Variability of temperature regime in the ridge-hollow bog complex of the Mukhrino station

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Болотные экосистемы Сибири являются одними из крупнейших хранилищ углерода на планете [Земцов и др., 1998; Yu et al, 2010; Xu et al., 2018]. Они играют важную роль в регуляции климата, накапливая органическое вещество в виде торфа, поглощая углекислый газ из атмосферы [Rydin, Jeglum, 2013]. Основным фактором регулирования процесса накопления углерода болотными экосистемами являются климатические и гидрологические условия [Harenda et al., 2018; Bond-Lamberty et al., 2018; Dyukarev et al., 2021; Ilyasov et al., 2023]. При этом уровень влияния гидрометеорологических характеристик на интенсивность углеродного обмена и степень детерминации этих связей до сих пор не определен в полной мере. В связи с этим исследование температурных характеристик болотных экосистем является актуальной задачей для современной науки.

Температурный режим органических болотных почв отличается меньшими суточными и сезонными колебаниями по сравнению с минеральными почвами на открытых пространствах или в лесах. Благодаря высокой теплоёмкости воды и низкой теплопроводности торфяного слоя болота медленно прогреваются весной и дольше сохраняют тепло осенью. Суточная амплитуда температур почвы в таких условиях может быть значительно снижена, особенно в период максимальной насыщенности влагой при высоких уровнях стояния болотных вод. Это способствует более стабильным условиям для болотной растительности, но также делает экосистему чувствительной к любым изменениям водного режима [Воробьев, Захаров, 2009].

В условиях современных изменений климата изучение температурного режима болот позволяет оценить их функциональное состояние, устойчивость и прогнозировать изменения в углеродном балансе. Понимание климатических процессов, влияющих на экосистемы, является фундаментальной основой для изучения механизмов их функционирования. Исследование температурного режима позволяет глубже понять, как экосистемы реагируют на изменения окружающей среды, что в свою очередь способствует разработке более эффективных стратегий их сохранения и управления.

Основной целью работы является сравнение температурных характеристик в основных болотных ландшафтах – на гряде и мочажине и последующая оценка различий в температурном режиме на антропогенно нарушенной (г. Ханты-Мансийск) и фоновой («Мухрино») территории. Данные для анализа получены на стационаре «Мухрино», расположенном в центральной части Западной Сибири.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектом исследования являются типичные верховые болота среднетаёжной зоны Западной Сибири, расположенные на территории стационара «Мухрино» [Kupriianova et al., 2022; Ilyasov et al., 2023] в центральной части Западной Сибири, в 30 км к юго-западу от города Ханты-Мансийска, на территории Ханты-Мансийского автономного округа – Югры. Географические координаты участка: 60°54′ с.ш., 68°42′ в.д. Территория характеризуется широким распространением болот, моховокустарничковой растительности, низкотравных осоково-сфагновых ассоциаций и заболоченных лесов [ЮГУ. Мухрино – научно-полевая станция; Dyukarev et al., 2021; Dyukarev, 2023].

В ходе выполнения исследования использован широкий спектр источников климатической информации, охватывающий как локальные наблюдения, так и региональные и глобальные наборы данных. Одним из ключевых источников послужили официальные метеорологические данные Росгидромета, полученные с метеостанции Ханты-Мансийска. Эти сведения охватывают многолетний период наблюдений и включают информацию о температуре воздуха с 2012 по 2024 год. Данные были использованы для сравнения с микроклиматическими характеристиками болотной экосистемы.

Стационар «Мухрино» представляет собой уникальный природный полигон, сочетающий в себе разнообразие ландшафтных условий, стабильный гидрологический режим и выраженную сезонность климатических факторов. Характерное для верховых сфагновых болот чередование возвышенных участков (гряд), покрытых сфагнумом, кустарничками, угнетенными деревьями, и более низких обводненных участков (мочажин) образует бугристую поверхность. В результате саморазвития болота образовался грядово-мочажинный комплекс – самая типичная структура на болоте. Всё это делает его идеальной модельной площадкой для изучения температурного режима болот [Лисс, 1988; Новиков, 1973]. Исследование базируется на 12-летнем массиве ежечасных данных (2012-2024 гг.) по температуре воздуха и почвы, полученных с автоматической метеостанции, действующей на территории стационара, и 60-летнем ряде температуры воздуха на метеостанции Росгидромета Ханты-Мансийска.

