Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Процессы взаимодействия суши с атмосферой и предварительные сведения об их организации 12
1.1. Основные процессы тепловлагообмена на поверхности суши 12
1.1.1. Уравнения теплового и водного баланса 12
1.1.2. Приток энергии и влаги к поверхности суши 13
1.1.3. Усвоение энергии и влаги деятельным слоем суши 17
1.1.4. Отток тепла и влаги от поверхности 18
1.2. Характерные пространственно-временные масштабы процессов энерговлагообмена 23
1.3. Имеющиеся представления об организации энерговлагообмена на суше 27
Глава 2. Методика исследования организации энерговлагообмена на суше 35
2.1. Математические модели энерговлагообмена на суше 35
2.1.1. Упрощённая модель Лаборатории климатологии HrPAHSiLC . 36
2.1.2. Модель Лаборатории геофизической гидродинамики Принстонского университета LaD 41
2.1.3. Модель Лаборатории климатологии ИГ РАН SPONSOR 44
2.2, Проведённые численные эксперименты, пространственно- временные масштабы исследований 55
Глава 3, Организация энерговлагообмена в масштабе сезонов и природных зон 60
3.1. Роль сезонных вариаций метеорологических параметров в среднегодовом энерговлагообмене на суше... 60
3.2. Универсальная характеристика структуры энерговлагообмена с учётом сезонного хода 65
3.3. Упорядоченность и организация сезонных колебаний энерговлагообмена ..77
3.4. Оценка вклада ландшафтных свойств в организацию тепло- и влагооборота в глобальном масштабе 82
3.5. Выводы.. 86
Глава 4. Организация энерговлагообмена в масштабе синоптической изменчивости во времени и пространстве 88
4.1. Общая оценка роли межсуточных изменений погоды в среднегодовом энерговлагообмене на суше 89
4.2. Характеристика межсуточных изменений энерговлагообмена и его средний режим 91
4.3. Показатели упорядоченности энерговлагообмена в масштабе синоптических вариаций 103
4.4. Роль пространственных вариаций атмосферных и ландшафтных параметров в организации тепло- и влагооборота на региональном уровне 113
4.5. Выводы. 121
Заключение 123
Литература 128
- Уравнения теплового и водного баланса
- Упрощённая модель Лаборатории климатологии HrPAHSiLC
- Универсальная характеристика структуры энерговлагообмена с учётом сезонного хода
- Характеристика межсуточных изменений энерговлагообмена и его средний режим
Введение к работе
Задача всестороннего изучения энерговлагообмена поверхности Земли с атмосферой была впервые поставлена ещё более 100 лет назад крупнейшим русским климатологом А.И.Воейковым, который писал о необходимости "ведения приходо-расходной книги солнечного тепла, получаемого земным шаром..." [Воейков, 1884]. Многочисленные исследования, проведенные с тех пор во всем мире, позволили обобщить обширные экспериментальные данные, полученные в различных природных условиях, разработать методы эмпирических расчетов составляющих теплового и водного баланса, построить физические теории преобразования энергии, переноса тепла и влаги в приземном слое атмосферы и в подстилающей поверхности. В середине XX века работы под руководством М.И.Будыко [Будыко, 1956; Атлас теплового баланса, 1963] позволили выйти на новый уровень знаний о системе энерговлагообмена на подстилающей поверхности и впервые построить глобальные карты средних многолетних составляющих теплового баланса. С 1970-х годов при расчетах потоков тепла и влаги на суше все больше используется детальная информация о свойствах ландшафтов [Deardorff, 1978; Кренке, Золотокрылин, 1984].
В последние десятилетия, во многом благодаря бурному прогрессу в области вычислительной техники, многими исследователями проводятся численные эксперименты по воспроизведению пространственных полей и/или временных рядов энерговлагообмена в региональном и глобальном масштабах. Для этого были разработаны многочисленные расчетные схемы и математические модели тепловлагопереноса. Наличие таких моделей и возможность проведения массовых численных экспериментов позволили изучать механизмы формирования потоков энергии и влаги в самых различных условиях в любых регионах планеты. Для координации этих исследований на международном уровне в 1992 г. был организован проект PILPS, являющийся составной частью Всемирной программы исследований
климата (WCRP) [PILPS Workshop Report, 1992] и продолжающийся до сих пор. При этом внимание исследователей всё больше привлекает не столько "среднеклиматический" режим тепловлагообмена, формирующийся в квазистационарных условиях, сколько характер изменений потоков во времени и пространстве под воздействием тех или иных факторов (см., например, [Schlosser е.а., 2000; Shmakin е.а., 2002]). Корректное воспроизведение потоков тепла и влаги на подстилающей поверхности и их изменений в пространстве и времени чрезвычайно важно при численном моделировании атмосферы, где эти потоки служат нижним граничным условием. Численные эксперименты показывают, что при изменении свойств растительности в пределах, характерных для антропогенных воздействий на неё, может существенно меняться климатический режим во многих регионах Земли [Bounoua е.а., 2002; Chase е.а., 2000], и эти изменения происходят именно через механизмы энерговлагообмена на суше.
