УДК 910:911.9:631.6

DOI: 10.24412/cl-36359-2021-691-697

НОВАЦИОННОЕ МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОНИТОРИНГА АГРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АРИДНЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ГЕОСИСТЕМ, ПОТЕНЦИАЛЬНО ПРИМЕНИМОЕ В ОРЕНБУРЖЬЕ

INNOVATIVE METHODOLOGICAL SUPPORT FOR MONITORING THE AGROMETEOROLOGICAL STATE OF ARID AGRICULTURAL GEOSYSTEMS, POTENTIALLY APPLICABLE IN ORENBURG REGION

О.К. Рычко

O.K. Rychko

Воронежский институт ГПС МЧС России, Воронеж, Россия

Voronezh Institute of the SFS of the ME of Russia, Voronezh, Russia

E-mail: 48rychko@mail.ru

Аннотация. Предложены элементы базового понятийно-терминологического аппарата и новационные методы мониторинга агрометеорологического состояния (АМС) геосистемы. Рассматривается новационное методологическое обеспечение структуры и режимов функционирования региональной системы мониторинга АМС ландшафта. Установлены направления и формы потенциального использования результатов исследования в Оренбуржье.

Ключевые слова: агрометеорологического состояние геосистемы, мониторинг, методологическое обеспечение, региональная система мониторинга.

Abstract. Elements of the basic conceptual-terminology apparatus and innovative methods of monitoring the agrometeorological state (AMS) of the geosystem have been proposed. Innovative methodological support for the structure and modes of operation of the regional AMC landscape methodological support is being considered. Directions and forms of potential use of the results of the study in Orenburg region have been established.

Key words: agrometeorological state of the geosystem, monitoring, methodological support, regional monitoring system.

Специфичность природно-социально-экономических условий устойчивого функционирования аридных природно-техногенных геосистем, в том числе лесостепной и степной зоны, предопределяет выбор или разработку специальных географических методов и главных, наиболее информативных агрометеорологических факторов, характеризующих пространственную и временную изменчивость процессов энергетического (теплового) и массообмена (водообмена) между деятельной поверхностью ландшафта и приземным слоем воздуха, а также – темпы вегетирования фитоценоза-биоценоза.

Своевременное предоставление потребителям сведений о растительно-водно-тепловых условиях или агрометеорологическом состоянии аридной сельскохозяйственной геосистемы, требует своевременного усовершенствования методологического обеспечения процессов и систем получения исходных оперативных и долгосрочных био-гидро-метеорологических данных, то есть – их мониторинга, что имеет важное – стратегическое – значение для развития и агропромышленного комплекса Оренбуржья.

Наиболее расширенно и углублённо Стратегия развития Оренбургской области до 2030 года проанализирована в работе А.А. Чибилёва [4], в особенности – с позиций географизации методологического сопровождения реализации Стратегии и научного обоснования регионального оптимизированного природопользования в видоизменённых геосистемах, включая прогнозирование и проведение фитомелиораций в нарушенных ландшафтах, в значительной степени предопределяемых агрометеорологическим состоянием последних.

С учетом результатов исследований [3], агрометеорологическое состояние (АМС) сельскохозяйственной геосистемы следует понимать как: сложившуюся или ожидаемую ситуацию, характеризуемую био-гидро-термическими факторами, обусловливающими процессы тепло- и влагообмена в системе почва – биоценоз – приземный слой воздуха, учитывающую темпы развития биоценоза. А основные понятия и термины, характеризующие мониторинг АМС геосистемы формулируются как:

• объект мониторинга АМС геосистемы – любое биологическое, физическое тело, явление-процесс и/или их совокупность как компоненты или факторы сельскохозяйственного ландшафта;
• процесс мониторинга АМС геосистемы – состав и последовательная смена алгоритмов и процедур по наблюдению, оцениванию и прогнозированию био-гидро-термического (агрометеорологического), в том числе ресурсного, состояния сельскохозяйственного ландшафта в установленный период;
• система мониторинга АМС геосистемы – совокупность теоретических принципов, методов, средств и режимов наблюдения, оценивания и прогнозирования био-гидро-термического (агрометеорологического), состояния сельскохозяйственного ландшафта;
• целью мониторинга АМС геосистемы является обеспечение потребителей необходимой агрометеорологической, в том числе ресурсной, информацией, соответствующей заданным параметрам, а задачи сводятся к сбору, обработке, анализу, хранению и выдаче пользователю, требуемых для конкретной СМ, био-гидро-термических данных.

