СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ЗАЛЕГАНИЯ УСТОЙЧИВОГО СНЕЖНОГО ПОКРОВА В СЕВЕРНОМ КАЗАХСТАНЕ

НАУЧНЫЕ СТАТЬИ

Гидрометеорология и экология №3 2013

УДК 551.518

Канд. геогр. наук Г.К. Турулина*

Доктор геогр. наук В.Г. Сальников

Канд. геогр. наук С.Е. Полякова

Канд. техн. наук Н.Р. Муратова

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ЗАЛЕГАНИЯ УСТОЙЧИВОГО СНЕЖНОГО ПОКРОВА В СЕВЕРНОМ КАЗАХСТАНЕ

УСТОЙЧИВЫЙ СНЕЖНЫЙ ПОКРОВ, ДАТЫ ОБРАЗОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ, ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ЗАЛЕГАНИЯ, ТЕМПЕРАТУРА ВОЗДУХА, ОСАДКИ, ТЕНДЕНЦИЯ, АНОМАЛИЯ, КРИТЕРИЙ АНОМАЛЬНОСТИ Н.А. БАГРОВА, ВРЕМЕННОЙ ХОД

Исследована изменчивость сроков установления и схода устойчивого снежного покрова, продолжительность его залегания в Северном Казахстане за период 1971...2008 гг. Показана отчетливая тенденция уменьшения числа дней с устойчивым снежным покровом, происходящая на фоне повышения температуры воздуха холодного периода. Продолжительность залегания устойчивого снежного покрова уменьшается за счет более позднего образования и более раннего его разрушения.

Изучение снежного покрова занимает важное место в современных исследованиях климата Земли, так как он влияет на климатические изменения и в то же время зависит от них, одновременно воздействуя на характер развития атмосферных, гидрологических и почвенных процессов [3-5, 6, 7, 9, 10].

Высокое значение альбедо снега (0,7...0,8) - в отличие от среднего альбедо земной поверхности (для районов свободных от снега и льда), которое не превосходит 0,15, доминирует над всеми другими составляющими в тепловом балансе. Поэтому колебания сроков установления снежного покрова, влияющие на альбедо подстилающей поверхности, создают значительные аномалии теплообмена: при раннем установлении снежного покрова подстилающая поверхность недополучает тепло и, следовательно, меньше отдает его атмосфере. Весной важны сроки и интенсивность таяния снега, на которые тратится тепло из атмосферы. По данным Сойера

КазНУ им. аль-Фараби, г. Алматы ' ИКИ им. акад. У.М. Султангазина, г. Алматы

*

7

[1], аномалии сроков установления снежного покрова (до 10 суток) приводят к аномалиям теплообмена 7,56 МДж/м2-сут, для аномалий сроков и интенсивности таяния снега характерная аномалия теплообмена составляет 1,68 МДж/м2-сут и получена в предположении, что за сутки стаивает 5 см снега.

Твердые осадки, (снег, снежная крупа, снежные зерна), выпадающие на земную поверхность при отрицательных температурах воздуха, в процессе накопления создают на ней снежный покров. Известно, что на исследуемой территории осадки распределяются неравномерно, преобладают осадки теплого периода, в холодный период, во время господства сибирского антициклона, осадков выпадает значительно меньше, их количество изменяется от 65.. .75 мм в северных до 85.. .95 мм в южных районах. Если рассмотреть соотношение количества осадков в ноябре-декабре и январе-феврале, то повсеместно большая их часть выпадает в первую половину холодного периода, поэтому снежный покров формируется в основном за счет этих осадков.

Накопление снега зависит как от количества выпадающих осадков, так и от характера и частоты их выпадения. На большей части исследуемой территории в зимние месяцы осадки выпадают почти ежедневно до 20.25 суток в месяц, среднее суточное количество таких осадков в редких случаях достигает 2 мм, среднее максимальное суточное количество осадков составляют 3.7 мм [6, 8]. В течение холодного периода наибольшее число суток с осадками также приходится на его начало, что обусловлено развитием активной циклонической деятельности.

Формирование снежного покрова находится в тесной зависимости от температурных условий. Однако и сам снежный покров изменяет тепловой баланс земной поверхности и способствует поддержанию низких отрицательных температур. Впервые роль снежного покрова на формирование климатических условий исследовал А.И. Воейков (1884 г.), который установил, что снежный покров способствует понижению температуры воздуха над его поверхностью.