Поверхность суши и океанов представляет собой весьма важную часть климатической системы, «замыкающую» её снизу: основная часть тепловой энергии и весь водяной пар поступают в атмосферу именно отсюда. Суша, как известно, занимает существенно меньшую площадь, чем океаны, обладает гораздо меньшей теплоемкостью деятельного слоя из-за отсутствия горизонтального и вертикального перемешивания в нем, а вследствие повышенного по сравнению с океанами альбедо поглощает меньше солнечной радиации, ограничивая тем самым и поступление тепла от неё в атмосферу. Кроме того, ресурсы влагооборота на суше ограничены только той водой, что предварительно выпала на неё из атмосферы. Хотя вследствие указанных причин роль суши в глобальном тепловлагообмене является подчиненной по сравнению с океанами, тем не менее она остается существенным звеном в климатической системе. Здесь происходят некоторые свойственные только ей процессы энерговлагообмена - например, связанные с рельефом, быстрыми смещениями сезонного снежного покрова, покровным оледенением. Суша - основной источник прямого нагрева
приземного слоя атмосферы турбулентным потоком явного тепла. Роль суши может быть весьма важна в короткопериодных колебаниях климата именно благодаря относительно малой инерционности, поскольку на ней может довольно резко меняться режим тепловлагооборота, реагируя на кратковременные вариации в приходе энергии и воды. Наконец, процессы энерговлагообмена на суше чрезвычайно важны с точки зрения их воздействия на экономику и условия жизни человечества (через формирование стока, таяние вечной мерзлоты, наводнения и засухи и т.д.).
Понятие организации играет весьма существенную роль при исследованиях сложных систем различной природы. Согласно современной философской терминологии, организация определяется как «внутренняя упорядоченность, согласованность, взаимодействие... частей целого, обусловленные его строением», либо как «совокупность процессов..., ведущих к образованию... взаимосвязей между частями целого» [Новый энциклопедический словарь, 2002]. Понятие организации часто используется наряду с понятием структуры, причем последнее принято считать относящимся к относительно стабильным свойствам системы (например, её строению), а первое - к её функционированию и другим динамическим свойствам. В основополагающей статье В.С.Преображенского [1986] разработаны представления об организации и организованности ландшафтов, причём под организованностью автор имел в виду наличие определённых структур в сложной системе (что соответствует первому из приведённых определений [Новый энциклопедический словарь, 2002]), а под организацией - процесс формирования таких структур (т.е. второе из определений словаря). Придерживаясь трактовки В.С.Преображенского, будем считать, что исследование организации направлено на понимание процессов, способствующих возникновению внутренней упорядоченности, согласованности и взаимодействия частей целого. К настоящему времени в какой-то степени изученными можно считать два из важнейших аспектов организации энерговлагообмена, а именно процессы взаимодействия и
согласованности в данной системе. В то же время, возникновению упорядоченности тепло- и влагообмена в пространстве и времени до сих пор уделялось не столь пристальное внимание, за исключением отдельных исследований.
Естественно, структура и организация сложной системы проявляются в определенных отношениях к пространству и времени, причем эти отношения связаны с происходящими в системе процессами. Согласно философским концепциям классической физики, пространство и время представляют собой некие самостоятельные сущности - «вместилища» для предметов и явлений -и обусловливают их объемы, возможность и длительность взаимодействия и т.д. [Ньютон, 1936]. По современным (релятивистским) воззрениям, пространство и время, а также и их взаимосвязь, не существуют сами по себе, но являются структурными свойствами материальных систем, зависящими от процессов в этих системах [Эйнштейн, 1966]. Процессы в климатической системе Земли практически полностью описываются на уровне классической физики, однако современные представления об их отношении к пространству и времени в значительной степени опираются на релятивистские взгляды. Это позволяет исследовать характерные пределы и зависимость друг от друга пространственных и временных проявлений данного климатического процесса, в частности методами масштабного анализа. Стало возможным выделять факторы, наиболее существенные для явлений данного пространственно-временного масштаба, и отфильтровывать процессы более низких порядков значимости. Такой подход способствует более детальному изучению физики климатических процессов, их взаимосвязей, относительно устойчивых свойств и изменчивости, и т.д.
Вследствие нелинейности многих процессов энерговлагообмена их упорядоченность (т.е. важнейший компонент организации) может играть ключевую роль в формировании средних по времени и пространству составляющих теплового и водного баланса, которые обычно применяются для характеристики данной территории. Например, тепловлагооборот сильно
варьирует во времени вследствие колебаний метеорологических параметров и предшествующего состояния суши. Как известно, климат любой местности реализуется через ансамбли различных состояний погоды, однако набор метеопараметров в данный момент времени крайне редко совпадает с климатическим средним. То же самое происходит и с потоками тепла и влаги на подстилающей поверхности: при среднеклиматических значениях осадков и приходящей радиации (даже с учетом их сезонного хода) получить среднеклиматические значения потоков тепла и влаги чаще всего невозможно, поскольку в большинстве климатических зон эти условия соответствуют "моросящим осадкам при полуясном небе", т.е. ситуации, в которой сток становится практически нереальным, а вся доступная влага испаряется. Однако благодаря упорядоченности во времени атмосферных параметров, в отдельные дни и часы наблюдаются условия, способствующие преобладанию стока, испарения почвенной влаги либо интенсивного потока явного тепла с одного и того же участка суши, т.е. организации энерговлагообмена во времени.
