§ 2.8. Методы климатического ГИС-моделирования.
Отдельным направлением в исследовании является климатическое ГИС- моделирование. Оно осуществлялось с использованием специально созданного модуля анализа микроклимата Кисловодской котловины, на котором следует остановиться особо.
Используемый модуль анализа микроклимата был создан коллективом археологов, климатологов и географов под руководством Г.Е. Афанасьева и уже описывался в литературе (Афанасьев и др., 2002. С. 74-75; 2004. С. 78-80; Борисов, Коробов, 2013. С. 25-60). Это набор мультимедийных окон (рис. 93), позволяющий проводить измерения климатических переменных в любом уголке Кисловодской котловины, используя показатели современного климата на 2000 г. и его моделируемое «возмущение» при потеплении температуры Атлантического океана примерно на 0,8° С. Именно такая ситуация с более теплым климатом, чем теперь, по-видимому, наблюдалась в эпоху раннего Средневековья в Северном полушарии (Randsborg, 1991. P. 29. Fig. 13; Афанасьев, Коробов, 2008. С. 222).
Здесь следует отметить, что данные о европейском климате I тыс. н.э. отличаются для разных регионов Европы. Принято считать, что климат в Центральной, Северной и Восточной Европе в позднеримское время изменяется следующим образом: фаза похолодания с III в. н.э. по V-VII вв. н.э. сменяется фазой потепления, которая достигает оптимума около 1000 г. н.э. и длится вплоть до XIV в., когда начинается Малый ледниковый период (Klingelhofer, 1991. P. 37;
Durand, Leveau, 2004. P. 182; Колода, Горбаненко, 2010. С. 52; Чендев, 2010). В целом в эпоху Великого переселения народов европейский климат меняется с оптимального на более холодный и сухой (Henning, 2008. P. 42) или более холодный и влажный (Hedeager, 1992. P. 209; Thurston, 2001. P. 98; Fowler, 2002. P. 52; Davies, 2005. P. 234). В других работах говорится о более засушливом и жарком климате в раннем Средневековье (Aston, 1985; Randsborg, 1991.
P. 24-29; Lohr, 2000. P. 190), вплоть до повышения температуры на 1-2 градуса по сравнению с современностью (Fowler, 2002. P. 53). Подобную картину в I тыс. н.э. реконструирует для территории Северо-Восточного Азербайджана Т.И. Ахундов по данным колебания уровня Каспийского моря (Ахундов, 2009. С. 142, 167). Минимальный уровень Каспия по данным анализа морских седиментов приходится на середину IV в. н.э. (1650 лет т.н.), что связывается с усилением аридности климата (Karpytchev, 1993. P. 418). Эта же тенденция - изменение в V в. н.э. оптимально влажного мягкого климата на более аридный - реконструируется для Центрального Предкавказья по данным палеопочв под курганными насыпями II-IV вв. Причем максимально ксероморфные условия формирования погребенных почв наблюдаются на рубеже VI-VII вв. (Khokhlova et al., 2007. P. 485-486; Хохлова и др., 2009. С. 317).Некоторые специалисты демонстрируют микроклиматические особенности, отличающие разные районы Европы. В вышедшей недавно работе коллектива британских и французских климатологов анализируется динамика температур в разных районах Европы на протяжении голоцена по данным пыльцевого анализа (Davis et al., 2003). Из построенных кривых среднегодичных температур по материалам более 500 колонок (Ibid. Fig. 4) следуетз что на территории ЮгоВосточной Европы (данные по Греции, Югославии, Турции и Грузии) реконструируемые температуры в 500-700 гг. н.э. ниже современных примерно на пол-градуса Цельсия, в 700-900 гг. - на пол-градуса выше современных.
С этой точки зрения весьма любопытны появившиеся недавно сведения о климате в разных частях Средиземноморья - наиболее интересном регионе для сравнения с Северным Кавказом - на протяжении позднеантичного времени
(Durand, Leveau, 2004. P. 181-184; Decker, 2009. P. 7-11). В одном из подобных недавних исследований крупного коллектива историков, археологов и специалистов в области палеоклиматологии продемонстрирована
неоднозначность климатических изменений на бывшей территории Западной и Восточной Римской Империи (McCormick et al., 2012).
