1. Введение

Степная зона Северного Казахстана, обладающая уникальными природными характеристиками и значительным сельскохозяйственным потенциалом, в последние десятилетия подвергается существенным изменениям, связанным с процессами засушливости климата. Актуальность исследования степени засушливости в данном регионе обусловлена его стратегическим значением для хозяйственной деятельности страны, а также необходимостью разработки эффективных мер адаптации к изменяющимся климатическим условиям.

В последние годы наблюдается тенденция к усилению засушливости климата, что проявляется в увеличении частоты и продолжительности засушливых вегетационных периодов, а также изменении гидрологического режима степных территорий. Эти процессы оказывают значительное влияние на состояние экосистем, сельскохозяйственное производство и социально-экономическое развитие региона.

Климатические исследования, проведённые в Сибири и прилегающих районах, подтверждают прогрессирующий характер глобального потепления в этом регионе. Учёные [1], [2], [3] установили, что за последние десятилетия наблюдается устойчивое увеличение частоты экстремально высоких температурных значений, особенно в весенне-летний период. В то же время анализ режима осадков показывает общее увеличение их количества в течение года, за исключением летних месяцев, для которых характерна тенденция к снижению осадков в отдельных районах. Отсюда следует, что, несмотря на общий рост атмосферных осадков, пространственная и сезонная неравномерность сохраняется, что может влиять на агроклиматические условия и водный баланс территории.

Дефицит влаги характеризуется как сложное природное явление с наибольшими аномалиями температуры и влажности в региональном масштабе, то есть явление, представляющее собой снижение влажности окружающей среды по сравнению со средним ее состоянием за короткий промежуток времени [2], [3].

В современный период ученые А.А. Чибилёв, А.Н. Золотокрылин, М.Е. Бельгибаев, Г. Кирхенгаст подчеркнули роль климатических изменений в усилении аридизации [4], [5], [6].

В работах В.В. Паромова, В.А. Земцова, С.Г. Копысова, Н.Г. Ганеши, Г.В. Белоненко изучавших изменения климата Западной Сибири, определена стадия инерции потепления в 1986–2015 гг. и сделан прогноз гидроклиматических ресурсов до 2030 г. [7], [8], [9], [10], [11]. В результате исследований данных ученых выявлено, что на территории Западной Сибири за последние 30 лет среднегодовые температуры воздуха по сравнению с нормой предыдущего периода за тот же промежуток времени повсеместно повысились.

В исследованиях К. Акшалова, С.С. Байшоланова и др. [12] установлено, что в 2020–2021 гг. в пределах Северо-Казахстанской и Костанайской областей в течение вегетационноного периода наблюдадись условия слабой засушливости. Для Павлодарской области была характерна умеренная засушливость, тогда как в Акмолинской области отмечалась высокая степень засушливости. Таким образом, территория лесостепной зоны в целом характеризуется слабо- и умеренно засушливыми условиями, в то время как степная зона отличается выраженной засушливостью. Анализ временной динамики показал, что в лесостепной и степной зонах преобладают годы с достаточным увлажнением и отсутствием засухи, тогда как в сухостепной зоне, напротив, установлено большее количесвто засушливых лет с дефицитом влаги [13].

Согласно исследованиям С.С. Байшоланова и Д.К. Байбазарова [14], предполагается, что в северных регионах Казахстана в условиях климатического потепления к 2050 году агроклиматические условия для выращивания зерновых культур существенно ухудшатся, что приведёт к снижению их урожайности на 37–49%.

Исследование степени засушливости степной зоны Казахстана имеет важное практическое значение для разработки стратегий устойчивого развития региона, сохранения его природных ресурсов и обеспечения продовольственной безопасности страны. Особую значимость приобретает исследование механизмов аридизации в аридных и полуаридных зонах, где наблюдается наиболее выраженная реакция на климатические изменения. Анализ временных рядов метеорологических данных и индексов осадков позволяет выявить тенденции и закономерности, характеризующие динамику климатических процессов в этих регионах.