Для суши особенно характерна также пространственная неоднородность её энерговлагообмена с атмосферой вследствие как изменчивости метеорологических параметров, так и пестроты ландшафтных условий. Ландшафты суши и другие природные комплексы (фации и т.п.) благодаря присущей им самоорганизации могут подстраиваться под изменения условий внешней среды, воздействуя в том числе и на энерговлагообмен. При значительных изменениях внешних условий в течение длительного времени данный ландшафт может смениться другим. В более краткосрочном масштабе ландшафты также существенно меняют свои свойства, обеспечивая соответствующие трансформации потоков тепла и влаги (например, меняя альбедо при сходе снега или распускании листвы). Воздушные массы, определяющие погодные условия на больших территориях, обычно тоже упорядочены в пространстве, что отражается в географическом распределении участков с преобладанием тех или иных
режимов энерговлагообмена. В результате в данный момент времени тепловлагооборот может быть относительно однородным в одних районах, а в других - формироваться благодаря естественному осреднению между участками, контрастными по погоде и ландшафтным свойствам (перемешивание в пограничном слое атмосферы, формирование речного стока в неоднородных бассейнах). Таким образом, потоки энергии и влаги становятся упорядоченными в пространстве, что и определяет режим тепловлагооборота на значительных территориях.
Актуальность темы. Намеченное исследование организации процессов энерговлагообмена в пространстве и времени даст возможность не только обобщить полученные ранее закономерности поведения потоков энергии и влаги на суше в зависимости от внешних условий, но и составить более полное представление о данной системе в целом, что позволит выйти на новый уровень знаний о ней. В самом деле, организация определяет структуры данной системы, относительно устойчивые в пространстве и времени, а также способ их функционирования и эволюции. Таким образом, разностороннее изучение организации энерговлагообмена на суше сделает возможным выделение относительно инвариантных свойств данных процессов в определенных диапазонах внешних условий, выявление пределов характерной изменчивости потоков энергии и влаги, их взаимосвязи между собой и с другими компонентами климатической системы.
В связи со сказанным целью настоящей работы является исследование упорядоченности и взаимодействия процессов энерговлагообмена на суше в различных масштабах пространства и времени, в том числе при меняющихся свойствах атмосферы и ландшафтов. Выполнение цели связано с реализацией ряда задач:
1) Разработка критериев упорядоченности энерговлагообмена на суше в различных пространственно-временных масштабах.
Изучение упорядоченности энерговлагообмена в различных временных масштабах при изменениях свойств атмосферы и ландшафтов.
Изучение пространственной организации энерговлагообмена при разномасштабных вариациях метеорологических параметров и свойств суши.
Исследование связи организованности энерговлагообмена с его средними характеристиками по пространству и времени.
Разработка географической классификации энерговлагообмена при современном состоянии климата и ландшафтов, и принципов учёта в ней временной динамики.
Методы. В работе широко используются математическое моделирование процессов переноса тепла и влаги на суше, а также географический анализ и статистическая обработка измеренных и вычисленных характеристик. Применяется несколько численных моделей энерговлагообмена различной степени сложности: от упрощённой с длинным шагом по времени до детальной с полным учетом всех важнейших процессов тепло- и влагопереноса на суше. Разработан также оригинальный подход к количественному описанию упорядоченности энерговлагообмена, с применением различных показателей упорядоченности для различных масштабов времени и пространства.
Новизна работы. Предлагается качественно новое обобщение существующих знаний об энерговлагообмене на суше на основе выявления упорядоченности и взаимодействия соответствующих процессов в широком спектре пространственно-временных масштабов. В ходе выполнения работы получен ряд качественно новых результатов о функционировании системы энерговлагообмена при изменениях параметров атмосферы и ландшафтов в пространстве и времени, о роли изменчивости внешних факторов в формировании потоков тепла и влаги.
Практическая значимость. Результаты работы позволят прогнозировать изменение всего комплекса энерговлагооборота как целостной системы при определенных сценариях будущего состояния климата и природопользования. В частности, становится возможной оценка частоты экстремальных событий в системе энерговлагообмена (засух, наводнений и т.д.) по метеорологическим данным либо по результатам моделирования. Методы, разработанные в ходе исследования, могут использоваться в целом ряде смежных направлений климатологии. Например, они дают возможность обоснования степени подробности описания процессов на суше при моделировании климата в определённых масштабах. Они могут, кроме того, стать основой для новых способов обработки результатов массовых экспериментов на численных моделях. Наконец, локальные модели энерговлагообмена, использовавшиеся в работе, были существенно усовершенствованы благодаря подходам, разработанным в диссертации.
Личный вклад автора. Автором лично разработано и протестировано две численные модели из трёх, использованных в работе. Постановка проблемы исследования и определение задач, подготовка и проведение численных экспериментов на этих двух моделях, включая программирование на всех стадиях, а также обработка их результатов выполнены лично автором. Разработка и тестирование третьей модели, а также эксперименты на ней, использованные для данной работы, проводились в Лаборатории геофизической гидродинамики (GFDL) Принстонского университета при участии автора. Численные эксперименты на своей модели по её сравнению с другими моделями энерговлагообмена выполнялись лично автором по плану международных программ PILPS, SnowMIP и Rhone-AGG, а их анализ проводился совместно со всеми участниками.
