Характеристика климатов Западной Сибири при помощи криоклиматического показателя

Характеристика климатов Западной Сибири при помощи криоклиматического показателя

Исследованиями теплоэнергетических ресурсов климата Тк и теплоэнергетических ресурсов процесса суммарного испарения Тг, разработкой теоретических основ балансовых расчетов в данной области в разное время занимались Будыко М. И. [1; 2; 3], Мезенцев В. С. [4; 5; 6], Карнацевич И. В. [7; 8], Тусупбеков Ж. А. [9]. Карнацевичем И. В. [7; 8] предложены теоретические основы для теплобалансовых расчетов в умеренных и высоких широтах с учетом затрат Ткр части теплоэнергетических ресурсов климата на сезонные процессы нагревания и протаивания мерзлых грунтов весной. Часть территории суши с сезонным и многолетним промерзанием грунтов (криолитозона) имеют особенную структуру радиационного и теплового баланса. Это было доказано Карнацевичем И. В. [10−17] на многочисленных примерах (Сибирь, Антарктида, Гренландия, Северная Америка, Северная Европа). В связи с этим Карнацевичем И. В. предложено деление территории суши на теплые страны, где величина теплоэнергетических ресурсов климата совпадает с величиной теплоэнергетических ресурсов процесса суммарного испарения, и холодные страны с сезонным или постоянным промерзанием деятельного слоя почвогрунта, где часть теплоэнергетических ресурсов климата тратится на сезонные процессы нагревания и протаивания в мерзлых грунтах, таяния снега и льда, а теплоресурсы испарения не равны теплоресурсам климата. Данный принципиально новый подход к оценке теплоэнергетических ресурсов испарения позволил объяснить многие противоречивые результаты традиционного подхода М. И. Будыко к теплобалансовым расчетам для территорий, расположенных в высоких широтах. История развития методики теплобалансовых расчетов и вклад омских ученых-гидрологов в изучение закономерностей расходования теплоэнергетических ресурсов климата описаны в [18].

Анализ уравнений радиационного и теплового балансов, а также структуры теплоэнергетических ресурсов климата в низких и высоких широтах показывает, что поле теплосодержания деятельного слоя коры планеты более достоверно определяется не величиной радиационного баланса И/год (по Будыко М.И.), а величиной Тк (по Мезенцеву В. С. и Карнацевичу В.С.). При этом в холодных странах (в высоких широтах) процесс суммарного испарения обеспечивается за счет теплоэнергетических ресурсов климата за вычетом затрат Ткр.

Структура теплоэнергетических ресурсов климата в работах [4−7] представлена уравнением:

Тк = И+ + Р+ (1).

Коротковолновая составляющая И+ годовых ТЭР климата в пределах Западной Сибири изменяется субширотно, а ее значения увеличиваются от 1100 МДж/м² на побережьях Ямала, Гыданского полуострова до 2000;2500 МДж/м² на юге Западной Сибири. Величина Р+ представляет собой вертикальную составляющую горизонтального переноса тепловой энергии воздушными массами над поверхностью Земли. В Арктике зимой в среднем приблизительно 1 раз в 5 суток при прохождении циклонов происходит повышение температур воздуха и подстилающей поверхности. За счет этого средняя за зиму величина Р+ достигает на архипелагах Северного Ледовитого океана вблизи побережья Евразии 300 МДж/м², на Арктическом побережье Карского моря — 100−200 МДж/м². В глубине материка, куда теплые воздушные массы не проникают из-за влияния Азиатского антициклона зимой, приток тепловой энергии от атмосферы не превышает 20 МДж/м², то есть практически отсутствует. Территориальные пределы обогревающего влияния океанов ограничены изолинией Р+=0, охватывающей центральные континентальные районы Евразии, наиболее удаленные от Атлантики [19]. Хотя в отдельные годы влияние Атлантики значительно сказывается и на районах с резко континентальным климатом в юго-восточной части Западной Сибири.

Данные исследования базируются на анализе радиационной функции (графика прихода солнечной радиации по часам, суткам, месяцам, сезонам конкретных лет и среднего года) для актинометрических станций и на территориальном обобщении полученных результатов с помощью изолиний радиационных балансовых характеристик и коэффициентов.

