КЛИМАТИЧЕСКИЙ РЕСУРС И КОМФОРТНОСТЬ ТЕРРИТОРИИ ЮЖНОГО ФЕДЕ-РАЛЬНОГО ОКРУГА РОССИИАвтореферат докторской диссертации по географии
УДК 504.75;551.586 На правах рукописи Андреев Сергей Сергеевич КЛИМАТИЧЕСКИЙ РЕСУРС И КОМФОРТНОСТЬ ТЕРРИТОРИИ ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО ОКРУГА РОССИИ Специальность 25.00.36 - геоэкология Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук г. Санкт - Петербург - 2010 г. 2 Работа выполнена на кафедрах метеорологии филиала Российского Государственнного Гидрометеорологического Университета (РФ РГГМУ) в г. Ростове-на-Дону и физической географии, экологии и охраны природы ЮФУ Научные консультанты: доктор физико - математических наук, профессор Карлин Лев Николаевич доктор географических наук, профессор Федоров Юрий Александрович Официальные оппоненты: Доктор географических наук, профессораа Дмитриев Василий Васильевич, Доктор географических наук, ведущий научный сотрудник отдела прикладной климатологии ГГОа Пигольцина Галина Борисовна, Доктор географических наук, профессораа Куролап Семен Александрович. Ведущая организация: Всероссийский НИИ сельскохозяйственной метеорологии - государственное научное учреждение (ГУ ВНИИСХМ) г. Обнинск Защита состоится л09 декабря 2010 г. в 15 часов 30 минут на заседаннии диссертационного совета Д.212.197.03 Российского государственного гидрометеорологического университета, при котором создан совет по адресу: 195196, г. Санкт - Петербург, пр. Металлистов, д. 3. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского госундарственного гидрометеорологического университета Автореферат разослан ___ _______ а2010г. Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., проф.а П.П. Бескид 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Важнейшим элементом природной составляющей являются климатические ренсурсы, входящие в состав природных ресурсов, представляющие собой интегральнную совокупность параметров атмосферы и пространства - вещества, энергии и информации, прямое или непрямое потребление которых поддерживает существонвание и улучшает качество жизни, способствует созданию материальных благ. Климат - это ресурсный потенциал практически для всех отраслей экономики и социальной сферы. Исследование его, в настоящее время, ведется в трех основнных направлениях: агроклиматическом, энергоклиматическом (гелио - и ветроре-сурсы) и биоклиматическом. Биоклиматические ресурсы, как составляющую при-родно-ресурсного потенциала можно оценить с позиции особого интегрального понказателя комфортности климатических условий, необходимых для жизни и воспронизводства, населяющих данную территорию организмов, в том числе и человека. Стратегия устойчивого развития человечества как основа экологической идеонлогии XXI века предполагает комплексный подход к решению глобальных эколонгических проблем с использованием системы многомерной оценки: геоэкологиченской, биологической, биоклиматической, социально-экономической и нравственнной. Комфортность климатических условий конкретной территории подлежит обянзательному учету, так как является одним из важнейших средообразующих фактонров, создающих природно-ресурсный потенциал, обеспечивающий жизнедеятельнность населения. В этом плане компьютерная визуализация схем пространственно-временного распределения биоклиматических индексов на территории исследования позволит наиболее информативно и наглядно отобразить, полученные в результате анализа и синтеза, данные расчетов и послужит основой для дальнейших геоэкологических и географических исследований. Целый ряд известных методик, посвященных, эколого-географической оценке конкретной территории, содержат, в основном, результаты анализа антропогенного воздействия на окружающую среду, считая ее статичной, а исследования особеннонстей природных условий, как её приоритетных составляющих и их динамику, в них нередко опускаются. Однако недоучет вклада природной, естественной составляюнщей в общую геоэкологическую оценку территории влечет за собой погрешности и ошибки зачастую весьма значительные. В настоящее время практически все геоэкологические исследования направленны на изучение глобальных и региональных проявлений существовавших ранее и обострившихся в наши дни экологических проблем. Большинство работ посвящено исследованию антропогенного воздействия на природную среду без учета динаминки её естественных процессов. В этой связи можно говорить о том, что исследования глобальных изменений географической оболочки на основании подробного изучения антропогенного возндействия без анализа природных процессов в конкретных региональных условиях, 4 особенно при долгосрочном прогнозировании таких изменений, оказываются однонсторонними, следовательно, и их выводы трудно назвать объективными. Сказанное указывает на существование противоречий в современных концепнциях геоэкологических исследований между содержанием данных предметной обнласти в целом и данными, получаемыми на основе объективной информации. Это противоречие характеризуется: а)а пространственно-временным распределением основных климатообразую- щих факторов и отдельных метеорологических величин, формирующих климатичен скую комфортность исследуемой территории и упрощенной, атрибутивной формой их отображения; б) наличием разнообразных (прямых и обратных) связей и отношений между факторами, определяющими климатическую комфортность территории и их покомн понентным отображением; в) статичным представлением базовой природной составляющей и динамичнон стью реальной географической действительности. В этой связи геоэкологическая интегральная оценка климатической комфортнности территорий бесспорно актуальна т.