Микроклиматические измерения на стационаре «Мухрино» проводятся с помощью оборудования In Situ Instruments AB (Швеция). Установки размещены на двух ключевых участках – гряде и мочажине – в соответствии с задачами исследования микроклиматической контрастности (Рис. 1).

 

Рис. 1. Автоматическая метеостанция (In Situ Instruments AB, Швеция): А – мочажина, Б – гряда (Фото Е.А. Дюкарева)

Fig. 1. Automated weather station (In Situ Instruments AB, Sweden): A – hollow, B – ridge (Photo by E.A. Dyukarev)

 

Температурно-влажностный модуль Vaisala HMP155 – экранированный комбинированный датчик, установлен на вертикальной мачте. Он предназначен для измерения температуры и относительной влажности воздуха на высоте 2 м от поверхности болота. Элемент установлен на алюминиевой конструкции, исключающей влияние прямой солнечной радиации на показания.

Температура воздуха является одним из наиболее чувствительных климатических параметров, отражающих как общие региональные тренды, так и локальные особенности подстилающей поверхности. В условиях болотных экосистем температурный режим тесно связан с водным балансом, растительностью и ландшафтом. В работе рассматриваются особенности межгодовой изменчивости температуры воздуха, зарегистрированной на двух участках стационара «Мухрино» с разными ландшафтными условиями (гряде и мочажине), а также проведено сопоставление с фоновыми условиями на метеостанции Ханты-Мансийска [Никонов, 1982].

Перед анализом проведена инвентаризация массивов данных: выявлены периоды с пропусками, выполнена очистка от выбросов и отклонений. В случае незначительных пробелов применялась линейная интерполяция. Датчики прошли предварительную калибровку заводским методом и периодическую поверку в условиях эксплуатации. Сравнительный анализ показал, что расхождения между ландшафтными элементами отражают реальные микроклиматические различия, а не погрешности измерения.

Оценка микроклиматических характеристик болотных экосистем требует высокой точности, особенно при работе с показателями, зависящими от внешних погодных условий и технического состояния оборудования. Одним из ключевых этапов верификации полевых данных является их калибровка – процесс, направленный на корректировку измерений в соответствии с эталонными значениями, полученными с высокоточных сенсоров.

В 2024 году на стационаре «Мухрино» была проведена техническая ревизия метеорологических приборов, эксплуатируемых на грядово-мочажинном комплексе. Для повышения точности измерений использовалась система сравнительной калибровки, включающая установку новых приборов, таких как радиометр CNR4, а также фотосенсоры LI-190 и температурно-влажностные датчики Vaisala HMP155, функционирующие в качестве калибровочного эталона.

Сравнение данных старых и новых сенсоров проводилось в течение нескольких недель с постоянной регистрацией показаний с 30-минутным шагом. По итогам наблюдений были рассчитаны линейные коэффициенты, позволяющие откорректировать архивные и текущие данные. Эти коэффициенты варьировались в зависимости от диапазона измерений, но во всех случаях для датчиков температуры воздуха не превышали инструментальную погрешность. Таким образом, корректировать данные по температуре воздуха нет необходимости.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Зимний период (декабрь – февраль) характеризуется устойчивым снежным покровом, слабой инсоляцией. В этот период часто наблюдается выраженная температурная инверсия между грядой и мочажиной, когда мочажины быстрее теряют тепло через радиационное охлаждение, особенно в ночное время. Гряды, наоборот, демонстрируют более стабильный и «мягкий» температурный режим. Разность температур (ΔT) в зимние ночи достигает -2…-4°C, что подтверждает важность микрорельефа в формировании локального климата. Обратная ситуация, когда температура воздуха на гряде ниже, чем на мочажине, может наблюдаться при облачной циклонической погоде с выпадением осадков. В итоге различие средних суточных величин достигает ±6…7°C, а в среднем за месяц не превышает 0,6°C.

