ГИС-моделирование палеоклиматической ситуации в раннем средневековье в Кисловодской котловине

Коробов Д.С.

Институт археологии РАН

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ, проект № 06-06-80117а

В настоящем сборнике публикуется совместная статья, касающаяся изучения зон биопродуктивности в Кисловодской котловине [Афанасьев, Коробов, 2007]. Исследование подобных зон базируется на использовании уникального инструмента, созданного коллективом археологов, климатологов и географов под руководством Г.Е. Афанасьева. Речь идет о модуле, позволяющем 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 [Афанасьев, Кислов, Чернышев, 2002. С. 74-75; Афанасьев, Савенко, Коробов, 2004. С. 78-80]. Именно такая ситуация с более теплым климатом, чем теперь, по-видимому, наблюдалась в эпоху раннего средневековья на всем Северном полушарии Земли. Так, в статье [Афанасьев, Коробов, 2007] упоминается информация об исключительной аридности климата на Таманском полуострове в VII-XII вв. [Болиховская и др., 2002. С. 265], о понижении уровня Каспийского моря вследствие засушливости климата в это же время в северокавказских степях [Гумилев, 1964. С.83-95; Арсанукаев, 2002. С. 233], о колонках льда из Гренландии, датированных VIII в., с чрезвычайно низким содержанием аммония (что говорит о слабой растительности). Период с V по VIII в. н.э. получил в геоботанике название второго ксеротермического, он характеризовался засушливым жарким климатом, когда на территории современной Украины и Северного Кавказа свирепствовали песчаные бури [Бараш, 1989. С. 18]. О чрезвычайной аридности климата в середине III - начале V в. и в VIII в. н.э. свидетельствуют дендрохронологические данные археологических находок Германии [Schmidt, Gruhle, 2003] и лесов Швеции [Briffa, Trees…], донные отложения озер Юкатана в Мексике и многие другие источники.

Примечательно, что в эти представления о климатической ситуации в Кисловодской котловине в эпоху раннего средневековья неплохо укладываются первые палинологические данные, полученные в ходе работ Кисловодского археологического отряда ИА РАН. По мнению анализировавшей их Е.А. Спиридоновой, для существовавших в этот период (V-VIII вв.) укреплений Кабардинское 2 и Левоберезовское 4 характерно два споро-пыльцевых комплекса. В период существования первого, более старшего, растительный покров представлял собою степь с разнотравьем и присутствием культурных злаков (свидетельство земледельческого характера занятий местного населения). Древесные породы в данный период практически отсутствовали, имелась лишь кустарниковая растительность вдоль более влажных мест. Позже наступает небольшое увлажнение климата и вероятно его незначительное похолодание, в результате чего в балках появляются небольшие участки перелесков из широколиственных пород и кустарников, но доминирование степной растительности сохраняется. Подобная ситуация, казалось бы, характерна для более теплого и засушливого климата, чем современный [Спиридонова, 2001].

Любопытно сравнить приведенные данные палинологических колонок с моделированием изменения ландшафтов котловины, выполненное коллективом специалистов под руководством Г.Е. Афанасьева [Афанасьев, Савенко, Коробов, 2004. С. 80]. Так, согласно созданной модели, для современного ландшафта котловины характерно преобладание на данной территории горной степи с редколесьем, в южной части окна карты имеются зоны хвойного и букового леса, а также субальпийские луга с рододендронниками (рис. 1, а). При моделируемом "возмущении" климата последние исчезают, на смену им приходит небольшая по площади зона субальпийского криволесья (рис. 1, б). Сокращается зона смешанных лесов, сдвигаясь выше в предгорья, их замещает собой горная степь. В целом авторами модели отмечается устойчивость степных ландшафтов, господствующих в Кисловодской котловине на абсолютной высоте ниже 1500 м. Таким образом, ландшафты, казалось бы, не претерпели существенных изменений на протяжении последних полутора тысяч лет. Разумеется, современный ландшафт Кисловодской котловины изобилует лесными массивами, но практически все они имеют искусственный характер. Основные работы по озеленению окрестностей Кисловодска приходились на 1950-1970-е годы. В этом смысле более адекватное представление о ландшафтах эпохи раннего средневековья могут дать старинные фотографии и открытки с видами окрестностей Кисловодска конца XIX - начала XX в. (рис. 2).

Однако если ландшафты не претерпели сильных изменений, то это вряд ли можно сказать о климате. С помощью имеющегося в нашем распоряжении модуля (рис. 3), описанного в упоминаемой выше статье [Афанасьев, Коробов, 2007], мною было сделано 3500 измерений семи климатических переменных, характеризующих температурный, радиационный и влажностный режим для каждого из известных на сегодняшний день 249 укрепленных и неукрепленных поселений эпохи раннего средневековья. Измерения проводились в двух вариантах: в условиях современного климата (табл. 1) и в моделируемых условиях при повышении температуры Мирового океана, которые теоретически соответствуют климатическим условиям эпохи раннего средневековья (табл. 8). Каковы же особенности климатических характеристик разных участков котловины в связи с различным пространственным распределением аланских поселений?