Задачи своевременной поставки потребителям заказанных ими агрометеорологических сведений во многом решаются с помощью использования существующих методик и наблюдательных сетей, а при невозможности их применения, – путем разработки новационных методов и создания усовершенствованных систем мониторинга (СМ) регионального, зонального или локального уровней.

Региональная система мониторинга АМС геосистемы, выдающая многофакторную, достоверную, оперативную и долгосрочную, с низкой погрешностью, информацию, действующая практически в любом режиме и для любой мезо- или микротерритории, должна создаваться и функционировать в соответствии с базовыми методологическими и технологическими требованиями, которые могут быть представлены в виде характеристик механизма, состава и средств получения информации.

Базовые методологические принципы и технологические требования к формированию и функционированию системы мониторинга АМС конкретной территории должны включать следующие главные исходные положения, критерии и мероприятия [1, 2].

1. Классификация, иерархичность и ранжирование процессов, подсистем и элементов системы мониторинга (СМ) осуществляется:

• по периоду получения информации – постоянный, временный, эпизодический;
• по номенклатуре отслеживаемых факторов – монофакторная, полифакторная – комплексная;
• по сферам действия и компонентам географической среды – данные об атмосфере, литосфере, гидросфере, биосфере, социосфере и их элементах;
• по степени репрезентативности пунктов используемой сети мониторинга – типично репрезентативные, слабо репрезентативные, не репрезентативные;
• по типу базирования технических и других средств мониторинга – наземный (аквальный), аэрокосмический;
• по условиям размещения средств получения информации – стационарные, мобильные, совмещенные;
• по способам сбора данных – контактный, бесконтактный, совмещенный;
• по территориальному охвату СМ – региональная, зональная, локальная;
• по видам наблюдаемых факторов окружающей среды – физические (абиотические), биологические (биотические), социальные и социально-био-физические – системные;
• по степени естественности или искусственности наблюдаемых процессов и объектов окружающей среды, соответственно, – природные, антропогенные, природно-антропогенные, антропогенно-природные явления и компоненты;
• по группам методов получения информации – математические, биологические, геофизические, геохимические, социологические, картографические, геосистемные.

2. Формирование структуры СМ производится:

• с учетом внутрирегионального распределения природных ландшафтов и территориального размещения, административной соподчиненности имеющихся в регионе социально-хозяйственных комплексов и объектов;
• в соответствии с требованиями генеральных потребителей информации – юридических лиц, вырабатывающих оптимальные природоохранные решения и осуществляющих управляющие воздействия по стабилизации био-физического состояния участков окружающей среды и по предотвращению негативного антропогенного воздействия на ПТК в пределах контролируемых первыми территорий;
• в предположении создания условий открытости и наращиваемости СМ при расширении номенклатуры природно-техногенных процессов и элементов, подлежащих мониторингу;
• на основе максимального использования существующих и перспективных способов получения и передачи контрольно-оценочно-прогностических данных, а также - имеющихся наблюдательных сетей и линий связи.

3. Выбор и обоснование режимов функционирования подсистем, блоков и элементов СМ выполняется в результате решения задач, позволяющих объектам системы осуществлять мероприятия по информационному обеспечению потребителей в зависимости от порядка ранжирования наблюдательно-информационных пунктов или центров (НИЦ) и с учетом внутригодовой и межгодовой изменчивости природных или антропогенных процессов и объектов, их динамики или интенсивности протекания.

При этом для региональной СМ рекомендуется выделять три уровня иерархии – головной (региональный), зональный и локальный. К примеру, базовые требования для головного НИЦ должны предусматривать выполнение последним следующих функций:  централизованный контроль структурно-функционального состояния системы в целом; управление информационной и административной деятельностью всей СМ и НИЦ головного уровня; прием, систематизация, преобразование, отображение и хранение оперативных и фондовых агрометеорологических и/или географических данных, поступающих из равных по рангу или нижестоящих НИЦ и обмен информацией между ними; моделирование, выполнение фактических и прогностических оценок агрометеорологической или географической ситуации в региональном, зональном или локальном масштабах для заданных факторов или объектов окружающей среды; выдача потребителям необходимой информации на электронном или бумажном носителе в удобном для них виде.