В середине весны (апрель) начинается активное таяние снега, поступление солнечной радиации резко возрастает. В этот переходный период температура воздуха в грядах начинает расти быстрее, чем в мочажинах, благодаря более сухой и возвышенной подстилающей поверхности. Однако высокая влажность и остаточный снег в пониженных участках задерживают прогрев мочажин, создавая временную инверсию в прогреве, разность дневных температур может превышать 3°C.

Лето (июнь – август) характеризуется интенсивной инсоляцией, высокой влажностью воздуха и активной вегетацией. Средние суточные температуры в июле на гряде могут превышать показатели мочажины на 1–1.5°C. Это связано с тем, что гряды лучше прогреваются, а испарение влаги с их поверхности менее выражено, чем в мочажинах. Последние, напротив, остаются более прохладными и влажными, что особенно чувствительно в пасмурные и дождливые дни. Суточная амплитуда температуры на гряде летом значительно выше, чем на мочажине.

Осень (сентябрь – ноябрь) сопровождается постепенным снижением температуры, укорочением светового дня и нарастанием облачности. В этот период различия между грядой и мочажиной нивелируются, особенно во второй половине октября и ноябре. За счёт накопленного тепла болотный массив остывает медленно, а ночные температуры на мочажине могут оставаться выше даже в условиях первых заморозков. Осенний режим характеризуется высокой частотой туманов, особенно в пониженных участках, что дополнительно стабилизирует температурные условия в мочажинах.

Сезонная изменчивость температуры воздуха на стационаре «Мухрино» отражает как фоновую климатическую динамику, характерную для среднетаёжной зоны Западной Сибири, так и влияние локальных условий. Особое внимание уделено сопоставлению температурных характеристик на гряде и на мочажине как наиболее контрастных по абиотическим параметрам элементов болотной поверхности [География …, 1989].

На предварительном этапе в рамках анализа температурного режима гряды и мочажины рассмотрены два варианта температурных рядов: один из них основан на восстановленных данных, другой – на фактических, без заполнения пропусков (Рис. 2). Восстановленные данные представляют собой температурные ряды, в которых отсутствующие значения были заполнены методами линейной интерполяции либо с использованием средних скользящих значений. Такой подход позволяет получить непрерывный временной ряд, удобный для визуализации долгосрочной динамики и общей сезонной тенденции. Однако следует отметить, что заполнение пропусков, особенно в периоды экстремальных погодных событий, может существенно искажать реальную амплитуду колебаний температуры. Это особенно актуально для болотных экосистем, где микроклиматические параметры характеризуются высокой пространственно-временной изменчивостью. Для сравнения температуры воздуха на гряде и на мочажине использованы невосстановленные значения температуры. В средних месячных значениях отклонения в большинстве случаев не превышают ±0,2°С. Исключения составляют июнь, июль 2022 г. и декабрь 2017 г.

 

Рис. 2. Разность между средней месячной температурой воздуха на гряде и мочажине за 12 лет: A – с учетом восстановленных данных; Б – по невосстановленным данным

Fig. 2. Difference between average monthly air temperature on the ridge and in the hollow over 12 years: A – based on reconstructed data; B – based on unreconstructed data

 

В связи с небольшой вариабельностью отклонений в средних месячных значениях и с учетом того, что гряды и мочажины являются основными видами болотного ландшафта, будем считать, что средняя месячная температура воздуха в районе «Мухрино» будет равна средней температуре между грядой и мочажиной. Анализ данных за период наблюдений (2012-2024 гг.) показал наличие выраженной межгодовой вариабельности температур, особенно в холодный период года (табл.). Наиболее тёплые зимы фиксировались в 2016, 2020 гг., тогда как наиболее холодные – в 2017 и 2021 гг. При этом различия между грядой и мочажиной проявлялись наиболее отчётливо именно зимой. На гряде температура воздуха в ночные часы зачастую опускалась ниже, чем на мочажине.