Моделирование современных и "возмущенных" динамических показателей климата. Для современного климата в окрестностях Кисловодска характерны следующие динамические показатели. На протяжении года среднемесячная сумма осадков (рис. 4, а) меняется от минимальной в январе-марте (менее 20 мм) до максимальной в июне (около 130 мм). Далее следует резкий спад до самых минимальных значений в августе и сентябре (менее 10 мм), затем подъем до 45 мм в октябре с последующим постепенным уменьшением количества осадков до минимальных значений к декабрю. Среднемесячная удельная влажность воздуха при этом меняется не столь скачкообразно (рис. 4, б), начиная от значений в 3 г/кг в первые месяцы года, повышаясь постепенно до 9,5 г/кг в середине лета, а затем вновь уменьшаясь примерно до 3 г/кг к осени и зиме. При этом следует отметить, что август и сентябрь характеризуются пониженной влажностью в пределах 4-5 г/кг, которая затем вновь возрастает в октябре до 6 г/кг.

Близким к нормальному является распределение среднемесячных сумм температур воздуха у поверхности земли (рис. 4, в). Начинаясь со значения в 270 с лишним градусов Цельсия в январе, после небольшого похолодания они плавно увеличиваются почти до 295° в августе, который является самым жарким месяцем в году, а затем вновь плавно уменьшаются до 265°. Среднемесячный модуль скорости ветра в современных условиях практически не изменяется в течение года (рис. 4, г), имея около 4,0-4,5 м/с, и лишь в период с апреля по июнь он снижается до 2,5-3,5 м/с.

В модели имеется возможность проследить годовую динамику вышеперечисленных показателей путем их интерполяции на трехмерную поверхность Кисловодской котловины. Характерно, что все изменения погодных условий начинаются в горной зоне и приходят в окрестности Кисловодска с юга, со стороны Большого Кавказского хребта.

Созданная модель микроклимата в Кисловодской котловине позволяет проследить динамику изменения основных климатических характеристик в течение года при изменении глобального климата, характеризуемого повышением температуры Атлантического океана примерно на 0,8°С ("возмущенный" климат). Характерно, что при этом некоторые используемые в модели переменные резко меняются. Так, моделируемые среднемесячные суммы осадков (рис. 5, а) уменьшаются с января по март примерно до 10 мм, а максимальное их количество до 120 мм выпадает в мае, а не в июне, как это происходит сейчас. Затем также следует спад, минимум которого приходится на июль и август (менее 20 мм). Так же как и в настоящее время, следует повышение влажности в октябре, несколько большее по сравнению с современными условиями (свыше 60 мм), а затем вновь наступает уменьшение количества осадков до 20-30 мм.

Среднемесячная удельная влажность воздуха в целом претерпевает незначительные изменения (рис. 5, б), она немного уменьшается. В отличие от современных условий, в начале года она обладает меньшими показателями в 2 г/кг, затем идет резкое нарастание влажности к июню почти до 11 г/кг, что несколько выше современных данных. Впоследствии наступает не менее резкий спад до 5-6 г/кг на протяжении июля-ноября, когда влажность еще более уменьшается, достигая значения чуть более 2 г/кг в декабре месяце.

Среднемесячные суммы температур воздуха у поверхности земли (рис. 5, в), как и в нынешних условиях, имеют близкое к нормальному распределение, колеблясь от 260-270°С в январе-марте, постепенно достигая пика в 295°С в августе и так же постепенно уменьшаясь до 265°С в декабре. Однако в целом климат выглядит более теплым, поскольку значения среднемесячных сумм в 280°С и выше держатся на протяжении шести месяцев (с мая по октябрь включительно), а не пяти (с мая по сентябрь включительно), как это происходит теперь.

Претерпевает изменение и модуль скорости ветра (рис. 5, г). Он имеет максимум в январе (5,5 м/с), затем в следующие четыре месяца держится на уровне 4,1-4,8 м/с, а на протяжении остального года постепенно уменьшается до 3,5-4,1 м/с. В целом погода в моделируемых условиях выглядит более ветреной, чем современная. Следует отметить, что при интерполяции показателей годовой динамики климата на трехмерную модель Кисловодской котловины, так же, как и в современных условиях, основные изменения наступают с южных границ котловины, от Большого Кавказского хребта.

Таким образом, динамические характеристики климата демонстрируют более влажные и теплые климатические условия при "возмущенной" модели по сравнению с современными. Попробуем теперь проследить разницу в моделях современных и "возмущенных" климатических условий для каждого изучаемого поселения эпохи раннего средневековья.

