональных гигротопов отмечаются на западе и юге Ивановской области и в Пермском крае. Южная граница зоны свежих зональных климатов гигротопов нами определялась в предыдущей работе [12]. Полуанклав влажных и свежих гигротопов отмечается в районе г. Архангельска, что связано, по-видимому, со спецификой морского побережья данного региона.

Наконец, на крайнем юге Удмуртской Республики отмечена выделенная ранее нами зона сухих зональных климатов гигротопов (1, −0,8…0,6).

В целом необходимо отметить, что на севере Европейской России зоны климатов лесных гигротопов гораздо лабильнее и динамичнее, чем на юге [12] и чем температурные зоны лесных климатопов. Значит, необходимо учитывать возможные проблемы с ведением лесного хозяйства в связи с переменными условиями атмосферного увлажнения. Также границы лесных климатических зон, определяемых условиями увлажнения, в районе границ зон на севере Европейской России будут достаточно условными.

В предыдущей публикации было обосновано использование рассмотренных трех лесоклиматических факторов при лесотипологическом районировании [12]. Этот же подход использован для севера Европейской России, соответственно, современные лесотипологические области и лесотипологическое районирование северной части Европейской России выглядит следующим образом – рис. 4.

 

Рисунок 4 – Лесотипологическое районирование равнинной южной части Европейской России (индексы лесотипологических областей (климатопов) соответствуют индексам вышеописанных зон)

 

Обширную центральную часть севера Европейской России занимает область сырых сугрудков относительно континентальных (4сII), которая характеризуется наибольшей площадью и широтным простиранием. Для западной части рассмотренной территории наиболее характерны сырые груды мягкого климата (3dI), а на юге широко представлены свежие груды относительно континентальные (2dII). Между этими областями наблюдается высочайшее лесотипологическое разнообразие, связанное с разными углами широтного простирания зон климатов термотопов и гигротопов, а также формированием пограничных «языков», пересечение которых создает сложную мозаику климатических лесорастительных условий. На востоке рассмотренной территории высокое лесотипологическое разнообразие определяется Уральскими горами, влияние которых в первую очередь перераспределяет режим атмосферного увлажнения, что приводит к формированию меридиональных лесотипологических областей и их горных аналогов. На севере влияние морей Северного Ледовитого океана также формирует высочайшее лесотипологическое разнообразие в районах морских побережий и сопредельных территорий.

В рамках климатической сетки Д.В. Воробьева украинскими лесотипологами выделяются три климатопа борового ряда – 2а, 3а и 4а, а климатоп 5а указывается как полученный экстраполяцией [11]. На основе актуальных данных для севера Европейской России выделаются климатопы (области) борового ряда – холодных мокрых (5а0, 5aI, 5aII) и холодных сырых (4аII, 4аIII) боров. Фактически подтверждается существование в равнинной Европейской России за Полярным кругом лесных климатов боров мокрых и сырых и отсутствие влажных и свежих.

Необходимо отметить, что часть лесотипологических областей в районе «языков», которые образуют границы зон гигротопов и термотопов, возможно, являются временными образованиями, связанными с изменениями климата России. В будущем они могут исчезнуть в первую очередь в связи с динамикой режима осадков. Эти области также могут, как существовать в действительности в связи с имеющимися специфическими лесоклиматическими условиями в виде своеобразных климатических географических экотонов, так и выделяться формально как результат неопределенности границ при интерполяции, классификации и последующего наложения зон и динамики погодных условий последних лет [12].

Выводы

Таким образом, для севера Европейской России на начало XXI века определяются четыре лесных термотопа, имеющих четкую широтную зональность по направлению с севера на юг. Холодные боровые термотопы (а) в настоящий момент значительно смещены на север за Полярный круг и характеризуются дизъюнкцией на три участка – наиболее крупный расположен на севере Ненецкого АО. Термотопы относительно холодные суборей (b) также представлены двумя зонами (рассеченными Белым морем). Наибольшую площадь на севере Европейской России занимают термотопы прохладные сугрудковые (с). При этом их южная граница с зоной лесных термотопов умеренных груд (d) является неровной с многочисленными «языками» на всем ее протяжении, что указывает на имеющую место динамическую ее подвижность в связи с климатическими изменениями. Также в связи с климатическими изменениями либо отсутствием открытых данных для самых высоких пунктов Уральских гор не прослеживается их влияние на характер пространственного простирания зон очень холодных и холодных лесных термотопов.

Для севера Европейской России на начало XXI века определяются четыре лесных контрастотопа, имеющих зональность, близкую к меридиональной. Наибольшее пространство занимает зона относительно континентального лесного климата (II). Для побережий Белого и Баренцева морей (Мурманская область, Республика Карелия, Архангельская область, запад Ненецкого АО) выделяется полуанклав зоны мягкого климата (I), зонально характерный для западных областей севера Европейской России. В районе Мурманского берега и Канина Носа определена ранее не выделяемая зона контрастотопов, предварительно названная как 0 – мягкого (либо приморского) климата, которая требует дополнительной оценки лесорастительного эффекта. Характер простирания расположенных на востоке севера Европейской России зон континентального (III) и резко континентального (IV) климата определяется влиянием Уральских гор.

Для севера Европейской России определены пять зон климатов лесных гигротопов (мокрых, сырых, влажных, свежих и сухих), имеющих широтный характер зональности. Зона климатов гигротопов мокрых (5) характеризуется дизъюнкцией с образованием двух крупных участков на Кольском полуострове и на севере Ненецкого автономного округа и трех полуанклавов на побережье Белого (север Республики Карелия, Архангельская область) и Баренцева (полуостров Канин) морей. Также выделяется меридиональный анклав горных вариантов мокрых климатов гигротопов Уральских гор. Наибольшее пространство занимает зона климатов гигротопов сырых, простирание которой в западной части отличается от широтного, с формированием меридионального участка под влиянием систем Ладожского и Онежского озер и Рыбинского водохранилища и воздушных масс, идущих от Балтийского моря. В связи с процессами аридизации по границам зон климатов гигротопов формируются мощные «языки», что также указывает на динамическую подвижность зон.

На основании трехмерной факторной модели предложено современное лесотипологическое районирование севера Европейской России. Наибольшие площади занимают области сырых сугрудков относительно континентальных (центр), сырых груд мягкого климата (запад) и свежих груд относительно континентальных (юг). Между этими зонами наблюдается мозаика климатических лесорастительных условий и высочайшее лесотипологическое разнообразие, связанное с разными углами простирания зон климатов термотопов и гигротопов и формированием пограничных «языков» этих зон. Также высокое типологическое разнообразие характерно для прилежащих к Уральским горам регионов и в районах побережий Баренцева и Белого моря и сопредельных территорий.

Некоторые выделенные лесотипологические области могут существовать в действительности в виде климатических географических экотонов, так и выделяться формально, часть областей в районе «языков» границ зон гигротопов и термотопов, возможно, являются временными образованиями, связанными с изменениями климата России. В будущем они могут исчезнуть в связи с динамикой режимов осадков и температур.

About the authors

Nazar N. Nazarenko

South Ural State Humanitarian Pedagogical University; South-Urals State Medical University; Chelyabinsk State University

Author for correspondence.
Email: nnazarenko@hotmail.com

doctor of biological sciences, professor of Chemistry, Ecology and Chemistry Methodology Department

Russian Federation, Chelyabinsk; Chelyabinsk; Chelyabinsk

References

Supplementary files