к. позволяет рассматривать вопрос лэкснтремальности либо комфортности среды обитания для жизнедеятельности насенления с учетом детерминирующей роли природной среды. Таким образом актуальность геоэкологической интегральной оценки климантической комфортности среды обитания человека на основе анализа биоклиматиченской составляющей природных ресурсов территории Южного Федерального Округа (ЮФО) определяется:: а)а недостаточностью данных о биоклиматических условиях территории рен гиона; б) необходимостью определения территориального распределения параметров детерминирующих факторов природной среды на территории ЮФО; в)а нехваткой информации для выполнения ряда прикладных работ по расчету экономической эффективности развития рекреационной деятельности в ЮФО и при эколого-экономическом регулировании развития территории; б) необходимостью оценки экономической целесообразности затрат на создан ние и развитие производств в отдельных районах ЮФО с целью их минимизации; в)а необходимостью разработки новых программных подходов для систем прин нятия решений с целью освоения необжитых районов ЮФО; г)а необходимостью планирования работ по эффективному обеспечению макн симально безопасных условий труда и отдыха населения (на открытом воздухе) в пределах исследуемого региона. Степень изученности и разработанности проблемы. При выборе методов исследования биоклиматических ресурсов ЮФО проанализированы оценочные ментодики, использовавшиеся для других территорий России: Башалханова Л.Б., Соронкина Л.П. (Дискомфортность климата Иркутской области, 1991), Григорьева Е.А. (Оценка дискомфортности климата Еврейской автономной области, 2003), Русанов В.И. (Биоклимат Западно-Сибирской равнины, 2004), Архипова И.В., Ловцкая О.В. 5 (Медико-географическая оценка климатической комфортности на территории Алнтайского края, 2005) и др. На сегодняшний день число работ, посвященных крупнномасштабным исследованиям биоклиматических условий мало', поэтому оценка динамики пространственно-временного распределения климатической комфортнонсти территории ЮФО, на основании анализа рассчитанных в работе индексов, доснтаточно своевременна и информативна. Научная концепция исследования основывается на трудах в области физиченской географии, экологии, климатологии, биометеорологии, биоклиматологии, эконлогической климатологии, медицинской географии Мезерницкого П.Г., Ремизова Н.А., Чубукова Л.А., Воейкова А.И., Берга Л.С., Хромова С.П., Алисова Б.П., Буды-ко М.И., Израэля Ю.А., Кондратьева К.Я., Романовой Е.Н., Айзенштата Б.А., Асс-мана Д., Бютнера К., Бокши В.Г., Головиной Е.Г., Русанова В.И., Воронина Н.М., Галахова Н.Н., Даниловой Н.А., Поволоцкой Н.П., Кобышевой Н.В., Русина И.Н., Хайрулина К.Ш., Карпенко В.Н., Исаева А.А., Авцына А.П., Келлера А.А., Башал-хановой Л.Б., Куролап С.А., Линевич И.Л., Сорокиной Л.П., Малхазовой С.М., В.В. Дмитриева, Г.Т. Фрумина, В.А. Шелутко и др. На основании существа выявленной проблемы, содержания направлений сонвременных исследований в области оценки климатической комфортности опреденлены объект и предмет исследования, цель и задачи работы. Объект исследования - территория ЮФО, климатический ресурс и пространнственно-временное распределение основных климатообразующих факторов и отндельных метеорологических величин, формирующих ее климатическую комфортнность. Предмет исследования - климатический ресурс и экологическая комфортнность территории. Цель работы - разработка методологии и методических подходов к геоэколонгической интегральной оценке климатической комфортности территории на основе параметризации и анализа биоклиматической составляющей ее природно-ресурсного потенциала с использованием интегральных биоклиматических показантелей (индексов). Основная идея работы заключается в том, что для объективной геоэкологинческой интегральной оценки конкретной территории по аспекту комфортность ненобходим подробный анализ природной составляющей - климатического ресурса, включающий особенности пространственно-временного распределения климатиченской комфортности с учетом геоцентризма, антропоцентризма и хорологии. В соответствии с поставленной целью, сформулированы основные задачи:
6
На защиту выносятся следующие научные положения и результаты исследований: 1.аа Концепция геоэкологического исследования закономерностей пространстн венно-временного распределения климатической комфортности.
4.аа Результаты анализа особенностей физико-географических условий, опреденляющих климатическую комфортность территории Южного Федерального Округа. 5.а Результаты апробации применения метода нейропрограммирования для рен шения задачи медико-биоклиматического прогноза заболеваемости населения. 6.а Карты-схемы пространственно-временного распределения биоклиматичен ских индексов на исследуемой территории, с указанием зон комфорта, субкомн форта и дискомфорта.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
Хаа Впервые применен метод нейропрограммирования для решения задачи ме- 7 дико-биоклиматического прогноза заболеваемости населения. Х Впервые осуществлено районирование территории Южного Феден рального округа (ЮФО) по биоклиматической составляющей природно- ресурсного потенциала. Х Представлена компьютерная визуализация схем пространственно- временного распределения биоклиматических индексов на территории ЮФО. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается корректностью аналитических и численных методов исследонваний, наличием полученных результатов и показателей, допускающих сравнение и сопоставление с другими независимыми методами оценки окружающей среды, понложительными оценками проверки результатов исследования заинтересованными организациями. Информационной базой работы послужили ряды многолетних метеорологических наблюдений Северо-Кавказского УГМС, статистические сборники (Ростовстат. 2000 - 2006гг.), статинстические данные ФГУЗ, - центра гигиены и эпидемиологии Ростовской области (2000 - 2006гг.), статистические данные ВНИИСХМ и ВНИИГМИ МЦД г. Обниннска, справочники по климату СССР, сведения, опубликованные в периодических научных журналах и научной литературе. Справочные, каталожные и фондовые данные обобщены автором в виде базы данных, в которую были включены также опубликованные материалы монографий Биоклиматические условия Ростовской области и Оценка пространственно-временного распределения климатической комфортности территории Южного Федерального округа (ЮФО). Методика исследования основана на многокритериальном параметрическом представлении результатов оценки состояния и климатической комфортности территории, медико-биоклиматического прогноза заболеваемости населения. Общая методологическая основа системный подход, включающий научное обобщение опыта работ в области эколого-географических исследований состояния и качества окружающей среды, позволяющий осуществлять последующую проверку результатов, анализ обширнонго массива данных с использованием методов математического моделирования, мантематической статистики и геоинформационных технологий. Практическая значимость работы заключается в том, что теоретические понложения и результаты исследования и работы использованы:
8 сфере, Медицинская география и др; Ха в учебной и научной работе для преподавателей, при подготовке аспирантов, специализирующихся в области геоэкологии, географии, экологии и других естестн веннонаучных отраслей знаний. ичный вклад автора:
Апробация результатов исследования: Научно-практическая конференция Ростовская Государственная Экономиченская Академия Ростов-на-Дону 1999г.,II-я Международная конференция Вулканнизм и экология, Туапсе 2000., XVIII-я Международной конференции, Новороснсийск. 2000., Научно-практическая конференция Ростовская Государственная Эконномическая Академия Ростов-на-Дону 2000г., Всероссийская Интернет-конференция Современные проблемы экологии и безопасности. Тульский Гос. Университет, Тула 2004,2006, VII строительный форум Южная столица Ростов-на-Дону 2004., Научно-практическая конференция посвященная 200-летию Казаннского Гос. Университета Казань 2004, Научно-практическая конференция по рационнальному использованию береговой зоны Краснодарского причерноморья. Туапсе 2004, II-я экологическая конференция Экологические проблемы. Взгляд в будунщее РГУ. Ростов-на-Дону 2005., III-я экологическая конференция Экологические проблемы. Взгляд в будущее РГУ. Ростов-на-Дону 2006., Международная научная конференция Экологические и гидрометеорологические проблемы больших горо- 9 дов и промышленных зон Санкт-Петербург 2006., IV-я научно-практическая коннференция (с международным участием) ЮФУ Экологические проблемы. Взгляд в будущее Ростов-на-Дону 2007, Международная научно-техническая конференция НАВКОЛИШНЭ ПРИРОДНЕ СЕРЕДОВИЩЕ - 2007 Одесса, 2007, V-я экологинческой конференции (с международным участием) Экологические проблемы. Взгляд в будущее ЮФУ Ростов-на-Дону 2008, Международная конференция по авиационной и спутниковой метеорологии Санкт-Петербург, 2008г.; Всероссийская научная конференция с международным участием Окружающая среда и устойчинвое развитие регионов: новые методы и технологии исследований, г. Казань, 19 - 22 мая 2009 г.; Научно - практическая конференция Актуальные проблемы эволюнции географического пространства в рамках VI Большого Географического Фестинваля, г. Санкт - Петербург, 3 - 5 апреля 2009 г.; 5-я Международная конференция Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышнленных зон, ЭКОГИДРОМЕТ - 2009, г. Санкт - Петербург, 7 - 9 июля 2009 г.; VI - Всероссийская научная конференция с международным участием ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВУЗОВСКОЙ НАУКИ 21-24 сентября 2009, г.Сочи. Результаты исследований вошли в отчеты: а) по грантам Президента РФ Вендущие научные школы России НШ 1967.2003.5,4717.206.5; б) Проекта РФФИ 06-05-22001; НЦНИ Франции PICS 3451, внутренним грантам ЮФУ темы: 05/6-146. Исследования проводились при финансовой поддержке НШ-4983.2008.5 По теме диссертации опубликовано более 65 печатных работ (в том числе 11 в ведущих рецензируемых ВАК научных изданиях), выпущены 4 монографии (Бионклиматические условия Ростовской области, Человек и окружающая среда, Оценка пространственно-временного распределения климатической комфортности Южного Федерального Округа, География и генезис опасных погодных явлений юга России); Структура работы: Диссертационная работа содержит 5 глав, введение, занключение и список литературы, объем которых составляет 356 страниц. Текст рабонты сопровождается 82 рисунками и 61 таблицей. Список литературы содержит 254 наименования. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы зандачи, объект, предмет и цель исследования, новизна исследования, представлена краткая характеристика содержания диссертационной работы и основные научные положения и результаты, выносимые на защиту. В первой главе автором представлена окружающая природная среда как самонрегулирующаяся эколого-климатическая система. Анализ роли природных фактонров играющих детерминирующую роль в функционировании территориальной эко-лого-климатической системы конкретного региона позволил разработать концепнциюа геоэкологическогоа исследованияа закономерностейа пространственно- 10 временного распределения климатической комфортности. Сформулированы основнные понятия и подходы к исследованию природно-климатических факторов при проведении геоэкологической оценки региона. Определено понятие геоэкологиченской оценки климатической комфортности, как многокритериальной оценки сонстояния природной территориальной экосистемы с позиций устойчивого функционнирования биоценозов, сохранения в них естественного хода сукцессионных пронцессов. Основными принципами анализа природной составляющей геоэкологиченской обстановки определены: геоцентризм; антропоцентризм; хорологическая нанправленность. Природные и антропогенные геосистемы должны рассматриваться как при-родно-антропогенные, в которых механизмы саморегуляции сочетаются с элеменнтами человеческого влияния. Известно, что окружающая человека среда испытыванет на себе нагрузку не только эндогенных и экзогенных процессов, изменяющих направленность и интенсивность естественных природных процессов и явлений, но одновременно и антропогенных. Эта дополнительная нагрузка приводит к её трансформации, к нарушению сложившегося динамического равновесия всей эко-лого-климатической системы Земли, влияя и на другие экосистемы планеты. Изунчение характера развития природной среды и геоэкологическая оценка конкретной территории, требуют знания законов развития географической сферы Земли, как планеты и ее геопространства, связанного с солнечной активностью, влиянием солннечных и магнитных бурь на Землю, а также основных законов географической зоннальности, связанных с солнечной радиацией, влагой, температурами, испарением, горными