Основные защищаемые положения: - Серия локальных моделей энерговлагообмена на суше с различной подробностью описания процессов;
Объективные показатели структуры теплового и водного баланса и упорядоченности энерговлагообмена в различных масштабах времени и пространства;
Количественные оценки роли сезонного и межсуточного хода метеорологических параметров во временной организации энерговлагообмена на суше, а также зональных и региональных различий параметров - в его пространственной организации;
Принципы географической классификации энерговлагообмена на суше на основе меняющихся соотношений между параметрами;
Закономерности в соотношениях между различными показателями энерговлагообмена, связанные с его упорядоченностью в пространстве и времени.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации докладывались на 25 международных конференциях в России и многих других странах, а также на рабочих семинарах в ряде научных организаций России, США, Франции и Австрии. По тематике диссертации опубликовано 39 статей, из них 30 в российских и международных реферируемых журналах и изданиях.
Уравнения теплового и водного баланса
К настоящему времени главные механизмы переноса тепла и влаги на суше изучены не полностью, однако их первостепенные свойства известны в достаточной мере (см., например, [Братсерт, 1985; Eagleson, 1978; Miller, 1981]). Основные уравнения, отражающие действие этих механизмов, по сути представляют собой частные случаи законов сохранения энергии и вещества. Пренебрегая некоторыми второстепенными членами и вынося в левую часть притоки энергии извне к подстилающей поверхности, а в правую - расходные составляющие (точнее, потоки, зависящие от состояния поверхности), запишем уравнение теплового баланса единичной площадки на поверхности суши за некоторый промежуток времени в следующем виде: (S + D)(l-a) + Ia=LeE + H + G + LmM + Is, (1.1) где S- прямая солнечная радиация, D - рассеянная солнечная радиация, а-коротковолновое альбедо поверхности, 1а - инфракрасное излучение атмосферы, направленное к подстилающей поверхности, Le - удельная теплота парообразования, Е - суммарное испарение, Я- турбулентный поток явного тепла, G - кондуктивный поток тепла в подстилающую поверхность, Lm - удельная теплота таяния, М снеготаяние, Is - уходящее инфракрасное излучение подстилающей поверхности. Данная форма уравнения теплового баланса предполагает, что теплообмен, связанный с замерзанием и оттаиванием воды в почве и в снежной толще, включён в поток G. В случае сублимации твёрдой фазы (снега, замёрзшей почвенной влаги) вместо множителя Le в уравнение подставляется сумма Le и Lm.
Уравнение водного баланса для определённого отрезка времени обычно записывается не только для поверхности, а для колонки почвы (а также лежащей на ней толщи снега) и выглядит следующим образом: P = E + Y+MV+ASn, (1.2) где Р - осадки, Г- сток, AW- изменение влагозапаса в почве, ASn -изменение водного эквивалента снега. Здесь также в левой части находится приток воды извне к поверхности суши, а в правой - потоки, связанные с состоянием подстилающей поверхности.
Подразделение всех потоков тепла и влаги на чисто внешние и связанные с состоянием поверхности суши позволяет рассматривать их отдельно в связи с основными формирующими причинами. Члены, помещённые в левые части уравнений 1.1 и 1.2, отражают процессы в атмосфере, в первом приближении независимые от подстилающей поверхности, а в правой - протекающие непосредственно на ней. Эти группы процессов существенно отличаются друг от друга, в том числе и характерными масштабами.