Моделирование современных климатических условий в местах обитания алан. Рассматривая массив в 249 укрепленных и неукрепленных поселений, равномерно распределенных по всей территории Кисловодской котловины, я использовал семь основных климатических переменных, заложенных в модель:

- годовые суммы среднесуточных температур > 10°, °С
- годовая сумма радиационного баланса, гДж/м2
- годовая сумма осадков, мм
- число дней с осадками за год
- число дней со среднесуточной температурой > 10°
- гидротермический коэффициент, мм/°С
- радиационный индекс сухости

С помощью специального многооконного модуля (рис. 3) были произведены вычисления значений каждой из семи перечисленных переменных в тех ячейках карты Кисловодской котловины, в которых находились 249 используемых в работе укрепленных и неукрепленных поселения (табл. 1). Общие статистические характеристики особенностей современного климата приводятся в табл. 2. Здесь мы видим, что в среднем для мест, где обнаружены поселения, в настоящее время характерны годовые суммы среднесуточных температур в 2063°С (медиана 2054,8°), годовая сумма радиационного баланса имеет среднее значение 1,98 гДж/м2 (медиана 2,0 гДж/м2), годовая сумма осадков в 266,5 мм (медиана 257). За год в среднем имеется около 172 дней с осадками (медиана 176) и около 249 дней со среднесуточной температурой выше 10°С (медиана 252). Соотношение осадков и температуры, выраженное в гидротермическом коэффициенте, имеет среднее значение 0,5 мм/°С, а радиационный индекс сухости - значение 3,2 (значения медианы - 0,5 мм/°С и 3,0 соответственно).

Однако очевидно, что эти переменные значительно зависят от пространственного расположения измеряемых ячеек, в которых находятся археологические памятники. Эта наглядно демонстрируют коэффициенты множественной корреляции (табл. 3), рассчитанные для используемых климатических переменных в сочетании с высотой расположения памятника и его координатами в метровом эквиваленте (используется проекция UTM зоны 38 геоида WGS-84). Из таблицы становится очевидной весьма сильная зависимость климатических характеристик от высоты расположения памятника и, в меньшей степени, от его широтного расположения, что также взаимосвязано. В последнем случае высота памятника и его широта имеет обратную зависимость в виде коэффициента корреляции -0,609, поскольку при увеличении высоты расположения памятника с севера на юг уменьшается величина широты в метрах, которая считается от экватора.

Очень высокие, близкие к единице, коэффициенты корреляции у годовых сумм среднесуточных температур выше 10°С, радиационного баланса и осадков, а также количества дней со среднесуточной температурой выше 10°С. При этом, первый и последний показатели имеют высокие отрицательные коэффициенты (-0,927 и -0,916), то есть чем выше расположено поселение, тем холоднее климат. А радиационный баланс (количество солнечной радиации) и количество осадков в этой части котловины больше (коэффициенты корреляции 0,905 и 0,899).

Меньшие по своей силе, но все же значимые связи отмечаются для взаимозависимости высоты расположения памятников и гидротермического коэффициента (коэффициент корреляции 0,688), а также радиационного индекса сухости (-0,767), то есть в более высоких участках котловины наблюдается более высокая влажность и меньшая сухость, что уже отмечалось выше по данным других используемых показателей. Практически никак не связан с высотой расположения памятников показатель количества дней с осадками, выпадающими в течение года.

Имеются зависимости климатических характеристик между собой, порой весьма сильные. Так, показатель годовых сумм среднесуточных температур выше 10°С имеет сильные отрицательные связи с годовыми суммами радиационного баланса и осадков (-0,972 и -0,919), а также связанным с ними гидротермическим коэффициентом (-0,767), и положительные связи с числом дней с температурой выше 10°С (0,962) и радиационным индексом сухости (0,779). Эти связи демонстрируют очевидные особенности современных климатических условий, когда более теплые участки котловины имеют меньшую влажность и большую сухость, но при этом получают меньшее количество солнечной радиации.

Показатель годовой суммы радиационного баланса, в свою очередь, имеет сильные положительные связи с количеством осадков и гидротермическим коэффициентом (коэффициенты корреляции 0,904 и 0,747) и отрицательные - с числом дней со среднесуточной температурой выше 10°С и радиационным индексом сухости (-0,955 и -0,758). Можно констатировать, что в тех участках Кисловодской котловины, где выше количество солнечной радиации (а это верхняя ее часть) в целом холоднее и выпадает больше осадков.

