Многолетняя динамика состояния растительности хребтов Тянь-Шаня по данным eMODIS NDVI

Мировые горные страны, например, Тянь-Шань являются интересными объектами в задаче диагностики направленности многолетних изменений погодных условий. Состояние растительного покрова высокогорных зон альпийских лугов и горных лесов Тянь-Шаня (там, где они представлены), в основном, формируется температурно-влажностными условиями и таким образом диагностирует направленность многолетних изменений погодных условий в центре материка Евразия. В работе рассмотрена динамика состояния горного растительного покрова Тянь-Шаня в течение 2002-2019 гг.
Горная страна Тянь-Шань весьма обширна, она расположена в центре материка Евразии, занимая территорию размером около 2500х400 км, высшая точка, пик Победы- 7439 м над уровнем моря. Структурно Тянь-Шань состоит из отдельных хребтов, которые географы относят в различные группы. Основные из них: Северный, Восточный, Западный и Внутренний Тянь-Шань. Горные хребты и условно объединяющие их различные структурные части Тянь-Шаня, расположены один за другим на пути «западного переноса» - части глобальной атмосферной циркуляции в Северном полушарии, приносящей влагу в центр материка.
Передние хребты Тянь-Шаня (Северный Тянь-Шань) находятся в преимущественной позиции. Они первыми взаимодействуют с атмосферными фронтами и соответственно получают большее количество осадков. Наиболее изолированные хребты внутреннего Тянь-Шаня увлажнены значительно меньше. Подобная пространственная организация в увлажнении территории дает дополнительные возможности в понимании характеристик и направленности многолетних изменений погоды. Например, анализ увлажненности равнинных частей материка, диагностируемой состоянием растительности, позволяет судить только о проекции трехмерных атмосферных процессов на подстилающую поверхность Земли. В случае горной страны, атмосферные процессы переноса влаги взаимодействуют с системой высоких хребтов и таким образом, результат в виде увлажненности внутренних хребтов прямо связан с высотными характеристиками облачных образований, в рамках «западного переноса» и их многолетними вариациями. Т.е. способности облачных образований проходить над хребтами с характерной высотой 3-5 км над уровнем моря и формировать осадки за ними.
В работе рассмотрена многолетняя (2002-2019 гг.) динамика вегетационного индекса NDVI для масок растительности, построенных для 30 хребтов Тянь-Шаня и всей горной страны в целом (сумма всех хребтов). В качестве NDVI использовался продукт eMODIS NDVI C6, с 10-дневным периодом обновления, пространственным разрешением 250 м, доступный на портале программы «Early Warning and Environmental Monitoring Program» (http://earlywarning.usgs.gov). В качестве характеристики года, в рамках созданных масок альпийских лугов и горных лесов, для каждого из анализируемых хребтов, рассчитывался июльский максимум (20 и 21 декады). Аридный климат Тянь-Шаня формирует, в основном, полупустынный климат межгорных равнин, разделяющих хребты Тянь-Шаня. Поэтому, естественная растительность представляет собой «острова» относительно развитой вегетации среди горных полупустынь. Подобные острова растительности, сформированные повышенным количеством осадков на склонах хребтов, легко распознаются и картируются с помощью экспертной дешифровки. Единственной задачей эксперта является разделение естественной растительности от сельскохозяйственных полей, в тем местах, где они присутствуют. Сельскохозяйственные поля практикуются, как обводненная пашня в межгорных долинах. Поля стараются размещать возможно ниже, чтобы улучшать температурный режим возделывания культуры. Кроме того, текстура вегетации с\х полей весьма специфична и легко распознается.
Растительный покров отдельных хребтов Тянь-Шаня характеризуется различными величинами NDVI и их многолетней вариативностью. Для приведения всех анализируемых объектов в сопоставимую шкалу, значения NDVI пересчитывались в значения VCI (vegetation condition index). Причем использовался его модифицированный вариант, с тремя опорными фиксированными значениями (а не двумя (0; 1,0), как в классическом варианте). Использовались следующие характеристики: 0 – многолетний минимум NDVI; 0,5 –среднее арифметическое значение ряда отсчетов NDVI (2002-2019 гг.); 1,0 – многолетний максимум NDVI. Дополнительная фиксация среднего значения делает сопоставления состояний отдельных хребтов более корректными, в метеорологическом смысле, где понятие средней величины (нормы) является одним из основных понятий. Также, уменьшается влияние асимметрии распределений значений NDVI в ряду отсчетов, когда среднее от размаха многолетних вариаций (min–max) значимо различается от среднего арифметического этого ряда.
После пересчета значений NDVI в VCI, состояние растительности отдельных хребтов количественно описывается в сопоставимой шкале. Например, многолетний максимум NDVI, фактически различающийся по величинам в различных хребтах, будет характеризоваться одним значением VCI равным 1,0. Переход к сопоставимой шкале оценки состояния растительности – «условий вегетации», если опираться на прямой перевод термина VCI – «vegetation condition index», дает возможность диагностировать вариативность условий вегетации внутри Тянь-Шаня, между его отдельными хребтами. Для этого для всех хребтов формировались ряды разности VCI, [VCI хребет]-[VCI Тянь-Шань]. Эти ряды несут информацию об относительных изменениях в состоянии растительности внутри горной страны. Т.е. появляется возможность зарегистрировать, например, ухудшение состояния растительности отдельного хребта, в период общего (Тянь-Шань в целом) улучшения. Фактически это означает, что улучшение условий вегетации выделенного хребта, по характеристикам уступает скорости улучшения остальных хребтов. Таким образом, строился инструмент диагностики многолетних изменений параметров облачных структур «Западного переноса», отражающих их способность доставлять влагу во внутренние хребты Тянь-Шаня.
Динамика VCI (Тянь-Шань) в течение 2002-2019 годов может быть представлена из двух частей, имеющих разнонаправленные тренды. Снижение значений с 2002 до 2008-2010 гг., затем их рост до 2019 года. Анализ пространственных особенностей условий вегетации отдельных хребтов Тянь-Шаня показывает относительное ухудшение состояния растительности в Северном Тянь-Шане, особенно в Заилийском и Кунгей Алатау. Что может трактоваться, как увеличение способности «Западного переноса» доставлять влагу к хребтам Внутреннего Тянь-Шаня в ущерб передним хребтам этой горной страны в период спутникового мониторинга (2002-2019 гг.).
Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Республики Казахстан, грант № АР 05134241.