Целью данного исследования является оценка динамики весенне-летних засушливых явлений в степной зоне Северного Казахстана, включающая анализ повторяемости за многолетний период. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

– оценка возможного наступления весенних и летних засух на основе результатов расчётов стандартизированного индекса осадков SPI;

– исследование тенденций изменения степени засушливости территории с целью выявления усиления или ослабления аридизации;

– анализ повторяемости весенних и летних засух, усредненных по тридцатилетним периодам за последние 90 лет.

2. Методы и принципы исследования

В настоящем исследовании использована методология расчёта стандартизированного индекса осадков (SPI — Standardized Precipitation Index), разработанная для количественной оценки отклонений выпавших осадков от климатической нормы за определённый период времени [15], [16]. Для анализа полученных результатов применены статистические методы.

Методология расчёта стандартизированного индекса осадков SPI была разработана в 1993 году исследователями из США — Т.Б. Макки, Н.Дж. Доускеном и Дж. Кляйстом – в качестве инструмента наблюдения за динамикой засух. Основное назначение индекса SPI заключается в количественной характеристике водного баланса территории, а также в поддержке процессов мониторинга и прогноза длительности и интенсивности засушливых или влажных периодов. Расчёт индекса SPI производится по формуле (1) [16]:

где P — сумма осадков за период;

µP — среднее многолетнее количество осадков;

σ — стандартное отклонение от многолетних наблюдений.

Категории степени увлажнения или засушливости, определяемые по значению индекса SPI составляют: от 0,1 и выше по показателю увлажнения, при этом, чем выше показатель, тем больше увлажнение, и показателю засушливости от ...-0,1 и ниже, при этом чем ниже показатель, тем выше засушливость территории (Табл.1).

Оценка частоты наступления весенних и летних засух выполняется на территории Северного Казахстана в степной зоне, по данным метеорологических наблюдений села Иртышск, за 1936-2025 годы (90 лет). Временной интервал исследования разделён на три 30-летних периода:

I-период (1936–1965 гг.);

II-период(1966–1995 гг.);

III-период (1996–2025 гг.).

Для оценки повторяемости и степени весенне-летних засушливых явлений с применением индекса SPI требуется проанализировать данные о среднемесячных осадках за выбранный временной отрезок. Информация должна быть агрегирована по трёхмесячным периодам, например, март–май — для весны и июнь–август — для лета.

3. Обсуждение результатов

В таблице 2 представлены результаты расчетов индекса SPI, произведенных на основе метеорологических данных территории с. Иртышск, расположенного в Северном Казахстане [17].

На графике (рисунок 1) представлена многолетняя изменчивость стандартизированного индекса осадков (SPI) для весеннего (март–май) и летнего (июнь–август) сезонов пометеостанции Иртышск за 90-летний период наблюдений. Значения индекса колеблются в широком диапазоне от выраженно засушливых (SPI < −2) до избыточно увлажнённых условий (SPI > +3), что свидетельствует о высокой межгодовой вариабельности увлажнения.

Весенний период характеризуется значительными колебаниями с отдельными экстремально влажными годами (до SPI ≈ +3,5) и засушливыми эпизодами (до SPI ≈ −2). Летний сезон также демонстрирует выраженную изменчивость, однако амплитуда колебаний несколько сглажена по сравнению с весной.

Линейные тренды для обоих сезонов имеют положительный наклон, что указывает на слабую тенденцию к увеличению степени увлажнения территории. Однако крайне низкие значения коэффициента детерминации (R² = 0,001 и R² = 0,0005) свидетельствуют о том, что временной фактор практически не объясняет наблюдаемую вариацию SPI.

Это означает, что выявленные тренды статистически незначимы, а основную роль в формировании режима увлажнения играют естественные климатические колебания, то есть изменения осадков преимущественно обусловлены природной изменчивостью климата.Антропогенное воздействие, включая мероприятия по целенаправленному изменению климатических характеристик, в пределах района исследования отсутствует.