Обобщенным результатом реализации вышеперечисленных принципов и требований будет разработка генеральной схемы, как модели создания и функционирования региональной СМ, включающей главные составляющие – организационный, методический и инженерно-технический (технологический).

Формирование и функционирование региональной СМ для природно-хозяйственных условий заданного ландшафта требует решения ряда главных задач, а именно:

• осуществление выбора и обоснование запланированных для мониторинга показателей, факторов и параметров, требуемых потребителю, а также – классифицирование и ранжирование, по выбранным критериям, намечаемых к исследованию при-родно-социально-хозяйственных процессов на изучаемых объектах;
• выполнение пространственной дифференциации (зонирования) территории региона на основе комплексных или частных природно-антропогенных показателей;
• определение структуры СМ, которая может быть выстроена на основе существующих в регионе информационных комплексов Минздрава, Росгидромета, Минприроды, МЧС и других ведомств по результатам анализа их пригодности для эффективного обеспечения потребителей необходимыми сведениями;
• обоснование функций региональной СМ, планируемой к созданию – организационных, аналитических, экспертных, методических, технических (технологических) и других.

В частности, иерархичность или соподчиненность объектов (центров) подобной региональной информационной системы можно было бы в целом базировать на сложившемся административном делении территории, организуя – в зависимости от сложности агрометеорологической обстановки на конкретных, в том числе локальных участках, – внутрирайонные, районные, межрайонные и региональный информационные центры СМ.

Реализация модели создания и функционирования региональной СМ определенной геосистемы предполагает разработку и последующее применение комплекса мероприятий, как совокупности видов необходимого при этом обеспечения:

• нормативно-правовое – формирование, поддержание и развитие правовой базы по модернизации внутрирегиональных информационных комплексов и объединению их в единую систему вне зависимости от форм их собственности, а также – обеспечение нормативных основ деятельности и управления СМ;
• организационно-управленческое – создание территориально распределенной и функционально взаимоувязанной подсистемы в рамках СМ, с блоком управления качеством используемых ГИС – технологий; внедрение схем специального районирования региона и моделей оптимальной структуры и режимов деятельности подсистем и блоков СМ; инвентаризация имеющегося в регионе информационного (в том числе по сетям) потенциала и его внедрение в социально – хозяйственную сферу; координация и активизация работы различных ведомств и организаций по совершенствованию их информационной деятельности и по построению горизонтальных связей между ними; развитие партнерских отношений между данной СМ и ее аналогами в других регионах России и сопредельных государств; вовлечение в социально – хозяйственный оборот объектов интеллектуальной собственности и обеспечение ее надежной защиты от несанкционированного использования;
• финансово-экономическое – увеличение ресурсной базы объектов и процессов, участвующих в информатизации элементов хозяйственной и социальной сферы региона; создание условий для привлечения инвестиций в структуры СМ, а также – дополнительных финансовых средств по приоритетным направлениям ее информационной деятельности;
• инженерно-техническое – формирование блока сооружений, измерительных приборов, инструментов и оборудования, необходимых для наблюдения за факторами, требующими мониторинга; подбор и эксплуатация аппаратуры и устройств, необходимых для сбора, систематизации, обработки, хранения и передачи информации от объектов СМ и обмена данными между информационными пунктами и подсистемами;
• научно-методическое – создание подсистемы, содержащей банки данных и базы знаний с качественными и количественными характеристиками закономерностей формирования информационных потоков, особенностей взаиморасположения объектов СМ и – установления степени изменчивости в пространстве и во времени информационных факторов; разработка моделей обоснования видов и количества факторов, необходимых для мониторинга, и их сочетаний, а также – определение типов и количества пунктов мониторинга, с оценкой степени их типичности для наблюдаемых процессов и элементов; формирование группы алгоритмов, способов и методов наблюдения, оценивания и прогнозирования требуемых информационных факторов и показателей; выявление характеристик дискретности получения и передачи информации, ее оперативности, заблаговременности или долгосрочности; установление периодизации слежения, обоснования выполнения фактических и прогностических оценок биогеофизического состояния территории в локальном, зональном или региональном масштабе; разработка схем геоинформационно обоснованного территориального деления региона, а также – оптимальной структуры и режимов эффективного функционирования элементов СМ.