При анализе полной суммарной кривой радиационной функции прихода солнечной радиации по суточным и внутригодовым интервалам, согласно [7], выделяются радиационно-светлый и радиационно-темный периоды суток и года. Радиационно-светлый период соответствует периоду с положительными значениями величины измеренного радиационного баланса. Радиационно-темный период соответствует времени наблюдения отрицательных значений величины измеренного радиационного баланса. Карнацевичем И. В. отмечено, что в условиях криолитозоны в радиационно-темный сезон теплосодержание деятельного слоя почвогрунтов уменьшается и отток тепла от поверхности снежного покрова превышает поступление солнечной коротковолновой радиации. Теплоэнергетические ресурсы радиационно-темного времени года будут состоять из величины Р⁺, то есть из вертикальной составляющей горизонтального переноса тепловой энергии воздушными массами над поверхностью Земли. Адвективная составляющая теплоэнергетических ресурсов климата радиационно-темного времени сезона Р⁺ обеспечивает процессы испарения зимой в высоких широтах.

Доля Р+ в структуре Тк называется коэффициентом адвекции климата.

Њadv = Р+/Т_к.

Данная величина может быть использована для анализа тепловой адвекции при характеристике климатических условий территории Западной Сибири [19], где радиационно-темный сезон с отрицательными величинами суточных радиационных балансов имеет значительную продолжительность. На севере Западной Сибири данная величина составляет 0,15…0,10, а на юге снижается практически до 0,00, отражая возрастающую степень континентальнсти климатических условий и уменьшение степени адвективности климата в юго-восточной части Западно-Сибирской равнины.

Карнацевичем И.В., Тусупбековым Ж. А. [13; 15] в качестве количественной климатической характеристики также предложено использовать величину криоклиматического коэффициента укр=(Тк-Тг)/Тк. Затраты теплоэнергетических ресурсов на криогенные процессы нагревания и протаивания мерзлых почвогрунтов, таяние снега в весенний период Ткр в условиях Западной Сибири значительны. Их величина зависит от глубины промерзания грунтов, влажности почвы в предзимний период, высоты снежного покрова и достаточно просто вычисляется с использованием величин удельной теплоты плавления льда. Исходные параметры для расчета можно получить из агро-климатических справочников. Оценочные данные величины укр по территории Западной Сибири представлены в таблице 1. Анализ территориальных закономерностей величины данного коэффициента показывает, что доля криоклиматических затрат в структуре энергоресурсов климата должна уменьшаться от полярных широт к умеренным широтам из-за снижения суровости климата и увеличения абсолютных величин климатических энергоресурсов Тк.

Рис. 1 Территориальное распределение криоклиматического коэффициента

Таблица 1. Элементы радиационного и теплового балансов, характеристики увлажнения и климатические коэффициенты для территории Западной Сибири в средний год.

В таблице 1 Zm — водный эквивалент в мм/год теплоэнергетических ресурсов процесса испарения Tz, КХ — сумма атмосферных осадков с учетом стандартных исправлений мм/год, ркх= КХ^т — коэффициент увлажнения текрритории. Представленная методика выполнения расчетов элементов теплового и водного баланса для земной поверхности была применена в расчетах теплоэнергетических и криоклиматических характеристик для 238 метеостанций Западной Сибири. Для расчетов за внутригодовые интервалы времени (по месяцам и сезонам) использован метод гидрологоклиматических расчетов [4−6] и компьютерная программа в среде VBA EXCEL.

Закономерности изменения с севера на юг Западной Сибири теплоэнергетических характеристик климата и криоклиматического коэффициента хорошо видны в таблице 1. На рис. 1 представлена карта изолиний криоклиматического коэффициента, построенная с использованием ГИС MapInfo. Карта коэффициента адвекции a_dv как показателя адвективности климата Западной Сибири, а также анализ территориального распределения данной величины приведены в [19]. До использования данной методики оценка степени криогенности климата и вообще описание климатов с точки зрения энергетического и балансового подхода при помощи криоклиматических показателей и показателей адвекции тепла не выполнялись. Хотя данные количественные показатели, полученные на основе анализа природных процессов и отражающие глубинную суть происходящих в природе процессов тепловлагооборота, несомненно составляют определенный интерес для климатологии. Современная классификация климатов производится с учетом преобладания зональных типов воздушных масс над территорией по сезонам. Внутри климатических поясов выделяются климатические области (сектора), связанные со степенью континентальности климата и особенностями циркуляции воздушных масс внутри климатического пояса. Обычно описание климатов выполняется в табличной форме с приложением карт территориального распределения климатических показателей.

Далее приводится климатическое районирование территории Западной Сибири с учетом таких структурных количественных показателей, как криоклиматический коэффициент и коэффициент адвективности климата.

Таблица 2. Характеристика климатов Западной Сибири с учетом дополнительных климатических показателей.