Снежный покров оказывает особенно большое влияние на климат Северного Казахстана, где он воздействует на характер сезонов, суточную изменчивость погоды в осеннее-зимне-весенний период, форму кривой годового хода температуры воздуха. Исходным материалом о снежном покрове служили данные 34 метеорологических станций, относительно равномерно распределенных по территории за период 1971.2008 гг.

8

Устойчивый снежный покров образуется в Северном Казахстана в среднем в первой-второй декаде ноября, причем его формирование происходит на рассматриваемой территории с севера на юг. В отдельные годы отмечаются значительные отклонения в сроках установления устойчивого снежного покрова по сравнению со средними многолетними. Самые ранние даты образования снежного покрова отмечены во второй декаде октября, самые поздние - в третьей декаде декабря. Амплитуда дат установления устойчивого снежного покрова исследуемой территории составляет около 70 суток, среднее квадратическое отклонение изменяется от 10 до 15 суток.

Разрушение устойчивого снежного покрова происходит в среднем в первой декаде апреля. Самое раннее разрушение устойчивого снежного покрова на севере республики наблюдалось в первой декаде марта, самое позднее - в последней декаде апреля. Амплитуда колебания дат не превышает 60 суток, значение среднеквадратического отклонения составляет 7.12 дней.

Продолжительность залегания снежного покрова в Северном Казахстане является одной из важных его характеристик, информация о которой используется как в оперативной практике, так и при решении различных научно-прикладных задач.

Продолжительность залегания снежного покрова характеризуют данные табл. 1. Средняя продолжительность залегания снежного покрова составляет 145 суток, изменяясь с севера (Петропавловск, Булаево) на юг (Торгай) от 150 до 116 суток. Минимальное число дней со снегом на исследуемой территории составляет 77 суток, максимальное - 187 суток (Урицкий).

Таблица 1

Продолжительность залегания снежного покрова

Станция Число суток со снежным покровом

среднее минимальное максимальное с

Акколь 153 127 175 11

Астана 141 106 169 15

Атбасар 150 124 176 13

Балкашино 162 116 183 13

Бестау 136 92 172 18

Благовещенка 147 104 178 16

Булаево 150 113 174 13

Возвышенка 154 123 176 11

Диевская 145 106 185 17

Докучаевка 139 111 163 14

Егиндыколь 141 115 173 15

9

Станция Число суток со снежным покровом

среднее минимальное максимальное с

Ерейментау 142 105 178 17

Есиль 137 77 173 17

Жетыгара 147 102 180 17

Карасу 151 118 180 15

Кишкенеколь 145 115 172 14

Кокшетау 137 77 173 17

Комсомолец 145 106 173 15

Коргалжын 144 107 175 16

Костанай 144 109 175 16

Кушмурун 141 96 168 16

Михайловка 147 113 175 14

Петропавловск 150 119 175 13

Пресногорьковка 155 120 181 14

Рудный 141 103 170 15

Рузаевка 151 117 170 14

Саумалколь 154 118 178 14

Сергеевка 147 103 169 16

Степногорск 144 123 166 12

Тайынша 140 92 167 17

Торгай 116 77 164 20

Урицкий 147 116 187 16

Щучинск 153 119 179 14

Явленка 145 112 175 17

Среднее 145 15

Следовательно, продолжительность залегания снежного покрова колеблется в широких пределах и существенным образом зависит от его мощности, интенсивности радиационно-адвективных факторов и особенностей рельефа. Для исследуемых параметров снежного покрова были рассчитаны тренды (рис. 1), которые указывают на тенденцию уменьшения продолжительности залегания снежного покрова (-3,8 сут/10 лет).

Продолжительность залегания уменьшается за счет более позднего образования и более раннего разрушения устойчивого снежного покрова. Изменения продолжительности залегания устойчивого снежного покрова в Северном Казахстане происходит на фоне многолетнего повышения температуры воздуха в холодный период и слабой положительной тенденции к увеличению осадков.