 

Таблица. Средняя месячная и средняя годовая температура воздуха на стационаре «Мухрино» (2012-2024 гг.)

Table. Average monthly and annual air temperature at the Mukhrino station (2012-2024)

Год	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	Год
2012	-21,21	-18,82	-10,59	2,39	9,26	19,83	19,08	13,34	9,37	1,30	-10,57	-19,60	-0,52
2013	-23,31	-16,09	-17,62	-0,39	5,44	13,97	19,48	14,09	6,97	-1,38	-2,76	-11,82	-1,12
2014	-21,17	-23,81	-5,22	-1,36	7,24	14,35	13,76	14,96	5,47	-4,40	-12,37	-14,55	-2,26
2015	-20,76	-11,81	-6,89	0,92	10,84	17,87	15,10	11,66	6,45	-2,98	-11,77	-15,15	-0,54
2016	-19,93	-8,84	-8,30	3,77	8,74	17,04	19,39	17,79	9,96	-1,25	-18,95	-23,51	-0,34
2017	-23,02	-16,81	-5,02	0,47	5,26	16,04	16,97	14,59	5,73	-0,18	-6,27	-11,07	-0,28
2018	-18,18	-18,67	-12,62	-2,32	3,45	13,41	18,75	13,53	9,30	1,46	-13,09	-14,98	-1,66
2019	-17,87	-20,17	-4,21	-2,18	7,61	12,92	19,56	14,19	7,46	1,50	-11,52	-14,08	-0,57
2020	-14,79	-10,11	-2,81	4,28	13,73	13,43	18,80	16,22	9,02	0,88	-7,67	-17,51	1,96
2021	-26,00	-23,88	-9,38	2,94	12,11	14,47	16,42	17,14	6,43	1,02	-8,97	-16,10	-1,15
2022	-16,88	-12,20	-11,28	-0,48	11,18	13,62	18,23	15,46	7,12	2,74	-12,97	-18,78	-0,35
2023	-15,56	-14,07	-6,18	-2,20	11,55	13,38	19,32	15,23	10,05	2,13	-6,05	-16,62	0,92
2024	-15,19	-17,40	-10,53	-0,96	4,38	16,43	18,30	15,10	9,82	1,79	-5,57	-9,08	0,59

 

Сравнительный анализ температурных данных, полученных на стационаре «Мухрино» и метеостанции Ханты-Мансийска за период 2012-2023 гг., позволяет оценить степень расхождений между локальными и региональными климатическими условиями. Наиболее существенные отличия выявлены в зимний и весенний периоды, когда на фоне устойчивого снежного покрова и слабой циркуляции воздуха начинают проявляться микроклиматические особенности болотной поверхности.

Зимой температура на метеостанции, расположенной в пределах городской застройки, стабильно превышает аналогичные значения, зафиксированные на гряде и на мочажине, на 2-3°C. Это связано с эффектом «острова тепла», типичным для урбанизированных территорий: здания, дороги, промышленные объекты аккумулируют и излучают тепло, особенно в ночное время. Суточные амплитуды в городе также сглажены – размах между дневной и ночной температурой редко превышает 6°C, тогда как на болоте он может достигать 10-12°C.

В летний период различия нивелируются. В условиях ясной погоды гряда прогревается интенсивнее, и дневная температура может на 0,5-1°C превышать значения в городе. Это объясняется лучшей освещённостью, меньшей облачностью и отсутствием деревьев, которые в городском ландшафте частично ограничивают инсоляцию. В то же время в пасмурную погоду температура в городе может снова быть выше, особенно ночью.

Весной и осенью наблюдается наибольшая нестабильность: темпы прогрева и охлаждения болота и городской поверхности различаются, что отражается в температурных скачках и изменении характера температурной разности. Весной температура на гряде быстрее растёт, летом – превышает мочажину, осенью – затухает медленнее [Киселёв, 2019].