Структурно-функциональная модель региональной системы мониторинга АМС. Создание и деятельность современной региональной системы мониторинга агрометеорологического состояния агроландшафта должны соответствовать специфичной структурно-функциональной модели и содержать следующие подсистемы, блоки, сегменты и ячейки.

ПОДСИСТЕМЫ:

• теории мониторинга – включает: модели выявления закономерностей для временного и пространственного распределения, взаиморасположения объектов мониторинга и установления степени изменчивости факто-ров мониторинга; базовые понятия, термины и формулировки, дающие представление об основных процессах и элементах мониторинга; схемы обоснования видов и количества факторов мониторинга и их сочетаний, а также – определения типов и численности пунктов мониторинга, с оценкой степени их репрезентативности;
• структуры мониторинга – содержит: способы классификации, ранжирования и определения соподчиненности подсистем, блоков, сегментов, ячеек и пунктов мониторинга и схемы управления их информационной и административной деятельностью; модели централизованного контроля за структурно – функциональным состоянием системы мониторинга в целом и процессами выдачи потребителям необходимой агрометеорологической информации в удобной для них форме. В частности, в функции данной подсистемы входит: распределение комплексов и элементов мониторинга по слоям действия (почвенный, биоценотический, воздушный) и компонентам ландшафта; установление степени масштабности мониторинга по территориальному охвату; создание условий открытости и наращиваемости системы мониторинга при расширении номенклатуры природно-техногенных процессов и элементов, подлежащих слежению, в том числе – на основе максимального использования имеющихся наблюдательных сетей, линий и каналов связи, существующих и перспективных способов и средств получения, хранения и передачи полученных данных;
• методов мониторинга – включает: все общенаучные методы (системный, математический, моделирования, и др.), все конкретно-научные методы (геофизический, биотический и др.) и группу специальных или прикладных методов – балансовый, индикационный, аналогов и другие, с оценкой пригодности и эффективности их использования в конкретных географических условиях и на соответствующих объектах;
• средств мониторинга – содержит следующие составляющие: логические – рабочие гипотезы, суждения, доказательства, формулы; информационные – аппаратура и устройства для сбора, систематизации, обработки, хранения и передачи оперативных и фондовых данных от подсистем и пунктов мониторинга и для обмена информацией между ними; технические – измерительные приборы, инструменты и оборудование, необходимые для наблюдений за факторами мониторинга; биологические – живые организмы, используемые в качестве индикаторов гидротермического (или геоэкологического) состояния объектов мониторинга. К примеру, в заданной подсистеме производится определение типов базирования технических средств (наземный, аэрологический, космический) и условий размещения средств мониторинга – стационарные, мобильные, совмещенные;
• режимов мониторинга – включает: группу операций, приемов, процедур и алгоритмов, необходимых для наблюдения, оценивания и прогнозирования факторов и показателей мониторинга; характеристики дискретности ведения мониторинга, оперативности, заблаговременности и долгосрочности получаемых данных; установление периодизации осуществления мониторинга – постоянный, временный (сезонный), эпизодический; обоснование выполнения фактических и прогностических оценок биогидротермической обстановки территории в региональном, зональном или локальном масштабах для заданных факторов или объектов природно-техногенных ландшафтов.

БЛОКИ:

• наблюдения – с функциями фиксации, слежения, контроля или измерения элементов, намеченных к мониторингу;

• оценивания – с функциями диагностирования или определения фактического биогеофизического состояния агроландшафта по наблюдаемым факторам;
• прогнозирования – с функциями определения перспективного состояния объекта мониторинга или его ожидаемых фито-гидро-термических условий и ресурсов.

ГРУППА СЕГМЕНТОВ (соответствующего блока):

• сегменты первого типа – комплекс биотических факторов мониторинга: вид, сорт фитоценоза, фаза или стадия его развития, параметры фитомассы и др.,
• сегменты второго типа – комплекс абиотических факторов: температура и влажность воздуха, атмосферные осадки, запасы воды в почве и др.

КОМПЛЕКС ЯЧЕЕК (соответствующего сегмента): каждая ячейка принадлежит конкретному биотическому или абиотическому фактору мониторинга – ячейка площади листьев фитоценоза, ячейка температуры почвы и т.п.