породами, тектоникой. Проведен ретроспективный анализ и обобщение научных исследований совренменного состояния проблемы, критически отобраны термины и понятия, связанные с геоэкологической оценкой природной составляющей окружающей среды, а вынбранный антропоцентрический подход, обусловлен целью исследования. Разрабонтанная автором оригинальная концепция, предусматривает выделение детермининрующей роли природной составляющей исследуемого региона, обеспечивая терринториальную полноту и целостность исследования и, как следствие, повышение обънективности территориального анализа распределения параметров и характеристик природных систем. Причем под комфортностью климата территории понимается интегральная характеристика степени благоприятности ее климатических и бионклиматических условий, состоящая из ряда наиболее информативных биоклиматинческих показателей и выраженная посредством введенного интегрального показатенля биоклиматической комфортности (ИПбк). Комфортность климатических условий (лкомфорт) это оптимальное психофизиологическое состояние человека, обеспенчивающее его нормальную жизнедеятельность в местах постоянного или кратконсрочного проживания. Понятие субкомфортности климатических условий (лсубнкомфорт) соответствует слабораздражающим условиям природной среды, в котонрых механизмы адаптации человеческого организма обеспечивают близкое к оптинмальному психофизиологическое состояние человека, создавая ему условия для нормальной жизнедеятельности. Дискомфортность (лдискомфорт) климатических условий наблюдается при сильно раздражающих условиях окружающей природной среды, когда физиологические механизмы адаптации человеческого организма не 11 обеспечивают его оптимального психофизиологического состояния и требуются дополнительные меры защиты, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность. Авторская концепция геоэкологического исследования климатической комнфортности позволяет исключить существующие противоречия в современных коннцепциях, где динамичная базовая природная составляющая среды обитания преднставляется, как правило, статичной, а факторы, определяющие климатическую комнфортность, отображаются покомпонентно, без учета наличия разнообразных (прянмых и обратных) связей между ними. Предложенная концепция позволяет, в конечнном итоге, рассматривать вопрос лэкстремальности либо комфортности среды обитания для жизнедеятельности населения с учетом детерминирующей роли принродной среды (представлена на Рис.1), основываясь на принципах геоцентризма, антропоцентризма и хорологической направленности. Применение данной концепции позволит получить не только максимально объективные результаты, характеризующие благоприятность или экстремальность исследуемого региона для жизнедеятельности человека, но и даст возможность бонлее качественного нормирования антропогенной нагрузки. Концепция раскрывает идею и описывает все составляющие стратегии исследования, отражая следующие аспекты: Цель исследования; Анализ современного состояния; Существующие проблемы; Основные и производные понятия; Принципы решения; Решаемые задачи; Структура критериев и показателей; Структура методики исследования. Для каждого человека, существуют оптимальные условия, ограничивающиеся стрессовыми зонами и пределами выживания, заданными каждым единичным факнтором окружающей среды (хотя редко встречаются случаи влияния на окружаюнщую среду лишь одного фактора). В подавляющем большинстве случаев окружаюнщая среда подвергается одновременному воздействию сразу многочисленных факнторов и их воздействие невозможно оценивать простым суммированием. При этом следует помнить и о законе лимитирующих факторов (закон минимума Либиха и правило Шелфорда), утверждающих, что даже если единственный фактор выходит за пределы своего оптимального значения то это приводит к стрессу организма, а значительное его превышение может привести к гибели. Антропогенное влияние происходит на фоне естественных природных условий. Более того, как хорошо изнвестно, различные загрязняющие среду компоненты могут, в разной степени, обезнвреживаться ей в процессе самоочищения а, взаимодействуя между собой и с естенственными факторами способны создавать новые, вторичные, зачастую еще более вредные воздействия, усиливая их негативное воздействие, в том числе и на живые объекты (синэргетный эффект). Воздействие естественных, природных факторов окружающей среды на здоронвье и жизнедеятельности людей очевидно. Каждая метеорологическая величина (солнечная радиация, температура воздуха, облачность, осадки, влажность воздуха, 12 атмосферное давление) оказывает свое биологическое влияние на живые организнмы. Из всего многообразия природных факторов, воздействующих на человека,
можно выделить, по крайней мере, три основные группы: атмосферные или метеорологические; космические или радиационные; теллурические или земные. К атмосферным или метеорологическим факторам относятся температура и влажнность воздуха, движение воздушных масс, атмосферное давление, состояние элекнтрического и магнитного полей Земли. Значение первой группы факторов наиболее существенно, но не следует забывать, что при учете их совместного влияния пронстое суммирование не даст правильного результата. Во второй главе, на основе предложенной концепции, была разработана метондика оценки климатической комфортности территории включающая ряд этапов: а) анализ физико-географических условий территории и создание базы климан тических данных, б) отбор по линформативности биоклиматических индексов, использующимн ся для расчетов, в) создание базы биоклиматических данных, г) разработка интегрального показателя климатической комфортности, д) медико-биометеорологический прогноз заболеваемости населения, е) районирование территории по значениям максимально информативных пон казателей (I, Км). Методика отличается оригинальным, авторским отбором традиционных поканзателей, разработкой интегрального показателя ИПбк, обобщением и комплексным характером использования этих параметров, что позволяет обеспечивать всестонронность учета факторов природной среды и повысить объективность оценки их влияния. В настоящее время известны и применяются для расчетов около 30 биометеонрологических показателей - индексов. Значения коэффициента информативности Кинф распределяются в диапазоне от 2 до 5 баллов и ранжированы автором в соотнветствие с уже используемыми градациями (Головина Е.Г., Трубина М.А. 1997, Григорьева Е.А. 2004, Русанов В.И. 2004, Архипова И.В. 2006), причем 5 - соответнствует наиболее информативным показателям, а 2 , соответственно, - наименее. 13 Цель концепции Геоэкологическое исследование пространственно-временного распределения климатической комфортности