Показатель годовых сумм осадков имеет сильные отрицательные связи с показателями количества дней с температурой выше 10°С (-0,935) и радиационным индексом сухости (-0,880), что очевидно. Достаточно высокая положительная связь наблюдается со связанным с показателями влажности гидротермическим коэффициентом (0,651). Наконец, показатель числа дней со среднесуточной температурой выше 10°С имеет обратную зависимость от гидротермического коэффициента и прямую от радиационного индекса сухости (-0,681 и 0,759), а гидротермический коэффициент имеет обратную зависимость от последнего (-0,648). Все эти наблюдения подтверждают прежние - участки котловины с более теплым климатом являются и менее влажными. Примечательно, что показатель числа дней с осадками за год не связан ни с одним из используемых в анализе.

Представляется возможным применить кластерный анализ для группировки поселений со схожими климатическими особенностями в современных условиях. Данная работа уже выполнялась Г.Е. Афанасьевым для нескольких укреплений долины Аликоновки и Эшкакона, выбранных в качестве эталонных [Афанасьев, Савенко, Коробов, 2004. С. 81-84; Афанасьев, Коробов, 2007]. Подобный анализ позволил автору сравнить между собой климатические параметры разных участков котловины, характерные для современности и для моделируемых условий эпохи раннего средневековья, и прийти к весьма любопытным выводам. Мне же кажется необходимым проделать эту работу на всем имеющемся в нашем распоряжении материале по аланским раннесредневековым поселениям.

Таким образом, кластеризации подвергалось 249 памятников, описанных по пяти первым из используемых признаков (годовые суммы среднесуточных температур выше 10°С, годовая сумма радиационного баланса, годовая сумма осадков, число дней с осадками за год и число дней со среднесуточной температурой выше 10°С). Два последних показателя (гидротермический коэффициент и радиационный индекс сухости) не использовались в анализе, поскольку они являются производными от предыдущих. Использовался метод сводимых окрестностей путем вычисления Евклидова расстояния (минимальным приращением второго момента разбиения), для анализа применялась компьютерная программа DATASCOPE. В результате на расстоянии между объектами примерно в 108,87 единиц иерархическое дерево было разделено на четыре кластера (рис. 6). Данные о статистических характеристиках каждого из них сведены в табл. 4-5 и 6-7. Помимо использованных в анализе характеристик, были построены графики Box-and-Whisker Plot, позволяющие наглядно продемонстрировать разницу всех семи анализируемых климатических переменных у поселений, отнесенных к разным кластерам. Осуществлялось также картографирование результатов кластерного анализа по всем переменным с помощью ГИС (рис. 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13).

Итак, для памятников, отнесенных к первому кластеру (табл. 4; 42 поселения) характерны высокие значения годовой суммы среднесуточных температур выше 10°С (среднее 2172,85°, медиана 2143,60°) и годовой суммы радиационного баланса (среднее 1,90 гДж/м2, медиана 1,92 гДж/м2), достаточно высокая годовая сумма осадков в среднем 232 мм (медиана 236 мм). Для кластера характерно большое число дней в году со среднесуточной температурой выше 10°С (252 дня) и относительно большое количество дней с осадками за год (в среднем 174 дня, медиана 182 дня). Памятники, объединенные в этот кластер, находятся в основном в нижней части котловины на высотах от 920 до 1220 м, в большинстве своем в интервале от 900 до 1100 м; все они характеризуются достаточно теплыми и относительно влажными климатическими условиями.

Значительно отличаются от предыдущих в сторону более холодного и влажного климата поселения, объединившиеся во второй кластер (табл. 5; 74 памятника). Для этих поселений характерны средние значения годовой суммы среднесуточных температур выше 10°С - 1953,75°С (медиана 1962,4°С), а годовой суммы осадков - 288 мм (медиана 296 мм). При этом количество солнечной радиации в этих местах больше по сравнению с предыдущим: среднее значение годовой суммы радиационного баланса в местах поселений данного кластера составляет 2,06 гДж/м2 (медиана 2,04 гДж/м2). На более прохладный климат указывает также меньшее число теплых дней в году - в среднем их количество равно 248. Число дней с осадками адекватно аналогичному показателю у поселений других кластеров (в среднем 170 дней, медиана - 174 дня). Поселения этого кластера обнаружены на абсолютных высотах от 890 до 1340 м, но большинство из них (52 из 74) лежат в интервале от 1000 до 1200 м над уровнем моря.

Показатели современного климата, характерные для поселений третьего кластера (табл. 6; 81 поселение) имеют ряд небольших отличий от первого. В целом климатические условия в этих местах заселения более теплые и менее солнечные и влажные по сравнению с ними: годовая сумма среднесуточных температур выше 10°С в среднем составляет 2390°С (медиана 2362,6°), годовая сумма радиационного баланса - 1,77 гДж/м2 (медиана 1,79 гДж/м2). Годовая сумма осадков в среднем равняется 193,3 мм (медиана 194 мм), а число дней с осадками за год - 173 дня (177 дней - значение медианы). Примерно адекватно поселениям, объединенным в первый кластер, число теплых дней в году - их в третьем кластере в среднем 256. Примечательно, что все поселения, объединившиеся в третий кластер, расположены на абсолютных высотах от 700 до 970 м, т.е. в самой нижней части Кисловодской котловины.