Выводы:

1. Разработанная методологическая модель организации региональной системы мониторинга агрометеорологического состояния (АМС) геосистемы, потенциально применима в Оренбуржье (ввиду аналогичности природно-хозяйственных условий последнего, региону разработки Модели), что позволит интегрировать средства и возможности отдельных (отраслевых) информационных комплексов, имеющихся в заданном регионе в единую систему мониторинга (СМ), что повысит эффективность деятельности такой объединенной системы в сравнении с ее разрозненными отраслевыми аналогами.

2. Предлагаемые методологические положения и полученные метрологические характеристики оценочно-прогностических методов определения агрометеорологического состояния сельскохозяйственных угодий позволяют использовать их во всех типах геосистем лесостепной и степной зоны, в частности, для определения фактического и ожидаемого гидро-термического состояния последних, с приемлемыми для научных и практических целей оперативностью, долгосрочностью и точностью.

3. Оценочные и прогностические величины термических и водных ресурсов, а также показатели темпов вегетирования фитоценозов конкретных агрогеосистем, полученные с помощью региональных методов, применимы для гидроклиматического районирования агроландшафтов, обоснования, планирования и проектирования: антропогенных нагрузок на ПТК; энерго- и водосберегающих технологий в агроландшафтах и коммунальных системах; агро-гидро-фитомелиораций в районах с дестабилизированной экологической ситуацией, а также – для других геоэкологически значимых объектов, условий и функций.

4. Полученные, по предлагаемым новационным методикам, показатели фактически сложившегося и ожидаемого АМС геосистем аридных регионов (значения тепловых ресурсов и суммарного испарения агроценоза, величина влагозапасов корнеобитаемого слоя почвы, сроки наступления фаз развития и показатели глубины проникновения корневой системы агроценоза и др.) могут результативно использоваться в сельскохозяйственно-мелиоративной и социально-экологической деятельности общества, как основа для оптимизации необходимых природоохранных, природоэксплутационных и рекреационных мероприятий и планирования их реализации.

5. Функционирование предлагаемой системы мониторинга АМС позволяет решать многие задачи по управлению, моделированию, инвентаризации, слежению, оценке и прогнозированию изменчивости в пространстве и во времени заданных потребителем агрометеорологических компонентов или факторов исследуемых ландшафтов.

6. Использование предлагаемой методологии мониторинга АМС геосистемы позволяет на основе стандартной гидро- и агрометеорологической информации самостоятельно и с достаточной точностью, заблаговременно и оперативно наблюдать, оценивать и прогнозировать заданные фитофенологические, гидрологические, метеорологические элементы основных агроценозов за конкретные подекадные или межфазные промежутки климатически обусловленного вегетационного периода.

 7. Разработанные методологические основы и схемы мониторинга рекомендуются к применению при разработке концепций формирования других СМ, для создания новых и унификации существующих методов контроля, оценки и прогнозов величин ресурсоформирующих фито-гидро-термических компонентов окружающей среды, а также - для планирования и реализации необходимых природоохранных мероприятий и ресурсосберегающих технологий.

8. Рассмотренные модели методологического обеспечения создания и функционирования региональной системы мониторинга агрометеорологического состояния сельскохозяйственных геосистем являются открытыми для их наращивания дополнительными подсистемами, блоками, сегментами или ячейками, к примеру - структурными элементами, включающими химические, социальные и другие факторы соответствующих ландшафтов.

9. В соответствии с результатами исследований К.Н. Дьяконова, А.В. Дончевой (2002), информационный КПД комплексов мониторинга, аналогичных рассмотренному, применительно к процедурам обеспечения потребителей необходимыми данными об АМС геосистемы, может составлять 300-400%.

Список литературы

1. Рычко О.К. Методологические модели мониторинга агрометеорологических условий и агроклиматических ресурсов в аридных сельскохозяйственных ландшафтах. Оренбург: Изд-во Оренб. гос. пед. ун-та, 2009. 196 с.

2. Рычко О.К. Базовые методологические принципы и технологические требования к формированию региональной системы географического мониторинга. Вестник Воронежского гос. ун-та. Сер. География. Геоэкология. 2005. № 3. С. 28-32.

3. Рычко О.К. Перспективы изменения структуры и функций Агрометеорологии и Сельскохозяйственной метеорологии. // Вестник Воронежского гос. ун-та. Сер. География. Геоэкология. 2018. № 4. С. 52-55.

4. Чибилёв А.А. О «Стратегии развития Оренбургской области до 2030 года» // Изв. Оренб. отд. РГО. 2007. № 3. С. 5-12.