Красной линией на графике обозначен условный уровень умеренного увлажнения (SPI ≈ 1), относительно которого наблюдается чередование засушливых и влажных периодов без устойчивой тенденции к их преобладанию.

Несмотря на наличие формально положительных линейных трендов, статистическая проверка t-критерий Стьюдента (весна 0,30; лето 0,21) и p-value (весна 0,76; лето 0,83) показала при стандартном уровне значимости (5%) p > 0,05, их полную незначимость. Таким образом, за период 1936–2025 гг. для метеостанции Иртышск не выявлено достоверных изменений степени увлажнения ни в весенний, ни в летний сезоны. Режим увлажнения определяется преимущественно высокой межгодовой климатической изменчивостью.

В I- периоде (1936–1965 гг.) (рисунок 2) по метеостанции Иртышск выявлены слабые положительные тенденции изменения индекса SPI как в весенний, так и в летний периоды. Однако значения коэффициента детерминации (R² = 0,0331 и R² = 0,0084) свидетельствуют о крайне низкой объясняющей способности трендов. Расчёт t-критерия Стьюдента показал, что полученные значения существенно ниже критического уровня (t < tкр), а соответствующие p-value превышают 0,05. Это указывает на отсутствие статистически значимых изменений увлажнения. Таким образом, динамика индекса SPI в рассматриваемый период определяется межгодовой изменчивостью климатических условий, а не устойчивыми долгосрочными тенденциями.

Линейный анализ динамики индекса SPI II-период (1966–1995 гг.) (рисунок 3) выявил слабовыраженные разнонаправленные тенденции: снижение увлажнения в весенний период (март–май) и незначительное увеличение в летний (июнь–август). Однако крайне низкие значения коэффициента детерминации (R² < 0,03) и результаты оценки t-критерия Стьюдента (t < tкр, p ≫ 0.05) свидетельствуют об отсутствии статистически значимых трендов. Изменения носят случайный характер и не могут интерпретироваться как устойчивые климатические сдвиги.

В III периоде (1996–2025 гг.) (рисунок 4) по метеостанции Иртышск анализ динамики индекса SPI показал отсутствие статистически значимых трендов увлажнения территории. Для весеннего периода (март–май) выявлена слабая положительная тенденция, тогда как для летнего периода (июнь–август) тренд практически отсутствует. Однако значения t-критерия Стьюдента существенно ниже критического уровня (t < tкр), а p-value превышает 0,05, что свидетельствует о статистической незначимости выявленных тенденций. Таким образом, изменения степени увлажнения носят случайный характер и обусловлены межгодовой климатической изменчивостью, а не направленными долгосрочными процессами.

Непараметрический тест Манна–Кендалла применяется для проверки статистической значимости тренда во временных рядах, особенно когда данные не подчиняются нормальному распределению (что часто бывает с климатическими или гидрологическими показателями вроде SPI).

Тест Манна–Кендалла оценивает, есть ли монотонная тенденция (рост или спад) во временном ряду, без предположений о линейности. Он основан на сравнении всех пар значений во времени и подсчёте числа случаев, когда более поздние значения больше или меньше ранних. Сравнивается каждое последующее значение со всеми предыдущими. Проверяется, увеличиваются ли значения со временем.

Результаты теста Манна–Кендалла при уровне значимости α = 0,05 показали, что для всех периодов и обоих сезонов значения τ малы и p-value выше 0,05, что говорит об отсутствии статистически значимых монотонных тенденций SPI как весной, так и летом за весь исследуемый период. Результаты непараметрического теста Манна–Кендалла (при уровне значимости α = 0,10) также во всех рассматриваемых временных интервалах и для обоих сезонов (весна и лето) не выявил статистически значимых монотонных тенденций. Значения τ Кендалла близки к нулю, а p-value существенно превышают уровень значимости 0,1, что указывает на отсутствие выраженного роста или снижения SPI во времени.