Климатическое районирование, учитывающее криоклиматический показатель и коэффициент адвективности климата позволяют более подробно характеризовать климатические различия и объяснять их причины. Так, наличие обогревающего влияния Атлантики в климате Западной Сибири более всего проявляется в северо-западной части умеренного климатического пояса, где выделяется область умеренно-континентального климата, а не в южных районах, где наоборот возрастает степень континентальности климата и уменьшается величина показателя адвекции. Длительный характер залегания снежного покрова и большие глубины промерзания деятельного слоя даже в условиях юга Западной Сибири определяют повсеместно достаточно высокую степень криогенности климата. В целом территориальное распределение криоклиматического коэффициента подчиняется закону географической широтной зональности, и данная величина убывает с севера на юг от 0,5 до 0,1, что говорит об уменьшении влияния криогенных условий на климат.

Библиография

климат криоклиматический тепловой сезонный.

• 1. Будыко М. И. Тепловой баланс земной поверхности. — Л.: Гидрометеоиздат, 1956. — 255 с.
• 2. Будыко М. И. Испарение в естественных условиях. — Л.: Гидрометеоиздат, 1948. — 136 с.
• 3. Будыко М. И. Атлас «Тепловой баланс Земли». — Л.: Гидрометеоиздат, 1978.
• 4. Мезенцев В. С. Метод гидролого-климатических расчетов и опыт его применения для районирования Западно-Сибирской равнины по признакам увлажнения и теплообеспеченности // Труды Омск.с.-х. ин-т. — 1957. — Т. 27.
• 5. Мезенцев В. С., Карнацевич И. В. Увлажненность Западно-Сибирской равнины. — Л., Гидрометеоиздат, 1969. — 168 с.
• 6. Мезенцев В. С. Гидролого-климатические основы проектирования гидромелиораций: Учебное пособие. Омск, 1993. — 128 с.
• 7. Карнацевич И. В. Расчеты тепловых и водных ресурсов малых речных водосборов на территории Сибири.Ч.1.Теплоэнергетические ресурсы климата и климатических процессов. — Омск: Изд-во ОмСХИ, 1989. — 76 с.
• 8. Карнацевич И. В. Расчеты тепловых и водных ресурсов малых речных водосборов на территории Сибири.Ч.11. — Омск: Изд-во ОмСХИ. 1991. — 82 с.
• 9. Карнацевич И. В., Тусупбеков Ж. А. Теплоэнергетические и водные ресурсы водосборов на территории Сибири: Учеб.пособие. — Омск: Изд-во ОмГАУ. 2002. — 60 с.
• 10. Карнацевич И. В. Теплоэнергетические ресурсы радиационных сезонов в условиях криолитозоны // Метеорология, климатология и гидрология. 1991. № 27. С. 81−89.
• 11. Карнацевич И. В. Коротковолновая составляющая теплоэнергетических ресурсов климатических процессов на территории СССР // География и природные ресурсы. — 1991. — № 1. — С. 118−123.
• 12. Карнацевич И. В. Теплоэнергетические ресурсы зимнего периода на территориях полярных стран и Сибири // География и природные ресурсы. — 1992. — № 4. — С. 167−169.
• 13. Карнацевич И. В., Тусупбеков Ж. А. Криоклиматическая характеристика Евразии // География и природные ресурсы. № 2. 1994. — С. 176−178.
• 14. Карнацевич И. В. Энергетические ресурсы земной поверхности в холодных странах // Известия РГО, 1995. Т. 127. Вып. 6. С. 10−17.
• 15. Карнацевич И. В., Тусупбеков Ж. А. Карта криоклиматической характеристики территории Евразии. // Изв. РГО. 1996. Т. 128. Вып. 3. С. 64−65.
• 16. Карнацевич И. В. Теплоэнергетические ресурсы климатов Антарктиды // Водохозяйственные проблемы освоения Сибири: Сб. научных трудов Омского госагроуниверситета. Омск. 1996. С. 28−35.
• 17. Карнацевич И. В. Теплоэнергетические ресурсы климатов Северной Америки // Изв. РГО. Т. 134. Вып. 3. 2002. С. 35−39.
• 18. Мезенцева О. В., Аблова И. М., Балошенко В. И. Вклад сибирских исследователей в изучение тепловлагообмена на поверхности суши. — Омск: Омский научный вестник. № 1 (26). 2004. С. 179−182.
• 19. Мезенцева О. В. Количественная оценка адвекции тепла на территории Западной Сибири. — Омск: Омский научный вестник. № 1 (26). 2004. С. 188−189.
• 20. Аблова И. М., Балошенко В. И., Игенбаева Н. О., Карнацевич И. В., Мезенцева О. В. Ресурсы и закономерности географического распределения естественного увлажнения водосборов ЗападноСибирской равнины // Омский научный вестник. 2004. № 1 (26). С. 183−187.