Основные внешние потоки, обеспечивающие поступление энергии к подстилающей поверхности - это солнечная радиация в коротковолновом диапазоне (0,15-3,0 мкм) и атмосферная в длинноволновом (т.е. инфракрасном - от 3 до 100 мкм). Солнечную радиацию разделяют на прямую, поступающую непосредственно от Солнца, и рассеянную, формирующуюся при рассеянии прямого солнечного излучения на молекулах газов и аэрозольных частиц в атмосфере, а также на каплях и ледяных кристаллах в облаках. Интенсивность прямой солнечной радиации на произвольно ориентированную плоскость при ясном небе может быть определена из уравнения [Черкасов, 1980]: s_ 0 п З") \ + т(1-р22)/(2р22У где . - солнечная постоянная, Z- угол падения солнечных лучей на плоскость, т - оптическая масса атмосферы,/?? - коэффициент прозрачности атмосферы при оптической массе, равной 2. Параметр Z зависит от зенитного угла Солнца (являющегося функцией широты места и сезона, в суточном ходе -часа), а также от крутизны и азимута уклона данной плоскости при её негоризонтальном положении. Оптическая масса определяется высотой места над уровнем моря (или атмосферным давлением) и зенитным углом Солнца. Коэффициент прозрачности атмосферы зависит от концентрации рассеивающих частиц (аэрозолей, молекул водяного пара и других примесей) в воздухе. Его значения для средних многолетних условий по обширным территориям сведены в различные справочные издания (например, [Пивоварова, 1977]). Кроме того, прямая солнечная радиация обращается в нуль, если солнечный диск закрыт облачностью (за исключением полупрозрачных облаков верхнего яруса) или каким-либо препятствием (например, окружающим рельефом в горах или застройкой в городе). Эти факторы также могут учитываться в параметрическом виде при расчётах прямой радиации за некоторые промежутки времени (сутки, месяц и т.д.). Для расчёта рассеянной солнечной радиации разработано несколько подходов, однако их суть сводится к параметризации прямой зависимости данного потока при ясном небе от оптической массы атмосферы и обратной -от её прозрачности. Иначе говоря, чем больше ослабевает прямая солнечная радиация при прохождении через безоблачную атмосферу, тем сильнее становится поток рассеянной радиации. Кроме того, рассеянная радиация сложным образом зависит от облачности - при увеличении количества облаков она возрастает практически монотонно, если облака не закрывают солнечного диска; и резко уменьшается при сплошной облачности либо при блокировании солнечного диска плотными облаками. Полупрозрачные облака верхнего яруса, как правило, приводят к увеличению рассеянной радиации. В горах рассеянная радиация может существенно зависеть и от ориентации склона. Эти зависимости нашли отражение в многочисленных расчётных формулах [Барри, 1984; Сивков, 1968; и др.]. В целом рассеянная радиация, подобно прямой, растёт с увеличением высоты Солнца над данным участком местности и постепенно уменьшается с возрастанием количества облаков, но в отличие от прямой возрастает с ростом оптической толщины атмосферы, т.е. с увеличением концентрации рассеивающих частиц вне облаков.
Суммарная солнечная радиация (т.е. сумма прямой и рассеянной) в общем следует в своих колебаниях за изменениями прямой радиации, представляющей собой преобладающую часть этой суммы, в то время как вариации рассеянной радиации оказывают на неё сглаживающее влияние. Таким образом, суммарная солнечная радиация возрастает с высотой Солнца над данным участком суши и уменьшается с увеличением концентрации рассеивающих частиц, особенно облачных.
Упрощённая модель Лаборатории климатологии HrPAHSiLC
Специально для исследования долгопериодных колебаний энерговлагообмена на суше была разработана модель SiLC (Simple Land Calculator - «Простой калькулятор процессов на суше»), в которой соответствующие процессы воспроизводятся со значительной степенью упрощения, но при этом сохранены все основные механизмы, ответственные за формирование теплового и водного баланса в масштабе времени нескольких десятилетий [Шмакин, Попова, 2003]. Выбор механизмов энерговлагообмена для включения в модель осуществлялся на основании предшествующего опыта автора в моделировании данных процессов в различных природных условиях в рамках программы PILPS [Liang et al., 1998; Shmakin, 1998 и др.]. Шаг по времени был выбран равным месяцу, поскольку имеются глобальные базы данных, содержащие ряды среднемесячных метеорологических параметров за несколько десятилетий. Очевидно, при таком временном шаге нет необходимости детального учета пространственных неоднородностей как ландшафтных, так и атмосферных параметров, поэтому пространственное разрешение модели может составлять несколько градусов широты и долготы. При данных условиях, а также при упрощённой структуре модели, затраты машинных ресурсов становятся небольшими.
За основу блока расчета влажности почвы и стока был взят аналогичный блок схемы параметризации энерговлагообмена на суше LaD, разработанной для численной модели климата Лаборатории геофизической гидродинамики Принстонского университета [Milly, Shmakin, 2002а]. Указанный блок схемы LaD, в свою очередь, основан на известной схеме Bucket [Manabe, 1969], и отличается простотой концепции. При разработке модели SiLC воднобалансовый блок схемы LaD был существенно модифицирован, а также дополнен рядом новых блоков в соответствии с выбранным временным шагом, наличием исходной информации и требованиями задач данного класса. В частности, для обеспечения устойчивости результатов при воспроизведении энерговлагообмена за длительные периоды времени, уравнения модели были записаны в отклонениях от средних, причем аномалии всех расчетных характеристик были выражены через аномалии температуры воздуха и осадков. Расчет эффективного излучения подстилающей поверхности велся на основе методики, приведенной в [Будыко, 1971], которая также была модифицирована при разработке данной модели. Поток тепла вглубь подстилающей поверхности определялся по оригинальной методике. Глубина слоя почвы, в котором происходят колебания водозапасов, доступных для испарения, подбиралась для каждого бассейна при калибровке модели на средних многолетних данных. В результате разработана оригинальная модель, предназначенная специально для исследования долгопериодных изменений энерго- и влагообмена на суше.
Алгоритм модели и основные уравнения могут быть записаны следующим образом. В каждой ячейке координатной сетки на каждом шаге по времени производится проверка, какое значение принимает температура воздуха (7): выше или ниже точки замерзания (То), и в зависимости от этого реализуется «зимняя» либо «летняя» логическая ветвь воднобалансового блока.