Еще более холодный и влажный климат в современных условиях наблюдается для мест обитания, объединенных в четвертый кластер (табл. 7; 52 поселения). Здесь годовая сумма среднесуточных температур выше 10°С составляет в среднем 1621°С (медиана 1658°С), а число дней со среднесуточной температурой выше 10°С - 237 (медиана 239); годовая сумма осадков равняется 378 мм (медиана 359 мм). При этом радиационный баланс наивысший по сравнению с поселениями других кластеров - 2,29 гДж/м2 (медиана 2,26 гДж/м2), а количество дней с осадками наименьшее (в среднем 169 дней в году). Поселения данного кластера были найдены на абсолютной высоте от 1025 до 1665 м, но большинство из них (40 из 52) лежит в области выше 1200 м над уровнем моря.

Полученное деление климатических характеристик мест обитания раннесредневекового населения на кластеры подтверждается при сравнении всех семи используемых в модели переменных, проведенном с помощью процедуры Box-and-Whisker Plot (использовалась компьютерная программа Statistica'99), а также их тематическим картографированием. Весьма четкую картину различий годовых сумм среднесуточных температур выше 10°С (рис. 7), годовых сумм радиационного баланса (рис. 8), годовых сумм осадков (рис. 9), числа дней со среднесуточной температурой выше 10°С (рис. 11) демонстрируют поселения всех четырех выделенных кластеров. При этом, как очевидно из построенных карт, каждая используемая переменная имеет различное пространственное распространение в зависимости от своих значений, которые повлияли на отнесение того или иного поселения к разным кластерам. Лишь одна климатическая характеристика - среднее число дней с осадками за год - имеет приблизительно одни и те же значения у поселений, отнесенных к разным кластерам, что очевидно и при компьютерном картографировании (рис. 10). Интересно отметить, что не использованные в кластерном анализе переменные - гидротермический коэффициент (рис. 12) и радиационный индекс сухости (рис. 13) имеют очень близкие значения у поселений первого и третьего кластера и у второго и четвертого кластера.

Итогом проведенных анализов стала карта распространения климатических характеристик, характерных для выделенных четырех кластеров поселений, построенная с помощью процедуры Inverse Distance Weighted модуля ГИС Spatial Analyst (рис. 14). Для выделения ареалов распространения памятников, отнесенных к разным кластерам, вокруг каждого поселения строился буфер в 3 км, а результаты классифицировались разными цветами по четырем интервалам. В результате были выделены зоны распространения памятников каждого из четырех кластеров. Однако полученная картина не представляется легко интерпретируемой.

Выше уже упоминалось, что климатические характеристики поселений первого и третьего кластера весьма близки, равно как и второго и четвертого (они объединяются в два больших кластера на построенном иерархическом дереве - рис. 6). Для получения более четкого деления поселений по особенностям современных климатических условий было решено провести их объединение в две большие группы. В первую группу вошло 123 поселения с более теплыми, менее влажными и солнечными условиями обитания (кластеры 1 и 3), расположенные в нижней части Кисловодской котловины на высотах от 700 до 1220 м. Очевидно, что некой географической границей распространения ареала данных климатических характеристик в современных условиях является горизонталь в 1020 м над уровнем моря, выделенная на карте (рис. 15), ниже которой в большинстве своем распространены памятники первой группы (107 из 123).

Во вторую группу объединились поселения, отнесенные ко второму и четвертому кластерам, для которых характерен более холодный и влажный, но и более солнечный климат (126 поселений). Эти поселения лежат в большинстве своем выше отмеченной границы в 1020 м, всего лишь 7 из 126 памятников найдены на высоте от 890 до 1010 м.

Таковы проанализированные тенденции современных климатических условий тех мест, в которых были обнаружены поселения алан эпохи раннего средневековья. Однако у нас есть все основания полагать, что в ту эпоху климат был несколько иным. Обратимся к моделированию климатических условий этой поры, названной в модели "возмущенным" климатом, и попытаемся проследить их характерные особенности.