По данным [2] факт изменения температурного режима в Казахстане не вызывает сомнений. Наблюдается рост среднегодовых температур, составляющий в среднем по Казахстану 0,28 °С/10 лет за период

10

1941.2011 гг. Растут температуры и во все сезоны года, наибольшими темпами в зимний сезон - на 0,35 °С/10 лет. Все тренды статистически значимы. В последние десятилетия температура воздуха холодного периода чаще была выше средних многолетних значений, рассчитанных за 1971.2000 гг. Самая высокая температура холодного периода на рассматриваемой территории наблюдалась в 2002 г., когда она была выше нормы на 3.5 °С (рис. 2), продолжительность залегания снежного покрова в эту зиму составила всего 116 суток. Общую тенденцию повышения средней месячной температуры воздуха в регионе также отражает индекс учитывающий число суток за холодный период с максимумом температуры < 0 °С. На территории Северного Казахстана в холодный период наблюдается устойчивая тенденция уменьшения числа суток с морозами от 140.160 до 80.100.

170 г

160

. 150

140

130

120

110

у = -0,383х + 152,83 Я2 = 0,1613

(^(^(^(^(^ОООООООООО^^^^^ОООО СЛСЛ^^СЛСЛСЛСЛ^СЛСЛСЛ^^СЛОООО

(^(^(^(^(^ОООООООООО^^^^^ОООО СЛСЛ^^СЛСЛСЛСЛ^СЛСЛСЛ^^СЛОООО

Рис. 1. Многолетняя изменчивость продолжительности залегания устойчивого снежного покрова, осредненная по территории Северного Казахстана.

Для изучения изменчивости залегания снежного покрова использовался известный критерий Н.А. Багрова, который дает интегральную оценку степени аномальности метеорологических полей:

К=-!

т=1

] ( Ах ^

т

ксх у

где Ах - аномалия продолжительности залегания устойчивого снежного покрова в т пунктах, равномерно расположенных по территории; сх -среднее квадратическое отклонение.

11

2

АТ, °С 5 г 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5

1 3 5 1 3 5 1 3 5 1 3 5

00 00 00 00 00 0 0 0 о

0 0 0 о

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 -2 -2 -2 гч

-0 -2 -4 ЧО 00 -0 -2 -4 ЧО 00 -0 -2 -4 ЧО 00 -0 -2 -4 ЧО

00 00 00 00 00 0 0 0 о

0 0 0 о

2 2 2 гч

Рис. 2. Изменение аномалий температуры воздуха (°С) холодного периода года, осредненных по территории Северного Казахстана (фактические и сглаженные полиномом шестой степени).

Критерий К представляет собой нормированный коэффициент рассеивания выборки вокруг среднего значения. Он нашел широкое применение еще во второй половине 20 века в научных работах по изучению экстремальной аномальности гидрометеорологических полей.

На рис. 3 показан временной ход критерия К для продолжительности залегания снежного покрова.

К 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5

1.0 0.5

0.0

И

/

I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

^^^^^ооооооосос^^^^^оооо

111111111111111 ^ ^ ^ ^

^^^^^ооооооосос^^^^^оооо

12

Рис. 3. Временной ход индекса К

В исследуемом периоде лет при среднем значении К ~ 1 можно выделить 6 лет с экстремальными значениями К, из которых 2 года характеризуются продолжительностью залегания снежного покрова меньше средних многолетних значений на 25.30 суток; 4 года - продолжительностью залегания снежного покрова на 15.25 суток больше средних многолетних значений.

В табл. 2 приведены годы с экстремальными значениями К .

Таблица 2

Годы с экстремальными значениями индекса Н.А. Багрова и значения аномалии продолжительности залегания снежного покрова

Год К АЛ Год К АЛ

1975.1976 2,2 17 1976.1977 3,0 23 1992.1993 1,2 16 1993.1994 1,5 17 2001.2002 4,3 -29 2005.2006 3,3 -26

Максимальные значения К равны 4,3 (2001.2002 гг.) и 3,3 (2005.2006 гг.), продолжительность залегания снежного покрова в эти годы в среднем по территории была почти на месяц меньше средних многолетних значений. Устойчивое уменьшение продолжительности залегания снежного покрова наблюдается с середины 90-х годов 20 века, особенно значительное в последнее десятилетие.

Отметим, что в работе [4, 5] авторы, напротив, для севера Евразии выявили увеличение продолжительности залегания снежного покрова, обусловленное более ранними сроками образования устойчивого снежного покрова и увеличением количества осадков на фоне потепления.