Радиационный баланс и поток тепла в подстилающую поверхность рассчитываются из уравнений: Rn = Q(l-A)-Ie, U = (1-0,75с)(0,32-0,0088е)єіїҐ + 4sS(Ts)f (2.3) (последний член этого уравнения равен нулю во все месяцы, кроме периода снеготаяния, когда Sw 0 и Т Т0), Q = Qav- 0,66c Qcav (данное уравнение получено из соотношений радиационного блока модели [Shmakin, 1998]), G = k(R„-Rnav), где Q - суммарная солнечная радиация, А - альбедо подстилающей поверхности, равное альбедо снега при Sri 0, либо среднему многолетнему альбедо бесснежной поверхности в данной точке, 1е - эффективное излучение подстилающей поверхности, с - облачность в долях единицы (представляющая собой сумму среднего многолетнего значения за данный месяц и аномалии с % е - упругость водяного пара, определяемая по термодинамическим соотношениям из относительной влажности воздуха, принятой равной облачности с, выраженной в процентах, є - постоянная Стефана-Больцмана, S- излучательная способность подстилающей поверхности (принятая равной 0.95), Ts - температура подстилающей поверхности, принятая отличной от Т и равной То только в период снеготаяния, Qm и Qcav - средние многолетние значения суммарной солнечной радиации при реальной облачности и при ее отсутствии за данный месяц, с - аномалия облачности в данный месяц данного года, считающаяся пропорциональной аномалии осадков, Rnav - среднегодовое значение радиационного баланса, А; - коэффициент, постоянный для данного типа растительности, т.е. связанный с альбедо при отсутствии снега. Все средние многолетние характеристики, связанные с радиационным балансом и его составляющими, а также облачность, могут быть определены по глобальным полям NASA Langley Center [Darnell et al., 1999]. Аномалии метеорологических параметров (температуры воздуха и осадков) за каждый месяц каждого года могут задаваться из любых имеющихся источников (например, за XX век - из баз данных университета Восточной Англии [New et al., 2000]).
Как следует из уравнений модели, она позволяет с небольшими затратами машинного времени вычислять основные потоки тепла и влаги на поверхности суши, а также помесячную динамику снежного покрова и влагозапасов в почве на периоды в несколько десятилетий для больших территорий (целых континентов, полушария и т.д.). В модели не учитывается перераспределение стока в пределах бассейнов, формирование волны паводка и т.п., однако анализ результатов расчета стока не менее чем в годовом осреднении позволяет свести к минимуму последствия этих упрощений.
Универсальная характеристика структуры энерговлагообмена с учётом сезонного хода
Сезонные изменения метеорологических параметров и, как следствие, составляющих теплового и водного баланса заслуживают специальных исследований в связи с их особой важностью для среднегодового энерговлагообмена. Крайне интересны также межгодовые колебания составляющих энерговлагообмена, в которых проявляются отличия влажных и засушливых лет и сезонов. Структура энерговлагообмена (т.е. соотношение различных потоков) при этом отражает условия данного сезона и/или года и их отличие от среднего многолетнего режима и от других периодов времени. Для описания структуры энерговлагообмена удобно иметь показатель, позволяющий характеризовать среднегодовые значения и сезонные вариации метеорологических параметров, а также потоков тепла и влаги. Однако для столь сложной системы как энерговлагообмен важны не столько метеорологические параметры сами по себе, сколько их соотношения, отражающие возможность испарения, стока, потока явного тепла и т.д.
Для разработки показателя, отражающего соотношения потоков тепла и влаги и их сезонный ход, вряд ли целесообразно использование среднегодовых значений каких-либо параметров, поскольку они могут приводить к существенным погрешностям (см. раздел 3.1). Показатели, основанные на среднегодовых значениях, неоднократно использовались в прошлом, в условиях ограниченной информации и слабых компьютерных ресурсов. Например, этот подход применялся в глобальной классификации климата А.А.Григорьева и М.И.Будыко [1959], и в своё время это дало возможность параметрически описать наиболее фундаментальные различия в энерговлагообмене между основными природными зонами Земли. В цитируемой работе для оценок среднегодовых значений составляющих теплового и водного баланса использовались довольно простые модели, связывающие потоки тепла и влаги со значениями так называемого индекса сухости (безразмерного отношения среднегодовых радиационного баланса и осадков в данной точке). В рамках данного исследования был проведён специальный численный эксперимент, в котором речной сток по 22 бассейнам, перечисленным в табл. 2.1, вычислялся с использованием основного уравнения модели М.И.Будыко (так называемого уравнения связи) и среднегодовых значений радиационного баланса и осадков [Milly, Shmakin, 2002b]. Однако среднеквадратическое отклонение вычисленных коэффициентов стока от измеренных составило в базовом эксперименте 0,065, а в эксперименте по уравнению связи - 0,11, т.е. в 2 раза больше. Таким образом, был сделан вывод о нецелесообразности использования соотношений, основанных на среднегодовых значениях метеорологических параметров для детальной характеристики структуры энерговлагообмена. Очевидно, для адекватного описания годовой структуры теплового и водного баланса необходимо использовать как минимум среднемесячные значения параметров, о чём говорят и результаты раздела 3.1.
В осреднении за полугодие отдельные характеристики тёплого и холодного периодов использовались А.А.Григорьевым и М.И.Будыко для классификации климатов бывшего СССР [Григорьев, Будыко, 1959], однако без привязки осадков и радиационного баланса друг к другу за каждый месяц. В классификации климатов Торнтвейта [Thornthwaite, 1948] использовалось соотношение температуры и испаряемости за каждый месяц, однако способ расчёта испаряемости (и вообще условий увлажнения) вызывал немало нареканий, а приход радиации как основной ресурс для испарения вообще не учитывался. Очевидно, в комплексном показателе энерговлагообмена необходимо помесячно учитывать ресурсы как тепла, так и влаги. Кроме того, в едином показателе энерговлагообмена, вычисляемом по среднемесячным данным, необходимо среди других факторов учесть сезонность гидрологических процессов, связанную с переходами температуры через точку замерзания. Очевидно, осадки в твёрдом виде должны учитываться как приток воды в те месяцы, когда они реально включаются во влагооборот, т.е. весной; зимой же требуется учитывать лишь накопление и испарение снега. При этом в период снеготаяния должна учитываться вся сумма твердых осадков за зиму, поэтому вычисления показателя энерговлагообмена необходимо начинать с тёплого периода, а не с января.
Для учёта всех упомянутых факторов в количественном описании структуры тепло- и влагообмена в масштабе от месяца и более был разработан показатель ресурсов тепла и влаги (РТВ), вычисляемый по среднемесячным значениям параметров по формуле [Шмакин, 2006]: N Pj + Mf где R - радиационный баланс в единицах слоя воды (т.е. соответствующих расходам на испарение или сублимацию), М- слой стаявшего снега, Р -сумма жидких осадков, / - номер месяца, JV- число месяцев в выборке (при вычислении за год - 12, за сезон - 3 и т.д.). Если значение показателя в какой-то месяц принимает отрицательное значение, оно не добавляется к сумме. Переменные R и М обычно не измеряются на станциях и могут быть рассчитаны тем или иным способом, например с помощью одной из моделей энерговлагообмена. В данном случае они рассчитывались с применением модели SiLC. Следует заметить, что зависимость точности вычисления индекса РТВ от специфики конкретной модели невысока: радиационный баланс, как правило, вычисляется моделями энерговлагообмена с небольшой погрешностью [Chen et al, 1997; и др.], а таяние снега обычно происходит в течение одного месяца и включает всю сумму осадков за зиму. К тому же модель SiLC продемонстрировала способность достаточно хорошо воспроизводить многолетние вариации стока в ряде бассейнов.
Нетрудно видеть, что в расчёты показателя РТВ включены ресурсы тепла и жидких осадков только за данный месяц, а ресурсы снега (в случае вычислений для периода снеготаяния) - за весь предшествующий сезон. При этом на суммарное значение показателя не оказывает влияния радиационный баланс тех месяцев, в течение которых он отрицателен (если же есть таяние, то согласно модели SiLC слой стаявшего снега за месяц не может превысить эквивалент радиационного баланса). Таким образом, температурные условия холодного сезона не сказываются на итоговом значении показателя, что отражает реальную ситуацию с влагооборотом на суше. Ресурсы почвенной влаги не учитываются в расчётах в виде отдельного члена, поскольку в модели они представляют собой разность между осадками и испарением, а не независимую переменную.
Как следует из приведённого уравнения (3.3), при вычислении суммы за год показатель РТВ по физическому смыслу близок к индексу сухости М.И.Будыко [1971], но отличается от него учётом сезонного хода, в том числе снежного покрова. Это отличие отражается и в результатах расчётов двух индексов (показателя РТВ согласно эксперименту SiLC-base и индекса сухости М.И.Будыко) для среднего многолетнего режима в 1961-90 гг., приведённых на рис. 3.5 [Шмакин, 2006]. Характерно, что максимальные значения показателя РТВ наблюдаются в пустынях Средней Азии, а индекса сухости - в пустыне Гоби. Как известно, максимум осадков в пустыне Гоби приходится на самые тёплые месяцы, поэтому при учете сезонных вариаций прихода тепла и влаги летний максимум показателя там не столь ярко выражен. В Средней Азии в самые тёплые месяцы наблюдается и минимум осадков, в результате чего летние значения показателя РТВ очень высоки, а поэтому здесь рекордно высоки и среднегодовые значения. В целом, за исключением Средней Азии и некоторых других районов, показатель РТВ в Северной Евразии понижен по сравнению с индексом сухости. Это связано с наличием в умеренной зоне нескольких месяцев в переходные сезоны, в течение которых приток тепла невелик по сравнению с притоком влаги, что особенно характерно для периода снеготаяния, и показатель РТВ приобретает экстремально низкие значения в эти месяцы.