Моделирование "возмущенных" климатических условий в местах обитания алан. Как и при анализе современного климата, были просчитаны характеристики для его моделируемого возмущения при небольшом поднятии температуры Атлантического океана (табл. 8). Использовались те же перечисленные выше семь переменных, основные статистические характеристики которых для всей анализируемой совокупности в 249 поселений приведены в табл. 9. Из таблицы становится очевидным, что, по сравнению с современными условиями, моделируемый климат претерпевает серьезные изменения. Так, годовые суммы среднесуточных температур выше 10°С в среднем имеют 2537°С, что почти на 500°С превышает аналогичные современные показатели. Годовая сумма радиационного баланса составляет в среднем 1,93 гДж/м2, что близко к современному (1,98 гДж/м2). Несколько бóльшим выглядит показатель годовых сумм выпадающих осадков. Он равен в среднем 301 мм (медиана 280 мм; в современных условиях эти значения составляют 266,5 и 257 мм соответственно). Количество теплых дней и дней с осадками за год соответствует современным условиям (в среднем 257 и 169 дней соответственно). Несколько меньшее в среднем значение отмечается для соотношения влажности и температуры - гидротермический коэффициент в условиях "возмущенного" климата равняется 0,35 мм/°С (медиана 0,4 мм/°С), тогда как в настоящее время он равен в среднем 0,5 мм/°С. Это говорит о большей влажности моделируемого климата, о чем свидетельствует также меньшее значение радиационного индекса сухости в 2,66 в среднем (медиана 2,7; в современных условиях 3,0-3,2).

Таким образом, налицо изменения климата в сторону существенного потепления и бóльшего увлажнения по сравнению с современным. Как и в случае с современным климатом, анализируемые переменные имеют весьма сильные положительные и отрицательные связи друг с другом, что выражается в коэффициентах множественной корреляции, значения которых помещены в табл. 10. Прослеживаются те же тенденции зависимости температурного и влажностного режима от высотного расположения памятника - чем выше находится поселение, тем более холодный и влажный климат господствует в данной местности. Интересно отметить, что в отличие от современных условий, практически ни с одной переменной не связан гидротермический коэффициент. Показатель количества дней с осадками также имеет слабые связи с остальными используемыми климатическими характеристиками.

Для более детального изучения картины климатических изменений в котловине был проведен кластерный анализ с использованием тех же переменных (годовые суммы среднесуточных температур выше 10°С, годовая сумма радиационного баланса, годовая сумма осадков, число дней с осадками за год и число дней со среднесуточной температурой выше 10°) и того же метода (метод сводимых окрестностей путем вычисления Евклидова расстояния минимальным приращением второго момента разбиения), что и при анализе современного климата. В результате на том же расстоянии между объектами примерно в 108,87 единиц иерархическое дерево было разделено на четыре кластера (рис. 16).

В первый кластер вошли 64 поселения, которые характеризуются следующими климатическими показателями (табл. 11): годовые суммы среднесуточных температур выше 10°С равны в среднем 2395°С (медиана 2402,8°С), годовая сумма радиационного баланса составляет в среднем 2,0 гДж/м2, а годовая сумма осадков - 324-325 мм. Число дней с осадками за год равно 169, а число дней со среднесуточной температурой выше 10°С - 254-255. Памятники данного кластера обнаружены на абсолютной высоте от 890 до 1350 м над уровнем моря, но большинство из них (59 из 64) лежит выше 1000 м.

Поселения, вошедшие во второй кластер, имеют весьма отличающиеся характеристики "возмущенного" климата (табл. 12; 48 поселений). В целом очевидно, что климат в этих местах более теплый и менее влажный. Так, среднее значение годовой суммы среднесуточных температур выше 10°С составляет 2917°С (медиана 2906°С), а число теплых дней - 268. Годовая сумма осадков имеет в среднем 220 мм (медиана 227 мм), число же дней с осадками за год равно 162-164. Характерно меньшее количество солнечной радиации, получаемое в этих местах, - среднее значение и медиана годовой суммы радиационного баланса составляет 1,67 гДж/м2. Все поселения, объединенные во второй кластер, находятся в нижней части Кисловодской котловины на абсолютных высотах от 700 до 960 м над уровнем моря.

Не сильно отличаются от предыдущего климатические характеристики поселений третьего кластера (табл. 13; 84 поселения). Они расположены в местах с несколько более прохладным и влажным климатом: годовые суммы среднесуточных температур выше 10°С составляют в среднем 2688°С (медиана 2713°С), годовая сумма осадков равна в среднем 260 мм (медиана 258 мм), а число дней с осадками в году равняется 169-170. Близко к вышеописанному среднее значение количества теплых дней в году (261-264 дня), но несколько больше среднее значение годовой суммы радиационного баланса (1,80 гДж/м2; медиана 1,76 гДж/м2). Поселения данного кластера находятся несколько выше по абсолютным отметкам, чем предыдущего (от 750 до 1220 м), причем большинство из них (78 из 84) расположено ниже 1100 м над уровнем моря.