Проведенная оценка тренда через наклон Сенна даёт скорость изменения SPI во времени (в единицах SPI/год). Оценка величины тренда по наклону Сенна за весь период (1936–2025 гг.) показала крайне слабое увеличение индекса SPI в весенний период (+0,006 в год), что соответствует незначительному увлажнению. В летний период выявлен практически нулевой тренд (−0,002 в год), указывающий на отсутствие направленных изменений. Совместный анализ с критерием Манна–Кендалла подтверждает, что выявленные тенденции статистически незначимы (p > 0,05).

Проверка рядов SPI тестом Петтитта (на разрыв/смену режима) обнаружила следующее. Результаты теста Петтитта для временного ряда индекса SPI за период 1936–2025 гг. по метеостанции Иртышск не выявили статистически значимых точек разладки. Для весеннего периода (март–май) предполагаемый момент изменения приходится на 1973–1975 гг.после которого увеличивается доля положительных значений (более влажные годы). Тогда как для летнего периода (июнь–август) — на конец 1980-х – начало 1990-х гг.чаще наблюдаются экстремальные засухи и влажные годы,но средний уровень существенно не смещается. Однако значения p-value превышают критический уровень значимости (p > 0,05), что не позволяет считать выявленные изменения достоверными. Таким образом, многолетняя динамика увлажнения характеризуется отсутствием резких переходов и определяется межгодовой и внутридекадной климатической изменчивостью.

4. Заключение

Таким образом, исходя из проведённого исследования динамики формирования весенне-летних засушливых явлений в степной зоне Северного Казахстана за период 1936–2025 гг., можно сделать следующие выводы.

В целом временной ряд демонстрирует выраженную межгодовую изменчивость увлажнённости территории с чередованием влажных и засушливых фаз. Линейный тренд указывает на наличие слабой направленной тенденции (усиление или ослабление увлажнения — в зависимости от конкретных расчётов), однако её выраженность остаётся умеренной, что говорит о высокой природной вариабельности климатической системы региона.

Результаты t-критерия Стьюдента показывают, что различия между выделенными периодами по средним значениям SPI либо статистически незначимы, либо слабо значимы, что подтверждает отсутствие резких устойчивых изменений среднепериодического уровня увлажнения.

Анализ p-value в целом свидетельствует о том, что выявленный линейный тренд не всегда достигает строгого уровня статистической значимости (0,05), что дополнительно указывает на преобладание колебательного характера динамики над устойчивым трендовым изменением.

В то же время тест Петтитта позволяет предположить наличие возможного момента структурного сдвига в ряду, что может быть связано с изменением климатических условий или режимов атмосферной циркуляции во второй половине рассматриваемого периода. Однако этот сдвиг не носит абсолютно однозначного характера и требует дополнительной интерпретации с учётом гидрометеорологических факторов.

Таким образом, динамика SPI за 1936–2025 гг. характеризуется преимущественно колебательным режимом с возможными слабыми признаками изменения климатического увлажнения и отдельными периодами структурной перестройки, но без устойчивого и резко выраженного долгосрочного тренда.

Фиксируемые колебания влагообеспеченности подчёркивают необходимость постоянного мониторинга климатических параметров и разработки адаптивных мер в аграрной политике региона. В условиях изменчивости климата ключевым фактором устойчивого сельскохозяйственного производства становится своевременное прогнозирование засушливых тенденций и оптимизация водопользования.

Полученные результаты имеют прикладное значение для планирования сельскохозяйственного производства, водных ресурсов и землепользования в условиях нарастающей климатической нестабильности.

В условиях возрастающей частоты и интенсивности экстремальных метеорологических явлений, таких как засухи и суховеи, особую актуальность приобретает разработка адаптационных стратегий, направленных на минимизацию негативных последствий аридизации для сельского хозяйства, инфраструктуры и экосистем. Таким образом, исследование аридизации в контексте глобальных климатических изменений становится неотъемлемой частью научного обеспечения стратегий адаптации к новым климатическим реалиям и сохранения экологического равновесия в аридных зонах.

The additional file for this article can be found as follows: