Широкие изменения в использовании земли и орошении в кукурузном поясе США, а также влияние мелких подземных вод, значительно изменили паттерны осадков в этом важном сельскохозяйственном регионе, показывают новые исследования.
Исследование, опубликованное в Трудах Национальной академии наук, сосредоточено на «переработке осадков» — процессе, при котором влага, выделяемая атмосферу растениями, почвами, озерами и другими элементами ландшафта, возвращается в ту же область в форме дождя.
Используя современные компьютерные модели, ученые смогли определить, что сельское хозяйство региона в сочетании с мелкими подземными водами увеличивает коэффициент переработки осадков почти на 30%. Это значительно увеличивает объем осадков в период вегетации.
Роль переработки осадков варьируется от месяца к месяцу и от года к году, как показало исследование. Она достигает пика в летние месяцы, когда созревает кукурузный урожай, и в сухие годы, когда поступает мало влаги из других регионов.
“Это исследование показывает, как сельскохозяйственные практики могут изменять региональный климат, что имеет последствия для продовольственной и водной безопасности”, — сказал ведущий автор Чжэ Чжан, ученый из Национального центра исследования атмосферы Национального научного фонда США (NSF NCAR). “В таком сельскохозяйственном регионе, как кукурузный пояс США, где дождь критически важен, важно, чтобы как фермеры, так и управляющие водными ресурсами понимали, откуда поступает дождь.”
Большее понимание степени переработки осадков может помочь улучшить прогнозы дождей для кукурузного пояса и предоставить больше информации для стратегий посадки и распределения водных ресурсов.
Исследование было совместно написано другими учеными из NSF NCAR, а также учеными Гонконгского университета науки и технологий и Университета Сантьяго-де-Компостела в Испании. Оно было профинансировано NSF.
Измененная поверхность земли
Кукурузный пояс США охватывает дюжину штатов на Среднем Западе и Великих равнинах, от Огайо на востоке до Небраски на западе. Поверхность земли, которая до европейского освоения была смесью высокотравья и лесов, теперь характеризуется сельскохозяйственными угодьями с обширным орошением.
Предыдущие исследования показали, что регион становился все более влажным, с увеличением осадков. Но Чжан и его коллеги хотели количественно оценить влияние переработки осадков.
Воспользовавшись современными компьютерными моделями, ученые обратились к модели «Исследования погоды и предсказания» (WRF), основанной на NSF NCAR, которая может моделировать атмосферу с очень высоким разрешением в четыре километра. Они также использовали другую модель, основанную на NSF NCAR, известную как Noah-MP, которая позволяет проводить специфический анализ взаимодействующей системы подземных вод, роста растений и орошения. Они применили физически реалистичный алгоритм для отслеживания движения водяного пара в симуляциях.
Чтобы выделить роли сельского хозяйства и мелких подземных вод, которые являются естественной особенностью региона, ученые сравнили симуляции, включающие сельскохозяйственные культуры, орошение и подземные воды, с другими симуляциями, в которых отсутствовал один или несколько из этих факторов. Они проводили моделирование в Суперкомпьютерном центре NSF NCAR в Вайоминге.
Результаты показали, что коэффициент переработки осадков — или доля осадков, которые выпали в результате местных процессов — достиг 18% благодаря сочетанию мелких подземных вод, которые подают влагу на поверхность, и листовых кукурузных растений, которые выделяют влагу в атмосферу, а также испарению из систем орошения. Без таких факторов моделирование показало, что коэффициент переработки осадков составил бы всего 14%, или примерно на 29% меньше.
Ученые сосредоточили свои симуляции на трех годах: 2010 (который был необычно дождливым), 2011 (со средними осадками) и 2012 (сухом году). Они обнаружили, что доля переработанных осадков была максимальной в 2012 году, когда поступало меньше влаги из других регионов, таких как Мексиканский залив.
“Мы смогли реально отличить, как различные процессы влияют на изменения в осадках,” — сказал Чжан. “Поскольку сельское хозяйство зависит от осадков, это понимание может помочь в управлении сельским хозяйством, а также привести к лучшему пониманию доступности пресной воды.”
Он и его сотрудники планируют последующие исследования, чтобы выяснить, как изменения осадков могут повлиять на сельскохозяйственную продуктивность.