Наконец, четвертый кластер объединяет 53 поселения, находящиеся в местах с наиболее холодным и влажным климатом (табл. 14). Для них характерны наименьшие средние значения годовой суммы среднесуточных температур (2125°С; медиана 2170°С) и количества теплых дней в году (243-246 дней), а также наибольшее количество осадков (391-409 мм в год) и солнечной радиации (2,22-2,25 гДж/м2). Число дней с осадками в году примерно то же, что и на поселениях других кластеров (169-173 дня). Очевидно, что перед нами памятники верхней части Кисловодской котловины - они все лежат на высоте более 1025 м, причем большинство из них (39 из 53) - более 1200 м.

Проведенный таким образом кластерный анализ позволяет уверенно выделить четыре группы поселений, для каждой из которых характерны свои климатические особенности. Это наглядно демонстрирует серия карт построенных при помощи ГИС и демонстрирующих количественное распределение всех используемых переменных по выделенным четырем кластерам в сопровождении сравнительного анализа каждой переменной, осуществленного с помощью процедуры Box-and-Whisker Plot. Построенные карты и графики показывают существенную разницу годовых сумм среднесуточных температур выше 10°С (рис. 17), годовых сумм радиационного баланса (рис. 18), годовых сумм осадков (рис. 19), числа дней со среднесуточной температурой выше 10°С (рис. 21) и радиационного индекса сухости (рис. 23). Лишь две переменные - среднее число дней с осадками за год (рис. 20) и гидротермический коэффициент (рис. 22) - не имеют существенных отличий у поселений, относящихся к разным кластерам. По результатам кластерного деления укрепленных и неукрепленных поселений была построена ареальная карта, где с помощью вышеупомянутой процедуры Inverse Distance Weighted картографированы зоны распространения поселений разных кластеров.

Надо признать, что деление поселений на четыре группы по характеристикам "возмущенного" климата дает еще более расплывчатую картину, чем аналогичная процедура сравнения современных климатических условий (рис. 24). Поэтому, как и при анализе последних, было произведено объединение кластеров в две группы (соответственно их расположению на иерархическом дереве на рис. 16). В первую вошли поселения нижней части Кисловодской котловины (132 памятника), для которых характерны более теплые и менее влажные и солнечные условия обитания, во вторую - 117 объектов, расположенных в верхней части изучаемой территории, где условия проживания более холодные, влажные и солнечные (рис. 25).

Интересно отметить, что при сравнении с современными климатическими условиями, моделируемая зона нижних поселений с более благоприятным климатом сместилась выше приблизительно на 60 м, поскольку граница между двумя зонами проходит примерно по горизонтали в 1080 м над уровнем моря, что отмечено на карте. Таким образом, налицо наличие также двух основных зон обитания алан в Кисловодской котловине, моделируемых для раннего средневековья. Каковы же различия между этими зонами в современную эпоху и при построении модели "возмущенного" климата?

Сопоставление двух моделей климата. Для того чтобы проследить различия параметров двух моделей климата, характерных для двух высотных зон обитания в Кисловодской котловине, была проведена их сравнительная характеристика с помощью процедуры Box-and-Whisker Plot. В данном случае анализировалась совокупность из 498 объектов, каждый из которых относился к нижней части Кисловодской котловины (1s) или к верхней ее части (2s) в современных условиях, а также к нижней части (1v) или к верхней части котловины (2v) в моделируемых условиях "возмущенного" климата.

Наиболее примечательным является различие в температурном режиме: годовые суммы среднесуточных температур больше 10°С имеют весьма характерное распределение (рис. 26, а). Из построенного графика с очевидностью следует, что современные температурные характеристики нижней части Кисловодской котловины (1s на графике) полностью совпадают с аналогичными параметрами "возмущенного" климата, но характерными для верхней ее части (2v). Это означает, что при моделируемом для эпохи раннего средневековья климате в тех регионах Кисловодской котловины, где сейчас относительно холодно, было гораздо теплее, примерно так же, как теперь в нижней части котловины, на высоте ниже 1020 м. Данное наблюдение было впервые сделано Г.Е. Афанасьевым при сравнительном анализе климатических характеристик нескольких укрепленных поселений долины Аликоновки и Эшкакона [Афанасьев, Савенко, Коробов, 2004. С. 82-84], что теперь полностью подтверждается на более широких материалах и с привлечением иных статистических процедур. Наибольшая значимость данного наблюдения заключается в том, что при "возмущенной" климатической модели в верхней части Кисловодской котловины имеются все условия для занятия земледелием и огородничеством, как это практикуется теперь в нижней ее части, а не только выпасом скота и заготовками кормов, как это наблюдается в настоящее время. При этом в нижней части котловины в условиях "возмущенного" климата должно было быть гораздо жарче, чем сейчас.

Данное наблюдение за температурным режимом подтверждается и при анализе числа теплых дней в году (рис. 27, а), которые также имеют одинаковые значения для современных климатических условий нижней зоны и для "возмущенных" верхней. Годовая сумма радиационного баланса (рис. 26, б) и сумма осадков (рис. 26, в), по-видимому, не претерпели серьезных изменений - сравнение их современных и моделируемых значений адекватно для двух высотных зон. Число дней с осадками за год вообще практически не отличается у всех четырех анализируемых групп памятников (рис. 26, г).

Интересна разница значений гидротермического коэффициента, который в настоящее время несколько более высок в верхней части котловины и абсолютно совпадает в нижней части с моделируемым коэффициентом для обеих зон в раннем средневековье (рис. 27, б). Это может говорить о том, что соотношение температуры и влажности в этих условиях не различалось в верхней и нижней части изучаемого региона и было похоже на современное, характерное для нижних территорий окрестностей Кисловодска. Это следует и из сравнения радиационного индекса сухости, характерного для двух моделей (рис. 27, в). Так, современный климат в верхней части котловины можно назвать менее сухим и похожим на моделируемый "возмущенный" климат как в верхней, так и в нижней ее части. В настоящее время в нижней части котловины климат более засушлив, чем при моделируемых условиях эпохи раннего средневековья.

Проведенное таким образом палеоклиматическое моделирование позволяет сделать важное предположение о том, что для населения Кисловодской котловины в эпоху раннего средневековья характерно расселение в таких местах, где климатические условия позволяли заниматься земледелием помимо скотоводства. Данное предположение подтверждается нахождением в этой зоне (900-1500 м над уровнем моря) участков древнего террасного земледелия [Афанасьев, Савенко, Коробов, 2004. С. 75], причем даже в тех местах, где в настоящее время никакого земледельческого хозяйства не ведется.

Заключение. Анализ современных и моделируемых для эпохи раннего средневековья климатических особенностей Кисловодской котловины позволяет с помощью методов многомерной статистики и ГИС прийти к однозначному выводу о существовании двух основных зон обитания с несколько разным климатом. В настоящее время это зона в нижней части котловины (ниже 1020 м над уровнем моря), где условия обитания более теплые и менее влажные, и верхняя ее часть, где наблюдается большее количество осадков и солнечной радиации и меньшие температуры. Проведенное моделирование "возмущенного" климата при искусственном завышении температуры Атлантического океана примерно на 0,8°С приводит к существенным изменениям как в ареале распространения климатических зон, так и в их характеристиках. Моделируемые климатические изменения (с весьма большой долей вероятности соответствующие раннесредневековым условиям обитания) приводят к перемещению благоприятных условий для проживания выше по предгорьям. Так, граница между нижней частью котловины с более жарким, чем сейчас, и примерно таким же по влажности климатом проходит уже по горизонтали в 1080 м. А верхняя часть котловины при моделируемых условиях отличается таким же теплым климатом, как современная нижняя ее часть, и в целом более влажным. Основное наблюдение, сделанное в процессе данного исследования, подтверждает высказанное ранее Г.Е. Афанасьевым предположение, что для населения Кисловодской котловины в эпоху раннего средневековья характерно расселение в таких местах, где климатические условия позволяли заниматься земледелием помимо скотоводства.

Литература

Арсанукаев Р.Д., 2002. Вайнахи и аланы. Баку. назад

Афанасьев Г.Е., Кислов А.В., Чернышев А.В., 2002. К проблеме террасного земледелия на Северном Кавказе (новые методические подходы) // OPUS. №№ 1-2. назад

Афанасьев Г.Е., Коробов Д.С., 2007. Использование ГИС в изучении системы расселения и выделении зон биопродуктивности в VII-XII вв. на Северном Кавказе // Археология и геоинформатика. Вып. 4. [Электронный ресурс]. М., CD-ROM. назад

Афанасьев Г.Е., Савенко С.Н., Коробов Д.С., 2004. Древности Кисловодской котловины. М. назад

Бараш С.И., 1989. История неурожаев и погоды в Европе (по XVI в. н.э.). М. назад

Болиховская Н.С., Горлов Ю.В., Кайтамба М.Д., Мюллер К., Поротов А.В., Парунин О.Б., Фуаш Э., 2002. Изменения ландшафтно-климатических условий Таманского полуострова на протяжении последних 6000 лет // Проблемы истории, филологии, культуры. Вып. XII. М.-Магнитогорск. назад

Гумилев Л.Н., 1964. Хазария и Каспий // Вестник Ленинградского ун-та. № 6. Вып. I. назад

Спиридонова Е.А., 2001. Заключение по результатам палинологического анализа // Рукописный вариант подготовлен для группы АГИС Отдела охранных раскопок ИА РАН. назад

Briffa K.R. Trees as indicators of climate change // Internet назад

Schmidt B., Gruhle W., 2003. Klimaextreme in römischer Zeit. Eine Strukturanalyse dendrochronologischer Daten // Archäologisches Korrespondenzblatt. 33. Heft 2. Mainz. назад