Общий принцип - системный поднход Частные принципы:
V Решаемые задачи:
данных 4. Апробация метода нейропрограммирования, раз- работанной методики 5. Районирование территории V________________ Анализ современного состояния Существующая система эколого- географических исследований Методологияаа геоэкологическихаа исслендований Узловые проблемы современных эколого-географических исследований Х Методика исследований корректна для =zj>| регионов, где фоновая среда мало отличан ется от до индустриальной
V Методика исследования. Этапы реализации
Рис. 1 Структурная схема концепции исследования Индексы, отобранные для расчетов: 1. БАТ - биологически активная температура (Кинф -3) БАТ = 100 lg [1 + 0,02Т + 0,001 (Т - 8)(f - 60) - 0,045(33 - Т) Jv + 0,185 fi]'+9. комфорт - 10 - 20 оБАТ,аа 21 - 23.9 - 6 оБАТ- субкомфорт, более 23а и менее 6оБАТ - дискомфорт;
2.аа ЕТ - эквивалентно-эффективная температура (Кинф -3)
ЕТ = 37 -
0,68-0,0014/ + где:аа t - температура воздуха, 0С; V - скорость ветра, м/с; 14 f - относительная влажность, %. комфорт - 12 -24 ЕТ, субкомфорт - 24.1 -30ЕТ, 6 -12 ЕТ, дискомфорт - 30.1 и выше; 5.9 и ниже ЕТ. 3.аа РЭЭТ -радиационная эквивалентно-эффективная температура (Кинф-5) РЭЭТ = 125 lg [1 + 0,02Т + 0,001 (Т - 8)(f - 60) - 0,045(33 -T)Jv + 0,185/3]. где:аа Т - температура воздуха С; f - относительная влажность воздуха %; V - скорость ветра м/с; (3 - поглощенная поверхностью тела солнечная радиация кВт/м2 (Р = ? (1 - а), где: е - интенсивность солнечной радиации; б - альбедо кожи человека) комфорт - 21 -27 РЭЭТ, субкомфорт 27.1 - 32 РЭЭТ, 17 - 20.9 РЭЭТ, диснкомфорт - 32.1 и выше и 16.9 и ниже РЭЭТ. 4.аа Qs - сальдо теплового баланса человека (Кинф -4) Да (Sctgh 1 ДЛ /,аа \аа ,^^^ Qs =\------------ D \-(\-а)+м(0.04ЭЭ1 -0.98) vаа п2аа ) где:аа Qs - сальдо теплового баланса человека, кВт/м2; S - прямая солнечная радиация, кВт/м2; D - рассеянная, кВт/м2; h - высота солнца, ; а - альбедо непигментированной кожи а = 0,28; л = 3,14; М - теплопродукция организма человека, кВт/м2. комфорт от -0.06 до -0.3 кВт/м ; субкомфорт от -0.05 до 0.1 и от -0.31 до -0.65 9 9аа 9 кВт/м ; дискомфорт более 0.1 кВт/м и -0.66 и менее кВт/м ); 5.аа I - индекс патогенности метеорологической ситуации; (Кинф -5) [ й-70 | / = 1Сг 20 ' +0,2v2 +0,06и2 +0,0б(А/>)2 +0,3(Aн)2 +It; где:аа It - индекс патогенности температуры; t - среднесуточная температура,С; IAt - индекс патогенности межсуточного изменения температуры At; Ih - индекс патогенности влажности воздуха; h- среднесуточная относительная влажность, %; нv -индекс патогенности ветра; v -среднесуточная скорость ветра, м/с; In - индекс патогенности облачности, п = 10 - Ю-Зф/Бш; Sm - максимально возможная продолжительность солнечного сияния, часы; Бф - фактическая продолжительность солнечного сияния, часы; 1Ар - индекс патогенности межсуточного изменения атмосферного давления Ар.It = 0,02(18 -1)2 при t < 18С; It = 0,02 (t - 18)2 при t > 18С комфорт от 0 до 9.9 баллов, субкомфорт от 10 до 16 баллов, дискомфорт 16.1 и более баллов 6.аа Км - климатический потенциал самоочищения атмосферы (Кинф -5) \Рт + рА Км = 7аа Ч f (P0+Pv) 15 где:аа РШ - число дней со штилем, скорость ветра V = 0 - 1 м/с; Рf - число дней с влажностью ? 80 %; РО - число дней с осадками ? 0,5 мм; РV - число дней со скоростью ветра ? 6 м/с. Км <0.8 комфорт; Км от 0.81 до 1,0 субкомфорт;Км >1.1 дискомфорт. В третьей главе, на основе анализа физико-географических условий и созданнной базы климатических данных, дана оценка биоклиматической составляющей природно-ресурсного потенциала ЮФО, реализованная путем расчетов и получения интегральных пространственно-временных закономерностей распределения климантической комфортности территории с целью использования их в интересах экононмики, здравоохранения, освоения и развития ЮФО. Она отличается непрерывнонстью процесса анализа, расширенным составом используемых показателей, их орингинальным комплексированием, что обеспечивает построение континуальных пронстранственно-временных императивов по использованию потенциала исследуемой территории. Описываемая геоэкологическая оценка проводилась в несколько этапов. На первом была создана база климатических данных для 218 метеорологических станнций, необходимых для производства расчетов отобранных показателей. В результанте выполненных расчетов была получена вторая база биоклиматических данных, на основании которой получено их временное и пространственное распределение (табл. 1,2). Табица 1 - Временное распределение показателей
Установлено, что в январе и феврале на всей территории ЮФО наблюдается хонлодный дискомфорт; в марте на юге ЮФО и побережье Черного моря наступают комнфортные условия, на большей части территории округа - холодовый дискомфорт; в апреле, мае практически на всей территории округа наблюдаются комфортные услонвия; в июне на всей территории округа, за исключением предгорий Кавказа, где все еще комфортно, наблюдается тепловой дискомфорт; в июле, августе и сентябре, - тенпловой дискомфорт; в октябре комфортные условия на всей территории; в ноябре комфортные условия на юге и, частично в центре, на севере ЮФО - холодовый дискомфорт; в декабре комфортные условия вдоль Черноморского побережья, на всей остальной территории - дискомфорт. На третьем этапе полученная база биоклимати- 16 ческих данных позволила построить карты-схемы ежемесячного, сезонного и годового распределения зон климатической комфортности на территории ЮФО (с рис. 2 по рис. 9). Таблица 2 - Пространственное распределение индексов
17
Рисунок 2 Цхолодный сезон по значениям БАТ Рисунок 3 - теплый сезон по значениям БАТ ЬА1 = 100 lg [1 + 0,021 + 0,001(1 Ч o)(j Ч 60) Ч 0,045(33 Ч IjyJV + 0,185 pj+9 холодовый дискомфорт- менее 6оБАТ - субкомфорт - 21 - 23; 9 - 6 оБАТ комфорт- 10 - 20 оБАТ - тепловой дискомфорт- более 23 оБАТ 18
Рисунок 4 холодный сезон по значениям QS Рисунок 5 Цаа теплый сезон по значениям QS Даа i Sctgh1 Даа | /,аа \а *а ,m Qs =\-------------- D \-(1-а)+м(0,04ЭЭ1 -0,98) ж 2 холодовый дискомфорт- менее -0.66 кВт/м2 - субкомфорт - от -0.05 до 0.1 и от -0.31 до -0.65 кВт/м2 комфорт- от -0.06 до -0.3 кВт/м2 - тепловой дискомфорт- -0.05 до 0.1 кВт/м2 19
Рисунок 6 - холодный сезон по значениям РЭЭТ Рисунок 7 - теплый сезон по значениям РЭЭТ РЭЭТ = 125 lg fi + 0,02T + 0,001(T Ч 8)(fЧ 60) Ч 0,045(33 Ч Т)^+ 0,185 fi] холодовый дискомфорт- менее 16.9 оРЭЭТ. - субкомфорт - 27.1 - 32 оРЭЭТ, 17 - 20.9 оРЭЭТ комфорт- 21 -27 оРЭЭТ - тепловой дискомфорт- более 32.1 оРЭЭТ. 20
\ь^~Ч-/" Рисунок 8 - холодный сезон по значениям ЕТ Рисунок 9 - теплый сезон по значениям ЕТ ЕТ = 37-
37-t 0,68-0,0014f + 1,76 + 1,4V 0,75 0,2% 1 f 100 С холодовый дискомфорт- менее 5.9 оЕТ. - субкомфортЦ, 24.1 -30оЕТ, 6 -12 оЕТ комфорт- 12 -24 оЕТ - тепловой дискомфорт- более 30.1оЕТ. 21 В четвертой главе исследовано влияние биоклиматической составляющей природной среды на жизнедеятельность и здоровье населения. Новизна исследованния состоит в том, что для оценки указанной зависимости использован метод ней-росетевого моделирования при прогнозировании состояния здоровья населения, что обеспечивает снижение размерности пространства исходных характеристик и понвышение оперативности получения искомых оценок. Выбор сетей Кохонена для анализа влияния параметров биоклимата на здоронвье население обусловлен следующими соображениями: а) возможностью одновренменного анализа множества входящих данных; б) учетом изменений биоклиматиченских параметров во времени и в пространстве при адекватном изменении результанта; в) рассмотрением и решением нелинейных задач взаимодействия параметров биоклимата и состояния здоровья населения; г) возможностью выдачи на выходе прогнозных значений вероятностей искомых характеристик; д)возможностью воснполнения пространственной составляющий необходимых метеоданных в связи с сокращением числа действующих метеостанций и постов за счет применения ки-берпространства нейросети Кохонена. На первом этапе работ были проведены выборка и анализ основных средне-многолетних климатических параметров (и отдельно за период с 2003 по 2006 гг.) исследуемого региона с последующим расчетом биоклиматических коэффициентов: индекса патогенности I и коэффициента самоочищения атмосферы Км. Затем были выбраны социальные показатели такие, как смертность и заболеваемость отдельнными группами болезней (ОРЗ, грипп, менингококк, геморрагическая лихорадка и др.). Далее был проведен корреляционный анализ, показавший незначительную связь между показателями общей смертности и по отдельным группам заболеваний и параметрами биоклимата (коэффициент корреляции составил r~ - 0.1). Наиболее тесная связь обнаружена между заболеваниями ОРЗ и параметрами биоклимата. Так, например, между температурой воздуха и числом заболевших ОРЗ коэффицинент корреляции r составил - 0.9, что логически весьма оправданно. Также на уровне значимости корреляция с влажностью воздуха и скоростью ветра r ~0.5. Ниже уровня значимости была установлена связь только с атмосферным давлением r ~ -0.3, что, вероятно, свидетельствует о наличии косвенной связи между данным панраметром и заболеваемостью ОРЗ. По итогам первого этапа была создана первичная база данных, содержащая средние многолетние биоклиматические и климатические параметры, а также раснсчитанные за период времени с 2003 по 2006 гг. Во второй базе данных содержанлась информация о показателях заболеваемости населения ОРЗ за указанный перинод времени. Результаты работы программы, были представлены в третьей базе данных, содержащей вероятности от 0 до 1. Полученные вероятности показали возможность возникновения инфекционных болезней, в частности, ОРЗ при сочетании опреденленных климатических и обусловливаемых ими биоклиматических параметров. Подтвержден факт наличия связи между температурой воздуха и количеством ОРЗ, а высокие значения индекса патогенности (I - 23.5; 21; 20.7) и коэффициента самоночищения атмосферы (Км - 1.08; 1.1; 1.4) свидетельствуют о дискомфортных услонвиях провоцирующих значительное число заболеваний ОРЗ. Таким образом, можно сделать вывод о принципиальной применимости метода нейропрограммирования 22 для решения задачи медико-биоклиматического прогноза по биоклиматическим панраметрам, а результаты возможно использовать для профилактики и предупрежденния заболеваемости населения. Применяемая модель нейросети Кохонена относится к классу дискриптивных моделей, по этой причине возможна ее верификация с помощью сравнения с реальнными или фактическими значениями заболеваемости населения по ОРЗ. Анализ данных показывает достаточно высокую степень сходимости теоретических значенний вероятности высокого уровня заболеваемости (выше предела 1487,2 чел. на 10000 жителей) и фактических, реально наблюдавшихся в 2006 году. На основании анализа и отбора показателей автором установлено, что к числу наиболее информативных биоклиматических индексов (при антропоцентрическом подходе) следует отнести следующие: БАТ - биологически активная температура; ЕТ - эквивалентно-эффективная температура; РЭЭТ - радиационная эквивалентно-эффективная температура; QS - сальдо теплового баланса человека; I - индекс пато-генности метеорологической ситуации; КМ - коэффициент потенциала самоочищенния атмосферы. Разработанная методика поэтапной оценки климатической комнфортности, включающая расчет интегрального показателя (ИПБК), выполненного на основе авторской концепции обеспечивает всесторонность учета факторов природнной среды, что, в свою очередь, будет способствовать повышению объективности рассчитываемой оценки. Наа первома этапеа оцениваетсяа тепловоеа воздействиеа (ЕТ,а БАТ,а РЭЭТ,Q) (табл.3); На втором этапе оценивается степень патогенности метеоусловий (I) (табл.4); Третий этап, предусматривает оценивание потенциала самоочищения атнмосферы (Км) (табл.5). Таблица 3 - Оценка теплового воздействия Показатеиаа Баллаа Характеристика
23 Таблица 4 - Оценка степени патогенности метеоусловий
Интегральный показатель биоклиматической комфортности определяется как сумма баллов биоклиматической оценки, полученных на трех этапах, по следующей формуле: п ^ Кинфг * Ббт ИПбк = ЧЧа (1), ^Кинф Табица 5 - Оценка потенциала самоочищения атмосферы
где: Ипбк - интегральный показатель биоклиматической комфортности (баллы), Кинф i - коэффициент информативности i- го биоклиматического показателя, Ббкi - балл биоклиматической оценки (баллы), i - n - число учитываемых биоклиматических показателей. Разработанный интегральный показатель, дающий оценку всех трех этапов биоклимантической оценки, универсален для любой исследуемой территории и позволяет вынявить такие характеристики климатической комфортности, как: комфорт; дискомнфорт и субкомфорт (табл.7). При этом учтено важное влияние природных, естестнвенных метеорологических факторов на здоровье и жизнедеятельность, а также возможность снижения загрязненности тропосферы вследствие ее потенциала к санмоочищению. 24 Таблица 6 - Значения интегрального показателя оценки биоклиматической комфортности (ИПбк)
Оценка тепнлового возндействия Жесткое тепнловое воздей- ствие положи-аа ности метео-тель-ных илиа условий отрицательнных темперантур
Умеренное тепловое возндействие по-ложитель-ных условий или отрицантельных темнператур
Тепловойаа Низкая сте- комфорт пень патоген- ности метеонусловий Необходимость реализации биоклиматической оценки в три этапа и примененние наиболее информативных биоклиматических индексов (показателей): ЕТ, БАТ, РЭЭТ, Qs, I, Км, является авторским подходом к решению проблемы разработки понказателя ИПбк. Этот показатель (ИПБК) может изменяться от 1 до 5 баллов, при этом минимальное количество баллов свидетельствует о биоклиматическом диснкомфорте, а максимальное - о комфорте. (ИПбк от 1 до 2 баллов - дискомфорт, от 2.1 до 3.9 - субкомфорт, от 4 до 5 - комфорт). В пятой главе исследована территориальная характеристика комфортности климатических условий ЮФО. Оценка комфортности осуществляется на основе пространственного анализа условий жизнедеятельности и сохранения здоровья, ориентируется на территориальное представление составляющих и обобщающих параметров и ориентирована на построение оценочных георегиональных зон (райнонирование). Она отличается использованием статистических связей и аналитиченских зависимостей между параметрами природной среды, обеспечивая переход от дискретных качественных к непрерывным количественным оценкам. Анализ полученных результатов расчетов биоклиматических индексов позволил выявить закономерности и построить по методу интерполяции схемы их пространнственного распределения. Определены следующие основные параметры для оценки комфортности: (рис. 10, 11, 12): в холодном сезоне на всей территории дискомфортные условия от лумеренно 25 раздражающих до сильно раздражающих;
КМ (климатический потенциал самоочищения атмосферы) (рис. 16, 17, 18):
26
Рис. 10 теплый сезон по данным Iаа Рис. 11 - холодный сезон по данным I
Рисунок 12 Цгодовое распределение h-70 I = lCr 20 ' +0.2v2 + О.Обn2 + 0.0б(Дp)2 +0.3(At)2 +It; -субкомфорт- от 10 до 12 баллов (слабо раздражающие условия) - субкомфорт- от 12 до 16 баллов (умеренно раздражающие условия)а комфорт- от 0 до 9.9 баллов I (-дискомфорт- более 16.1 баллов 27
Рисунок 13 - теплый сезон по данным Км Рисунок 14 - холодный сезон по данным К Рисунок 15 Цгодовое распределение по данным Км
субкомфорт-, Км от 0.89 до 0,99 комфорт- менее 0,8 Цдискомфорт- более 1,0 Районирование территории ЮФО по индексу патогенности I и коэффициенту потенциала самоочищения атмосферы Км осуществлялось на основании методики, разработанной в лаборатории климатологии института географии РАН, благодаря этому итоговый результат районирования легко интерпретируем, количество учи- 28 тываемых факторов минимально, и при этом обеспечивает учет всего основного спектра факторов природно-климатической дискомфортности (рис. 16).
Рисунок 16 Районирование территории ЮФО по годовым значениям индекса патоген-ности I и коэффициента потенциала самоочищения атмосферы Км В результате районирования, на основании анализа годового пространственного распределения значений индекса патогенности и коэффициента потенциала самоночищения атмосферы, выделено три области: I - Юго-Западная - комфортная, включающая 3 района - Краснодарский (Км=1.2), Центральный (Км=1,3) и Сочинский (Км=1.4). 29 IIа - Основная с субкомфортными условиями, то есть со слабораздражающими условия- ми, имеющая 4 района - Новоанинско-Невиномысский (Км=1.1), Приазовский (Км=0.9), Яшкульский ; (Км=0.75), Ставропольский (Км?1.4). IIIа - Центральная с дискомфортными условиями состоящая из 3 районов - Ростовского (Км=1.0), Миллеровского (Км=0.85) и Элистинского (Км=0.6) (табл. 7,8). Первая область (комфортная) захватывает юго-запад территории ЮФО (равннинную часть Краснодарского края, предгорья Кавказа и Черноморское побережье). На севере, северо-востоке области климатические условия соответствуют умеренно влажной зоне, жаркому лету, умеренно мягкой зиме. На юге I области очень жаркое лето и мягкая, а на крайнем юге - очень мягкая зима (Батова В.М. 1966). По таблице 8 районам этой области соответствуют наибольшие значения дней безморозного периода, средней годовой максимальной и минимальной темпенратур и минимальным значениям среднегодовой скорости ветра. Однако, следует отметить, что территории этой области наихудшие показатели коэффициента самоночищения атмосферы. Это связано с тем, что скорость ветра, являющаяся опреденляющим фактором патогенности метеорологической ситуации на исследуемой тернритории, с одной стороны, за счет её небольших значений, способствует формиронванию комфортных условий, а с другой стороны, так как в пределах области I она наименьшая, ухудшает способность атмосферы к самоочищению. Вторая область (субкомфорт) охватывает большую часть территории ЮФО, иснключая юго-западную часть - 1 область и центральную часть - 3 область. На севере 2 области умеренно холодная зима и очень теплое или недостаточно жаркое лето, переходя к юго-востоку к жаркому и очень жаркому. К юго-западу зима от умереннно мягкая до мягкая (Батова В.М. 1966). В Новоаннинско-Невиномысском районе индекс патогенности колеблется от 10.5 до 12.9 баллов, то есть достаточно близко к зоне комфорта, а коэффициент самоочищения атмосферы 1.1 - низкий, годовая средняя скорость ветра 3.5м/с. В Приазовском районе индекс патогенности около 14, Км - 0.9, что соответствует значению средний, годовая же средняя скорость ветра 3.9м/с, что вновь подтверждает главенствующее влияние скорости ветра на патогенность метеорологической ситуации. В Яшкульском районе I ~ 16 и более, зато Км ~ 0.75, так как скорость ветра (среднегодовая) 4.2 м/с. А в Ставропольском районе I от 10.7 до 13.2, Км от 1.4 до 3.8, возрастая с севера на юг, при среднегодонвой скорости ветра - 3.3м/с. Третья область - занимает центральную часть исследуемой территории, вытянунтым коридором с запада на восток. Зима в пределах области от умеренно мягкой до умеренно холодной, лето от очень теплого до жаркого. Индекс патогенности I конлеблется от 16.9 (ст. Миллерово) до 22.3 (ст. Элиста), а Км от 0.6 (ст. Элиста) до 1 (ст. Ростов-на-Дону). В Ростовском районе I ~ 18.1, Км ~ 1, среднегодовая скорость ветра 4 м/с, средннегодовая максимальная tо воздуха 14о, а среднегодовая минимальная tо воздуха 4.6о. В Миллеровском районе I ~ 16.9, Км ~ 0.85, среднегодовая скорость ветра 4.6 м/с, среднегодовая максимальная tо воздуха 12.4о, а среднегодовая минимальная tо возндуха 2.7о, здесь подтверждено, что вторым, наиболее важным фактором, влияющим на патогенность метеорологической ситуации, безусловно, является температура воздуха. 30 Таблица 7 - Районирование территории ЮФО по годовым значениям индекса патогенности I и коэффициента потенциала самоочищения атмосферы Км
В Элистинском районе максимальное значение индекса патогенности метеоронлогической ситуации - 22.1, соответствующее сильно раздражающим погодным уснловиям, и одновременно, минимальное значение Км - 0.6, соответствующее значеннию высокий потенциал самоочищения атмосферы, так как среднегодовая сконрость ветра - 6.2 м/с (так же максимальное значение для исследуемой территории). Наиболее неблагоприятные условия центральной области объясняются наличием на ее территории воздушного коридора, образованного Кумско-Маныческой впадиной. Наличие впадины и естественных возвышенностей вдоль ее краев создает возможнность проникновения на исследуемую территорию воздушных масс с различными физическими свойствами (Западно-Восточный перенос), провоцирующих метеопа-тические реакции в организме человека. Исходя, из выше изложенного можно сделать вывод, что с точки зрения клинматической комфортности, наиболее благоприятна крайняя юго-западная часть тернритории ЮФО. Наиболее патогенна и дискомфортна для проживания центральная 31 часть, в силу характера подстилающей поверхности. Таблица 8 - Значения отдельных климатических показателей
Заключение В диссертационной работе представлено решение крупной народнонхозяйственной проблемы - интегральной оценки климатического ресурса и климатической комфортности территории ЮФО на основе параметризации и анализа биоклиматической составляющей природно-ресурсного потенциала и выявления пространственно-временных закономерностей распределения климантической комфортности по рассчитанным значениям биоклиматических поканзателей (индексов). 32 Основные выводы по работе сводятся к следующему:
4. Поэтапная оценка климатической комфортности, путем расчета интегральнонго показателя (ИПБК), обеспечила учет максимально возможного количества факнторов природной среды, и способствовала повышению объективности и полноты полученного результата. 5. Специфическая ориентация возвышенностей юга ЕТР на территории ЮФО формирует ветровой коридор по Кумо-Манычской впадине, способствующий субширотным западно-восточным вторжениям воздушных масс с различными финзическими параметрами. Установлено, что наиболее доступны особенно для шинротных (морских умеренных, тропических, тропических континентальных) возндушных масс запад, юго-запад, северо-восток и юго-восток территории ЮФО. Для восточной части региона характерна доступность меридиональных вторжений как северных, так и южных.
9. Для QS в течение холодного сезона на всей территории ЮФО зафиксирован холодовый дискомфорт (резко холодно). В продолжении теплого сезона на всей территории ЮФО наблюдаются субкомфортные условия. За год на всей территории ЮФО преобладает холодовый дискомфорт. 33 10.а Из рассчитанных значений I следует, что в холодном сезоне на всей терн ритории ЮФО создаются дискомфортные условия от лумеренно раздражающих до сильно раздражающих; в теплом сезоне практически на всей территории нан блюдаются комфортные условия, за исключением северных районов Краснодарскон го края, части побережья Азовского моря, запада Ростовской области, где наблюн даются слабо раздражающие - субкомфортные условия; годовое пространственн ное распределение I показывает, что комфортные условия на юго-востоке ЮФО, на юге и севере можно характеризовать как слабо раздражающие, на западе - лумен ренно раздражающие. 11. Расчет показал, что значения Км в холодном сезоне на всей территории ЮФО низкие; в теплом сезоне на большей территории средние, на юге - низкие, в центральной части (Калмыкия и Астраханская область) - высокие; в годовом распределении на юге и севере Км низкий, центр - средний, наихудшие услон вия на юге у предгорий Кавказа.
ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Монографии
34
Учебные пособия (курсы лекций)
РФ РГГМУ, 2007. 236с Статьи в ведущих научных изданиях, рецензируемых ВАК РФ
35 11 Андреев С.С.Климатическая комфортность территории Южного Федерального округа и ее районирование по рассчитанным значениям индекса патогенности и коэффициента потенциала самоочищения атмосферы // Метеорология и гидронлогия, №8 2009, с 100-1005 Публикации соискателя по теме диссертации, отражающие основные научные результаты диссертационной работы
36
37 гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон СПб. Изд. Крисмас+ 2006.
|
Blog
Home - Blog
Принципы:
Iа - субкомфорт- Км от 0.81 до 0,88