Сравнительный анализ наблюдений, полученных на стационаре «Мухрино», с данными глобального климатического реанализа ERA5 Land позволяет более полно оценить точность описания климатических условий болотной территории в контексте региональных и глобальных моделей. Такой подход позволяет не только верифицировать полевые измерения, но и установить границы применимости данных реанализа при исследовании болотных ландшафтов.

Для анализа были выбраны два месяца с наиболее выраженным сезонным контрастом: январь – как типичный представитель зимнего периода с экстремально низкими температурами и снежным покровом и июль – наиболее тёплый месяц года, характеризующийся активной инсоляцией и максимальной биологической активностью болотной экосистемы.

Анализ показывает, что разница между данными измерения и реанализом наиболее ощутима в дневные часы. Особенно ярко это проявляется в безветренные периоды, когда вертикальное перемешивание воздуха минимально и микроклиматические условия на болоте как бы изолированы от общего атмосферного слоя.

В июле данные метеостанции на гряде фиксируют повышенные температуры, особенно в дневное время в условиях ясной и безоблачной погоды. Нагрев приземного слоя воздуха достигает +24…+26°C, тогда как ERA5 в этот же период отображает значения, не превышающие +20°C. Причина – высокая пространственная инерционность модели и невозможность учёта локальных тепловых островков, формируемых за счёт маломощного торфяного слоя и отражательной способности поверхности.

В данных ERA5 за январь температурные пики сглажены, что обусловлено пространственным усреднением и спецификой модели. Тогда как в полевых данных (особенно на гряде) ночные температуры могут опускаться до -35…-38°C, значения реанализа редко фиксируют ниже -32°C. Разница в отдельных случаях составляет более 5°C, особенно в периоды резкого радиационного выхолаживания при безветренной и ясной погоде. Эти различия подчёркивают низкую способность реанализа отражать интенсивные термодинамические процессы в пределах небольших экосистем.

Причины различий между двумя источниками данных можно сгруппировать по следующим направлениям:

• пространственное разрешение: ячейка ERA5 составляет ~ 9 км², что охватывает не только болото, но и лесные, водные и даже урбанизированные участки. Это приводит к усреднению и потере контрастов;
• алгоритмы сглаживания: при построении реанализов применяются фильтры, снижающие амплитуду экстремальных колебаний, особенно при дефиците исходных наземных данных;
• невозможность учёта микротопографии: болото представляет собой мозаичный ландшафт с мозаикой влагозадерживающих и радиационно-активных зон, которые не могут быть адекватно учтены в крупномасштабных моделях.

Проведённый анализ подтверждает, что реанализ ERA5 Land является полезным инструментом для отслеживания фоновых климатических тенденций и выявления долгосрочных трендов. Однако при исследовании микроклиматических процессов в пределах болотных комплексов, особенно таких чувствительных, как верховые болота, требуется обязательное использование локальных данных с откалиброванных полевых станций.

Именно данные с «Мухрино» позволяют зафиксировать крайние значения, выявить амплитуды суточных и сезонных колебаний. Сопоставление с ERA5 важно не для замены, а для обоснованной интерпретации – с учётом ограничений и потенциала каждого источника.

Для оценки пространственной синхронности температурных колебаний был рассчитан временной профиль среднесуточной температуры на гряде, мочажине, в Ханты-Мансийске и по ERA5. Результаты показывают, что все источники демонстрируют одинаковое направление колебаний – пики, минимумы, фазы потепления и похолодания совпадают с точностью до 1-2 суток.

Наибольшая синхронность наблюдается в летний период, когда климат региона регулируется крупномасштабными процессами. Зимой синхронность ослабляется: «Мухрино» быстрее теряет тепло, а Ханты-Мансийск дольше сохраняет плюсовые аномалии за счёт городской инфраструктуры.