Характеристика межсуточных изменений энерговлагообмена и его средний режим
Как уже отмечалось, игнорирование межсуточного хода составляющих энерговлагообмена и использование среднемесячных значений может привести к заметным искажениям в его описании. Рассмотрим пример ситуации, наблюдавшейся в августе 1986 г. в районе массива Божоле (бассейн р. Рона, Франция). Осадки были получены по данным измерений, а другие составляющие теплового и водного баланса для данной точки были рассчитаны с помощью модели SPONSOR в ходе выполнения проекта Rhone-AGG [Boone et al, 2004]. Ход составляющих энерговлагообмена в августе 1986 г. в районе массива Божоле при ежедневном анализе (вверху) и при использовании среднемесячных значений (внизу). Красным цветом показан радиационный баланс, синим - осадки в энергетическом эквиваленте, зелёным - расход тепла на испарение. Нижний график был получен при осреднении за месяц соответствующих параметров, показанных на верхнем графике. Очевидно, что при использовании среднемесячных значений радиационного баланса (124,6 Вт/м ) и осадков (57,8 Вт/м в энергетическом эквиваленте) испарение должно быть равно сумме осадков, сток становится невозможен, а почва должна остаться абсолютно сухой (при допущении, что от предыдущих месяцев в почве не сохранилось ресурсов влаги, поскольку там наблюдался сходный гидрометеорологический режим). На самом деле средний за месяц расход тепла на испарение составил 49,6 Вт/м , а вариации составляющих энерговлагообмена в течение месяца были довольно существенны. Наблюдалось 4 дня с сильными дождями и 7 дней со слабыми, а приход радиации существенно уменьшался в пасмурную погоду и возрастал в ясную. Благодаря такой упорядоченности во времени атмосферных параметров, в отдельные отрезки времени преобладали те или иные потоки тепла и влаги с одного и того же участка суши. Более того, только вследствие организации энерговлагообмена во времени сформировались среднемесячные потоки в данной точке.
Для детальных исследований организации энерговлагообмена в масштабе синоптической изменчивости требуется универсальный показатель, характеризующий изменения теплового и водного баланса в межсуточном масштабе. К настоящему времени разработано несколько универсальных показателей, отражающих структуру энерговлагообмена. К ним относятся, например, отношение потоков явного и скрытого тепла, известное как отношение Боуэна, и коэффициент стока, равный отношению стока к осадкам. Однако эти показатели, очень удобные для характеристики структуры теплового и водного баланса, вычисляются за некоторый промежуток времени, и не отражают вариаций потоков тепла и влаги в течение этого промежутка.
Уже упомянутое ранее характерное свойство энерговлагообмена -наличие взаимоисключающих процессов, объединяемых этим понятием. Например, формирование стока, интенсивное испарение и интенсивный поток явного тепла в атмосферу практически не происходят одновременно на одной и той же территории - как правило, в зависимости от погодных условий и наличия почвенной влаги один из указанных процессов резко преобладает над другими (хотя иногда два последних имеют место одновременно). Так, во время выпадения обложного дождя на охваченном им участке турбулентные потоки слабы, зато происходит впитывание воды в почву и формирование стока. При перемещении зоны осадков на соседнюю территорию прекращается поверхностный сток и ослабевает подпочвенный; при этом резко усиливается испарение, а через несколько суток (при отсутствии новых осадков) начинает преобладать поток явного тепла от суши в атмосферу. На соседней территории наблюдается аналогичная последовательность смены основных потоков, но с соответствующим сдвигом по времени, а в другом регионе может наблюдаться чередование преобладающих потоков в иной последовательности благодаря местному погодному режиму.
Таким образом, энерговлагообмен как единый комплекс процессов остаётся достаточно развитым при любых внешних условиях, но его основная структура (соотношение потоков) за длительные периоды времени складывается именно вследствие значительного, хотя нередко краткосрочного, превышения некоторых из них над другими. Поэтому для изучения энерговлагообмена как единого целого следует прежде всего рассматривать промежутки времени и участки территории, на которых значимо выделяются отдельные потоки тепла и влаги. Частота и интенсивность таких ситуаций, очевидно, должны служить важными характеристиками энерговлагообмена на данном участке суши в данный сезон или климатическую эпоху.
С учётом вышеизложенного, может быть введено понятие преобладающего потока, превышающего по интенсивности в эквивалентных единицах другие потоки энерговлагообмена в течение данного отрезка времени на определённой территории суши.
Перечень возможных преобладающих потоков по возможности должен включать ситуации, когда господство одного или нескольких потоков автоматически означает незначительную интенсивность остальных, но при этом должны быть учтены все возможные на суше ситуации. Классификацию целесообразно проводить с точки зрения того, на что расходуется поступающая энергия или влага, а также происходит ли накопление последней (накопление тепла на суше, как правило, пренебрежимо мало по сравнению с другими потоками энергии).
Анализ процессов переноса тепла и влаги на суше показывает, что достаточно универсальный перечень может включать следующие типы преобладающих потоков: - накапливание жидкой воды в почве и/или снега на поверхности, - формирование стока, - испарение снега или почвенной влаги, - нагрев атмосферы явным теплом. Ещё один тип преобладающего потока («нейтральный») можно выделить для случаев, когда несколько потоков тепла имеют низкую и сравнимую друг с другом по абсолютной величине интенсивность; обычно такие условия наблюдаются при слабом приходе радиации и отсутствии осадков (ночью, зимой и т.п.). При необходимости особого исследования процессов в снежном покрове можно выделить ещё три типа преобладающих потоков: - снегонакопление, - накапливание талой воды (в снежной толще и/или в почве), - сток талой воды.