Присутствие снежного покрова связано с низкими температурами воздуха. Низкая температура воздуха у земной поверхности является одним из условий для установления снежного покрова, вторым условием является количество осадков. Между числом суток со снежным покровом, температурами воздуха и количеством осадков, осредненными за холодный период, значимой корреляционной зависимости на рассматриваемой территории не обнаружено. Однако, в большинстве экстремальных случаев малая продолжительность залегания снежного покрова наблюдается при положительных аномалиях температуры воздуха холодного периода, а большая - при отрицательных аномалиях температуры воздуха (рис. 4). Заметим, что на рис. 4 представлена продолжительность залегания снежного покрова, отличающаяся от средних многолетних значений на 15 суток и более.

13

П, с 170 160 150 140 130 120 110 100

а) б)

Рис. 4. Экстремальная продолжительность залегания снежного покрова (а) и аномалия температуры воздуха холодного периода (б).

Таким образом, анализ данных наблюдений за снежным покровом в Северном Казахстане показал, что устойчивый снежный покров может наблюдаться с середины ноября до начала апреля. С помощью индекса аномальности Н.А. Багрова выделены годы с экстремальным числом дней со снежным покровом, когда продолжительность залегания снежного покрова в среднем по территории была на 15.30 суток больше или меньше средних многолетних значений. В последние десятилетия наблюдалась отчетливая тенденция к уменьшению продолжительности залегания устойчивого снежного покрова, происходящая на фоне повышения температуры воздуха и незначительного увеличения осадков холодного периода.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Багров Н.А., Кондратович К.В., Педь Д.А., Угрюмов А.И. Долгосрочные метеорологические прогнозы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 248 с.

2. Долгих С.А., Илякова Р.М., Сабитаева А.У. Об изменении климата Казахстана в прошедший столетний период // Гидрометеорология и экология. - 2005. - №4. - С. 6-23.

3. Китаев Л.М. Особенности экстремального снегонакопления в горных и предгорных областях (на примере Большого Кавказа) // Метеорология и гидрология. - 2003. - №11. - С. 78-85.

4. Китаев Л.М., Радионов В.Ф., Форланд Э., Рузаев В.Н., Мартуга-нов Р. А. Продолжительность залегания устойчивого снежного покрова

14

гки

ДТ, °С 6

4

2

0

на севере Евразии в условиях современных изменений климата // Метеорология и гидрология. - 2004. - №11. - С. 65-71.

5. Китаев Л.М., Рузаев В.Н., Хейно Р., Форланд Э. Продолжительность залегания снежного покрова в Северной Европе // Метеорология и гидрология. - 2006. - №3. - С. 95-100.

6. Копанев И. Д. Снежный покров на территории СССР. - Л.: Гидроме-теоиздат, 1978. - 181 с.

7. Локощенко М.А. Снежный покров и его современные изменения в Москве // Метеорология и гидрология. - 2005. - №6. - С. 71-82.

8. Научно-прикладной справочник по климату. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - Вып. 18. - Книга 2, 3. - 440 с.

9. Попова В.В. Структура многолетних колебаний высоты снежного покрова в Северной Евразии // Метеорология и гидрология. - 2004. - №8.

- С. 65-71.

10. Попова В.В. Структура многолетних колебаний высоты снежного покрова в Северной Евразии // Метеорология и гидрология. - 2004. - №8.

- С. 78-90.

Поступила 5.09.2013 Геогр. гылымд. канд. Г.К. Турулина Геогр. гылымд. докторы В.Г. Сальников Геогр. гылымд. канд. С.Е. Полякова Техн. гылымд. канд. Н.Р. Муратова

СОЛТYСТIК ЦАЗАЦСТАНДА Т¥РАЦТЫ ЦАР ЖАМЫЛГЫСЫНЫЦ ЖАТУ ¥ЗАЦТЫГЫНЫЦ ЗАМАНАУИ ТЕНДЕНЦИЯЛАРЫ

СолтYстiк Цазацстандагы 1971.2008 жж. турацты цар жамылгысыныц турацтану жэне еру мерзiмдерiнiц взгерiсi, оныц узацтыгы зерттелген. Суыц мерзiмдегi ауа температурасыныц квтершутен болатын турацты цар жамылгысымен байцалатын кундер саныныц твмендеуiнiц нацты тенденциясы кврсетшген. Турацты цар жамылгысыныц жату узацтыгы оныц вте кеш пайда болуыныц жэне вте ерте ерутщ арцасында азаяды.

15