Комплексное исследование данных о климате в Средиземноморье и Центральной Европе с 100 по 800 гг. н.э. базируется на сведениях письменных источников, сопоставляемых с палеоклиматической информацией, полученной при анализе годичных колец деревьев (использована база данных более 7 тыс. образцов из Центральной Европы, дающей представление об осадках с 398 по 2000 гг. с годичным разрешением). Анализируются также данные о климате по бурению льда, натечных образованиях в пещерах, донных отложений озер (здесь наиболее интересны новейшие сведения о донных отложениях оз. Ван в Юго-Восточной Турции) и пр.В результате комплексного анализа климатической ситуации, проведенного отдельно для Западной и Восточной частей Римской Империи, авторы приходят к следующей реконструкции. Период климатического «римского оптимума» приходится на 100 г. до н.э. - 200 г. н.э., причем в западной части Империи наблюдается более теплый климат по сравнению с современным. Далее наступает нестабильный период с 200 по 600 гг., когда следует череда похолоданий и потеплений, фиксируемая по-разному в разных частях региона. Особым образом отмечается резкая аридизация климата, наступающая в эпоху Великого Переселения народов и, по-видимому, носящая глобальный характер, что спровоцировало исход кочевнических гуннских племен из глубин Центральной Азии (McCormick et al., 2012. P. 190). Изучение изотопа кислорода в донных отложениях оз. Ван дает представление о более засушливых климатических условиях в III и VII вв. и более влажных на протяжении V-VI вв. н.э. (McCormick et al., 2012. P. 184. Fig. 7). Весьма интересен график глобальной солнечной активности (Ibid. Fig. 1a), отражающий ее падение в IV-V вв. и резкое повышение в VI-VII вв., а также реконструируемые среднегодичные температуры по данным изучения сталагмитов в пещере Шпаннагель в Австрии (Ibid. Fig. 1b), из которых следует повышение ее на 1,5-2,0 градуса со второй половины V по VIII в. н.э. В восточной части Империи число осадков увеличивается с конца IV в.
и на протяжении всего V в., с начала VI в. вплоть до VIII в. число осадков сокращается (McCormick et al., 2012. P. 197). Примерно с 600 по 800 гг. климатическая ситуация стабилизируется, наступает новый период оптимума, хотя в разных микрорегионах она проявляется неодинаково.Таким образом, очевидна необходимость привлечения микрорегиональных сведений о палеоклимате, получаемых с помощью разнообразных естественнонаучных методов. Для Кисловодской котловины это представляется насущной необходимостью в будущем. Тем не менее, представляется оправданным моделирование палеоклиматической ситуации в Кисловодской котловине в раннее Средневековье с учетом общего повышения температуры Мирового океана в Северном полушарии на 0,8° С, что подтверждается серией цитированных выше работ.
Моделирование локальных особенностей климата в описываемом модуле микроклиматического ГИС-моделирования проводится следующим образом. Сначала с помощью модели общей циркуляции атмосферы (МОЦА) воспроизводится планетарный климатический режим. Далее значения переменных, относящиеся к исследуемому региону, преобразуются в региональную модель, состоящую из ячеек размерами 500 χ 500 м, с «привязкой» к специфическим формам рельефа в каждой ячейке (учитываются крутизна склонов, экспозиция и закрытость горизонта). На заключительном локальном этапе осуществляется адаптация метеорологических величин к особенностям растительного и почвенного покрова. В качестве МОЦА используется модель T21L15 (21 гармоника в пространственном разрешении уравнений
гидротермодинамики атмосферы на сфере, 15 σ-уровней по вертикали), имеющая в своей основе соответствующую версию модели Гидрометцентра РФ (Курбаткин и др., 1994). Температура поверхности океана в процессе моделирования задается помесячно.