По итогам корреляционного анализа рядов температуры воздуха выявлено:

• все рассчитанные коэффициенты корреляции статистически значимы (p < 0,05);
• гряда и мочажина: r = 0.98 (высокая локальная синхронность);
• гряда и Ханты-Мансийск: r = 0.84;
• гряда и ERA5: r = 0.78;
• Ханты-Мансийск и ERA5: r = 0.91.

Это подтверждает, что данные «Мухрино» устойчиво следуют за региональными трендами, но также обладают собственной температурной спецификой, детерминированной ландшафтом.

Проведённый анализ подтвердил наличие общей синхронности температурных колебаний между болотной системой «Мухрино», городской метеостанцией и глобальным реанализом ERA5-Land. Все три источника демонстрируют схожую направленность изменений температуры, особенно на межгодовом уровне, что отражает устойчивый региональный климатический сигнал [U.S. Global …, 2018].

В то же время микроклиматические данные «Мухрино» показывают ярко выраженные локальные особенности, не фиксируемые ни в ERA5, ни на городской метеостанции. Суточные амплитуды, характер инверсий, динамика температурных разностей между грядой и мочажиной требуют отдельного учёта и подчёркивают необходимость локального мониторинга для точного анализа состояния болотных экосистем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы на основе данных о температуре воздуха за 12-летний период, полученных с автоматической метеостанции стационара «Мухрино» и городской метеостанции Ханты-Мансийска, сформирована полноценная база, позволяющая не только визуализировать сезонную и межгодовую изменчивость температурных параметров, но и выявить устойчивые зависимости между ними. Созданный массив данных может использоваться для валидации моделей климатических процессов в подобных экосистемах.

Установлены температурные различия между грядой и мочажиной. Средняя суточная амплитуда температуры на гряде в летний период достигала 9-12°C, в то время как на мочажине – 3–5°C. В ночное время зимой при ясной погоде температура на гряде опускалась до -35°C, а на мочажине – до -30°C, что указывает на значительные различия в теплообмене, связанные с микрорельефом, влажностью и растительным покровом.

Сравнение локальных данных с метеостанцией Ханты-Мансийска выявило отклонения до 2-3°C зимой. Причиной выступает эффект городского «острова тепла»: температура в Ханты-Мансийске в зимний период превышает значения на стационаре, а суточные амплитуды в городе сглажены. Например, в январе 2021 года дневной максимум в городе составил -20°C, а на гряде – -26°C при ночных минимумах до -33°C.

Данные реанализа ERA5 Land не в полной мере отражают микроклимат болот. ERA5 демонстрирует сглаженные амплитуды. Разница по температуре достигала 3-5°C в отдельные дни, особенно в условиях безоблачной погоды.

Результаты показали, что микроклимат болотных ландшафтов определяется сочетанием факторов: теплоёмкостью торфяных слоёв, увлажнённостью, типом растительности. Гряды характеризуются большей амплитудой температурных колебаний, выраженным радиационным прогревом и охлаждением, тогда как мочажины обеспечивают более стабильный режим, способствующий торфонакоплению и высокой биопродуктивности сфагнумов.

Микроклиматические параметры не только отражают текущее состояние экосистемы, но и активно участвуют в формировании её рельефа. Понимание этих взаимосвязей позволяет делать более точные прогнозы изменений в условиях глобального потепления и обеспечивает научную основу для сохранения и мониторинга уникальных болотных территорий.

Получение точных данных о локальных температурных условиях позволяет уточнять климатические сценарии и верифицировать климатические модели. Это в свою очередь способствует разработке более эффективных стратегий адаптации к изменениям климата, что особенно важно в эпоху современного потепления.

БЛАГОДАРНОСТИ

Работа выполнена в рамках государственных заданий НИР АААА–А21–121012190059–5, 121031300158–9.

About the authors

N. N. Voropay

Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН; Институт географии им. В.Б. Сочавы, СО РАН

Author for correspondence.
Email: voropay_nn@mail.ru
Russian Federation, Томск; Иркутск

A. A. Ponomarev

Югорский государственный университет

Email: voropay_nn@mail.ru
Russian Federation, Ханты-Мансийск

References

Supplementary files