Для того чтобы состыковать информацию, воспроизведенную в ячейке МОЦА, с локальным климатом каждой микроячейки, необходимо было реализовать «передаточную функцию». Для этого авторы использовали региональный блок, в котором с помощью уравнения бюджета тепла и влаги была осуществлена привязка данных МОЦА (температуры, влажности, потоков тепла и др.) к абсолютной высоте и рельефу каждой микроячейки.
Далее был разработан сценарий, позволяющий генерировать возмущения глобального климата в рамках МОЦА. Предполагалось, что происходит аномалия - повышаются температуры океана менее чем на 0,8°С (по модулю) - которая затрагивает северную часть Атлантического океана (30-60° с. ш.). Интегрирование глобальной модели было осуществлено по двум наборам данных - для современного климата и для рассмотренного «возмущенного» случая (Афанасьев и др., 2002. С. 74-75; 2004. С. 78-80; Афанасьев, Коробов, 2008. С. 219-221).Используя данные разработки, было проведено микроклиматическое моделирование ситуации в Кисловодской котловине для 249 укрепленных и неукрепленных поселений эпохи раннего Средневековья (Коробов, 2007). Использовалось семь основных климатических переменных, заложенных в пространственные ячейки модели:
- годовые суммы среднесуточных температур > 10°, °С;
2
- годовая сумма радиационного баланса, гДж/м ;
- годовая сумма осадков, мм;
- число дней с осадками за год;
- число дней со среднесуточной температурой > 10°;
- гидротермический коэффициент, мм/°С;
- радиационный индекс сухости.
В итоге проведенных 3 500 измерений было выделено две основные зоны обитания населения эпохи раннего Средневековья с несколько разным климатом в зависимости от абсолютной высоты расположения. Современные климатические условия в Кисловодской котловине на высотах ниже 1020 м более теплые и менее влажные, чем в верхней ее части. Моделируемые условия «возмущенного» отличаются существенными изменениями как в ареале распространения климатических зон, так и в их характеристиках. При этом, граница между нижней и верхней микроклиматическими зонами проходит примерно по высотной отметке в 1080 м, а предполагаемые климатические условия в верхней части изучаемого микрорегиона отличаются таким же теплым и более влажным климатом, как современные условия в нижней зоне обитания. В целом же полученные результаты геоинформационного моделирования
микроклиматических характеристик Кисловодской котловины подтверждают вывод, сделанный Г.Е.
Афанасьевым, что места расселения раннесредневекового населения Кисловодской котловины обладали климатическими условиями, необходимыми для занятия как скотоводством, так и земледелием, тогда как в современных климатических условиях занятие земледелием практикуется лишь в нижней высотной зоне (Афанасьев и др., 2004. С. 84).В более поздней работе была применена разработанная методика микроклиматического моделирования с использованием вышеописанного модуля для анализа современной и «возмущенной» климатических ситуаций вокруг поселений кобанской и аланской культуры, а также участков террасного земледелия двух типов (Борисов, Коробов, 2013. С. 205-225). Было сделано более 6 900 измерений семи климатических переменных на 493 объектах (поселениях кобанской и аланской культур, а также участках террасирования разных типов). По результатам измерений с помощью ГИС были построены ареальные карты с температурными характеристиками, благоприятными для выращивания
различных зерновых культур, и прослежены пространственные связи известных поселений и земледельческих участков с подобными ареалами в современных и реконструируемых климатических условиях. Эти результаты палеоклиматического моделирования будут рассмотрены более подробно в следующей главе.
Подытоживая настоящий раздел, следует подчеркнуть, что несмотря на тридцатилетнее применение геоинформационных методов в археологических исследованиях, в отечественной практике подобный набор процедур анализа используется в одной работе впервые. Некоторые практические процедуры геоинформационного пространственного анализа потенциальных хозяйственных территорий, видимости с укрепленных поселений, изучения палеоклиматических переменных были предложены автором настоящего труда и отражены в серии публикаций (Коробов, 2006б; 2007; 2008; 2010в; 2013а; Korobov, 2008; 2012b; Борисов, Коробов, 2013). Описанная выше методика позволяет приступить к комплексному изучению системы расселения населения Кисловодской котловины в I тыс. н.э. Остановимся подробнее на характеристике изучаемого региона.