Энергетическое решение проблемы количественной оценки испарения со снежного покрова на территории Западной Сибири

вод до переноса дополнительной тепловой энергии водной массой рек. Этот вопрос требует более подробного рассмотрения.

Новизна данной работы заключается в следующем. Первое. Предложен новый способ определения зоны ветрового выноса загрязнений различной природы по спутниковым данным. Способ отличается простотой и оперативностью — цикл полной обработки снимка за одну дату занимает 6-8 часов, панорамностью — результат получается сразу для больших площадей, объективностью и малой затратностью. Второе. Для Омского региона определены пространственные характеристики (расположение и протяженность) указанной выше зоны.

Результаты работы могут быть напрямую использованы природоохранными и экологическими службами области при организации контроля состояния природной среды нашего региона. Кроме того, результаты могут оказаться полезными для производителей сельскохозяйственной продукции при выборе посевных площадей, а также органам здравоохранения и просвещения при выборе места для размещения оздоровительных и образовательных учреждений.

Окончательные выводы данной работы следующие.

1. Предложенный автором алгоритм определения зоны ветрового загрязнения следует признать работоспособным.

2. Влияние городских выбросов прослеживается на расстояниях до 100 км от города.

3. Основными источниками данного типа загрязнений следует признать ТЭЦ и Нефтеперерабатывающий комбинат. Справедливости ради стоит сказать, что этот результат не является неожиданным.

Библиографический список

1. Снег. Справочник. Под ред. Д.М.ГреяиМ.Х.Мэйла. Пер. с англ. под ред. В.М.Котлякова. —Л.: Гидрометеоиздат, 1986.— 752 с.

2. De Abreu, R.A., D.G, Barber, К. Misurak and E.F. L'AJrew, «Spectral albedo of snow-covered ffi-year and multi-year sea ice during spring melt». - Annals of Glaciology. — Vol. 21. — P. 337-342, 1995.

ДМИТРИЕВ Владимир Викторович, кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий кафедрой теоретической физики и прикладной математики.

УДК 551 581 (571 1) И- в КАРНАЦЕВИЧ

О. В. ВАСИЛЬЕВА

Омский государственный педагогический университет

Омский государственный аграрный университет

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ИСПАРЕНИЯ СО СНЕЖНОГО ПОКРОВА НА ТЕРРИТОРИИ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

На основами построенной одним из авторов карты положительного радиационного баланса территории Сибири за зимний период по материалам актинометрических измерений, опубликованных в Справочнике по климату СССР, ч.1, произведена оценка максимально возможных и фактических (вычисленных теоретически) норм испарения со снежного покрова в средний (по термическим условиям зимы) год.

В соответствии с Межгосударственным соглашением, заключенным Россией, Казахстаном и Францией , о совместном проекте мониторинга бассейна реки Иртыша от границы Казахстана с Китаем до створа села Красноярка в Омской области в 2002 и 2003 гг. группа научных работников Омского государственного аграрного университета занималась расчетами элементов водного баланса частных водосборов в бассейне р.Иртыша, в том числе оценкой вклада испарения с поверхности снега в бассейне Иртыша и его притоков за длительный зимний период залегания снежного покрова.

Целью работы было создание модели водохозяйственного баланса, определение объемов водопотреб-

ления и водных ресурсов реки Иртыша на отдельных участках. Вкладиспарения соснегав расходную часть водных балансов можно оценить, если умножить слой воды, содержащейся в верхней, испарившейся толще снега (около 30 мм в среднюю по погодным условиям зиму), на площадь водосбора Иртыша от государственной границы Казахстана с Китаем до Омска (265 000 кв. км). Объем воды, который теряет снежный покров за зиму в бассейне Иртыша в пределах Казахстана и Омской области (до Омска) составляет около 8 миллиардов куб. м, то есть солнечные лучи за зиму поднимают в атмосферу 8 миллиардов тонн воды. Величина эта получается вполне сопоставимой с водными ресурсами Иртыша у Омска (28 куб. км в год). Отсюда можно за-

ключить, что проблема количественной оценки испарения со снега за зимнее полугодие на территории Западной Сибири и Омской области - серьезная практическая задача.

Суммарное испарение с поверхности водосборов невозможно измерить из-за того, что частные испаряющие поверхности — почва, лес, болота, озера, лужи, наземный снежный покров и снежный покров деревьев — испаряют совершенно по-разному. Переход воды из жидкой и твердой фазы в пар — невидимый процесс; это также затрудняет измерения. Измерение испарения со снежного покрова чрезвычайно затруднено в связи с тем, что суточные значения этой величины очень малы, искажения истинной картины вызваны надуванием кристаллов льда (снежинок) в измерительный прибор при малейшем ветре. Факторами испарения являются: коротковолновая солнечная радиация, температура и влажность воздуха и снега, облачность, которые для одной и той же станции в разные зимы различны.

В течение 19 — 20 веков метеорологи, гляциологи, гидрологи, геофизики, геокриологи не раз обращались к проблеме определения интенсивности испарения со снежного покрова в разных физико-географических и климатических условиях. Впервые на необходимость изучения испарения со снежного покрова обратил внимание А. И. Воейков [ 1 ].

Процесс испарения со снежного покрова до настоящего времени исследован недостаточно. Наиболее полная сводка работ по этой теме приведена в работе В.И.Кузнецова [2].

В СССР в период с 1938-го по 1950 год исследования снежного покрова водосборов выполнялись под руководством О. А. Спенглера, А. И. Решетниковаи П.П. Кузьмина в Валдайской лаборатории Государственного гидрологического института. Измерения испарения производили с помощью испарителей различных размеров и конструкций. В1938 году использовались чашки Петри, затем металлические и стеклянные испарители. В основном для измерения испарения служили весовые металлические испарители площадью 100 см2 и высотой 6 см. Испарители заряжались снежными монолитами с ненарушенной структурой й устанавливались на ровной открытой площадке при отрицательных температурах непосредственно в снегу, а во время весеннего снеготаяния - в металлических гнездах. Взвешивание испарителей производилось на весах с точностью до 0,1 - 0,01 г два раза в сутки зимой и через каждые 2- 4 часа в периодвесеннего снеготаяния.

Кроме этого, с 1953 года в весенний период начали производить наблюдения по гидравлическому испарителю большой модели (БГИ) площадью 5 м2, позволяющему непрерывно регистрировать с помощью трех самописцев ход испарения снега и конденсации влаги на поверхности снега. Суточный ход испарения со снега, конечно, можно было бы в течение многих зим непрерывно регистрировать с помощью гидравлического испарителя, однако при больших морозах и сильных метелях даже этот уникальный прибор дает большие погрешности.

Литературный обзор количественных представлений, сложившихся у гидрологов на конец 1960-х гг., приведен в работе [3].

P.E. Боричевский [4] в результате измерения испарения в Омске в весенние месяцы сделал следующие выводы. В декабре, январе и феврале в снежном покрове преобладает конденсация, дающая весьма значительную прибавку запаса воды в снеге - около 10-20 мм. Конденсация происходит за счет водяных паров, проникающих в снег из почвы.

И.С. Соседов и Л.Н. Филатова [5,6] в результате экспериментальных исследований в горах Заилийского Алатау с января по апрель 1958 г. делают вывод о том, что конденсация зимой отмечается лишь в нескольких случаях (при сильных оттепелях). За 165 дней непрерывного залегания снега, поданным этих авторов, испарение составило 60 мм на южном склоне и 41 мм, на северном; это несколько меньше, чем в средний год.

А.Р. Константинов [7), используя собственную схему расчета, основанную на эмпирической зависимости испарения со снежного покрова от температуры и влажности воздуха, установил в результате расчетов, что в пределах Украины в зимний период (декабрь -февраль) величины испарения изменяются от 7-9 мм в юго-западных районах и до 35 - 40 мм на северо-востоке территории.

М.И, Иверонова [8] в результате обработки данных инструментальных наблюдений пришла к выводу, что испарение со снежного покрова не зависит от физико-географических условий. По ее мнению, суммарная величина испарения со снежного покрова для всей территории России одинаковая и составляет 25 мм.

А.М. Алпатьев и Ф.Ф. Перченок [9] выполнили расчеты испарения со снежного покрова по схеме Константинова для Европейской территории страны и получили значения испарения от 10 мм в юго-восточных районах до 50 мм на северо-западе. Такое распределение испарения авторы объясняют, прежде всего, изменением продолжительности залегания снежного покрова.

И.В. Зыков [10] отмечает, что под влиянием главным образом ветрового воздействия в лесостепной зоне Западной Сибири наблюдается весьма интенсивное испарение снега, «в результате чего снег в процессе таяния минует или почти минует жидкую фазу».

A.A. Красовский [11] оценивает потери на испарение снега значениями, равными 20-25 % от снегоза-пасов.

Согласно наблюдениям Н.М. Горшенина, весной 1941 г. при затяжном характере и значительных запасах воды в снеге испарение в межполосных пространствах составило около 8% снегозапасов, а в 1940 г. на участках с небольшими запасами воды в снежном покрове оно достигало 25 % снегозапасов.

B.М. Котляков [12,13] указывает, что суммарные величины испарения со снежного покрова на равнинах не превышает 30 мм за зиму, а в горах на высотах 1500-3000 м достигает 45-60 мм.

В. И. Кузнецов на основе расчетных данных по схеме Константинова построил схематические карты средних многолетних величин испарения со снега, конденсации влаги на его поверхности, а также итоговых потерь (алгебраическая сумма) за весь период залегания устойчивого снежного покрова [2, рис. 6, 7, 8]. Итоговые потери на испарение за весь период залегания снежного покрова изменяются на территории Сибири, по Кузнецову, от 0 до 10-15 мм.

В монографии Мезенцева и Карнацевича [3,с. 103] суммарное испарение за зимний период с водосборов Западной Сибири получилось при замыкании водных балансов в средний год от 20 до 50 мм. Значения суммарного испарения по данным разных авторов приведены в табл. 1.

Из-за недостатка надежных, сравнимых и репрезентативных экспериментальных материалов до сих пор нет хорошо обоснованных данных о величинах испарения со снега для территории Сибири. Согласно карте испарения за зимние месяцы, составленной ГГО [1], территория Западной Сибири характеризуется величинами испарения менее 10 мм, в то время как в работе

Таблица 1

Суммарное испарение за зимний период (ноябрь-март) по данным разных авторов, мм

Станция Орлова [14] Константинов [7] Кузнецов [2] По формуле Семенова И Мезенцев, Карнацевич [3]

Сургут 0 0 17 36

Енисейск 28 1,1 31 40

Тобольск 34 3,2 31 39

Тюмень 33 46 Зв

Тара 41 17 32

Томск 1 46 1,4 31 45

Тайга 55 31 41

Омск 0 33 1,1 17 22

Барабинск 0 1.0 17 30

Чулым 44 17 30

Новосибирск 40 0,6 31 34

Красноярск 38 5,8 75

Барнаул 3 46 2,2 46 41

А.Р. Константинова [7, с.428] сумма испарения только за 2 зимних месяца (март и ноябрь) составляет около 30 мм. По В.И. Кузнецову [2], в Западной Сибири за зимний сезон (5-8 месяцев) испаряется около 5-10 мм влаги.

Если генерализовать данные карты В.И.Кузнецова, то можно считать, что на севере Западной Сибири за зиму испаряется 5-10 мм воды, в таежной и лесной зоне — 10-15 мм, а на юге Сибири — 20-25 мм.

До настоящего времени никто из исследователей не делал попытки выполнить теоретическую оценку верхнего предела испарения со снега, хотя, начиная с работы [16], возможность такой оценки существует. Поскольку запасы влаги при сплошном снежном покрове неограниченны, по аналогии с испарением с водной поверхности, можно в первом приближении считать, что фактическое испарение со снега зависит только от тепловых ресурсов зимнего сезона.

Теплоэнергетические ресурсы зимнего периода Тт представляют собой сумму коротковолновой радиации за зимний (радиационно-темный) сезон Я.+т и адвективного прихода тепла к земной поверхности от более теплых, чем снег масс воздуха (Р+т). Для построения карты Тт (17] были использованы материалы 192 метеорологических станций.

ТЭР зимнего периода составляют на Северной Земле и на северном острове Новой Земли 300 МДж/м2, на севере Ямала и на юге Таймыра 200 МДж/м2, в континентальных областях Якутии не превышают в средний год 50 МДж/м2, полинии Тобольск - Томск — Северобайкальск равны примерно 100 МДж/м2.

Приход энергии со стороны атмосферы в Арктике за 9 месяцев зимы составляет 200-350 МДж/м2, а на севере Сибири за 5 зимних месяцев — 100-150 МДж/м2. Меньше всего энергии приходит к поверхности снега в континентальной Якутии (всего 50 МДж/м2). Эта область представляет собой центр устойчивого азиатского антициклона и включает полюс холода северного полушария.

Однако наблюдения за процессом таяния снега показывают, что при низких отрицательных температурах таяние и возгонка происходит только под влиянием коротковолновой радиации, создающей в толще снега специальные оптические эффекты и микроклимат, обеспечивающий превращение снежных кристаллов в водяной пар. По устным сообщениям поляр-

ников (А.В.Солопов), в течение полярной ночи испарения в Арктике не происходит — напротив: на выстиранной одежде, развешенной на просушку, за время полярной ночи намерзает толстый слой инея. Исследования зависимостей интенсивности испарения от освещенности на разных участках энергетического спектра [18] показывает, что, при прочих равных условиях иссушение почвы тем интенсивнее, чем короче длина электромагнитных волн освещенности, так как, по Планку, энергия квантов коротковолновой радиации в 2-3 раза выше, чем длинноволновой.

Приход коротковолновой радиации за зимний (точнее за радиационно-темный) сезон Я+т (рис. 1) составляет на арктических побережьях Сибири в средний год около 10 МДж/м2, полинии Салехард — Игарка — Жиганск — Верхоянск — Билибино - 20 МДж/м2, по линии Сургут — Подкаменная Тунгусска — Мирный — Якутск — 50 МДж /м2, на юге Омской области и Кулунды, а также вдоль западной половины трассы БАМ — 100 МДж/м2 [18]. Положительный радиационный баланс зимнего сезона И+т представляет собой энергетический предел («потолок») затрат энергии на испарение снега в Западной Сибири. Пересчитав величину Я+тв величину максимально возможного испарения за радиационно-темный сезон Ъ тт (водного эквивалента теплоэнергетических ресурсов), получим:

Zmт = К+т/Ь, мм,

где Ь — удельная теплота сублимации, равная 2,85 МДж/м2-мм.

Если учесть, что не все тепло расходуется на испарение, а часть его идет на транспортировку пара, то, приняв коэффициент полезного действия процесса равным 80%, получим фактическое испарение со снега за зиму в средний год (2т) равным: на севере Западной Сибири 3-5 мм, в средних широтах территории — порядка 15 мм, а на юге равнины — 20-25 мм (табл. 2, рис. 2).

В работе [14] по 26-летнему ряду измеренных зимних сумм Я + т (за периоде отрицательными температурами) установлено, что коэффициент вариации этих сумм СУ = 0,29. Принимая СУ = 0,30, определим при С Б = 2СУ значения испарения со снега разной вероятности превышения Р = 3, 10, 90,97,99 % (табл. 3).

Рис. 1. Коротковолновая составляющая ТЭР климата за радиационно-темный сезон 11т+, МДж/м2.

Рис. 2. Испарение со снежного покрова на территории Сибири в средний год.

Таблица 2

Составляющие теллоэнергоресурсов климата зимнего сезона Тт, МДж/м2 и испарение со снежного покрова 2т, мм

Метеостанция Тт, МДж/м2 Р'т , МДж/м2 Я'т, МДж/м2 2тт, мм мм

Салехард 120 101 19 7 5

Сургут 110 60 50 18 14

Енисейск 62 0 62 22 17

Демьянское 112 52 60 21 17

Васюганское 88 20 68 24 19

Тобольск 97 25 72 25 20

Ягыл-Яг 79 0 79 28 22

Тара 85 0 85 30 24

Томск 80 0 80 28 22

Омск 98 0 98 34 28

Барабинск 82 0 82 29 23

Чулым 85 0 35 30 24

Новосибирск 87 0 87 31 24

Красноярск 80 0 80 28 22

Барнаул 92 0 92 32 26

Таблица 3

Испарение за зимний период мм в годы разной вероятности превышения (повторяемости) по теплоресурсам

Метеостанция Очень теплая зима, Р=3% Теплая зима, Р=10% В ср. год Холодная зима, Р=90% Очень холодная зима, Р=97%

Салехард 8 7 5 3 3

Сургут 23 20 14 9 7

Енисейск 28 24 17 11 9

Демьянское 28 24 17 11 9

Васюганское 31 27 19 12 10

Тобольск 33 28 20 13 10

Ягыл-Яг 36 31 22 14 11

Тара 39 34 24 15 12

Томск 36 31 22 14 11

Омск 46 39 28 18 15

Барабинск 38 32 23 15 12

Чулым 39 34 24 15 12

Новосибирск 39 34 24 15 12

Красноярск 36 31 22 14 11

Барнаул 43 36 26 17 14

Как видно из таблицы, изменчивость испарения со снега по годам весьма значительна. Это говорит о том, что сводки, подобные приведенным в работах [1,3], мало информативны, поскольку данные разновременных измерений несопоставимы по причине неоднородности рядов и полей.

В Забайкалье, например, твердых осадков за зиму выпадает не много — запас воды в снежном покрове к концу зимы составляет на равнинах не более 20-40 мм. Все исследователи отмечают, что к весне в степях Забайкалья снег исчезает, якобы перетираясь при ветрах и испаряясь. Согласно нашей теории там, где фактические влагозапасы в снеге к концу зимы оказываются менее, чем испарение за зиму Zt, так и должно быть, поскольку весь снег успевает испариться.

Анализ частотного распределения значений зимнего испарения во времени объясняет широкое рассеяние эпизодических замеров в разные г оды и нараз-ных станциях по программе Государственного гидрологического института в 40-50-х гг. Как видно из таблицы 3, изменчивость испарения со снега по годам весьма значительна. Это говорит о том, что сводки, подобные приведенным в работе [2], мало информативны, по скольку данные разновременных измерений несопоставимы по причине неоднородности рядов и полей.

В Забайкалье, например, твердых осадков за зиму выпадает не много — запас воды в снежном покрове к концу зимы составляет на равнинах не более 20-40 мм. Все исследователи отмечают, что к весне в степях Забайкалья снег исчезает, якобы перетираясь при ветрах и испаряясь. Согласно нашей энергетической интерпретации, гам, где фактические влагозапасы в снеге к концу зимы оказываются меньше, чем испарение за зиму Zt, так и должно быть, поскольку весь снег успевает к весне испариться.

Библиографический список

1. Воейков А.И. Снежный покров, его влияние на почву, климат и погоду и способы исследования. Избр. соч. Т.2. — М,-Л„ 1949

2. Кузнецов В.И. Испарение со снежного покрова // Труды ГГИ. - Выи. 109,-1964.-С. 3-36.

3. Мезенцев B.C., Карнацевич И.В, Увлажненность ЗападноСибирской равнины, —Л.: Гидрометеоиздат, 1969. — 168 с.

4. Боричевский P.E. Испарение с поверхности снега и почвы в весенний период // Известия Омского отд. ВГО, — Вып 3. — 1959.

5. Соседов И.С., ФилатоваЛ.Н. Результаты наблюдений над испарением со снежного покрова в горах Заилийского Алатау // Метеорология и гидрология. — 1961. — № 8.

6. Соседов И.С., Филатова Л.Н. Зимнее испарение с почвы на южных склонах Заилийского Алатау // Вопросы гидрологии Казахстана. —1963.

7. Константинов А.Р. Испарение в природе. - Д.: Гидрометеоиздат, 1963.

8. Иверонова М.И. К вопросу об испарении со снежного покрова на территории СССР. -М.: ИздАН СССР, 1961.

9. Алпатьев A.M., Перченок Ф.Ф. Суммарное испарение с поверхности снежного покрова на Европейской территории СССР // Изв. ВГО. - 1963. - Т.95. - Вып. 6,

10. Зыков И.В. Особенности снеготаяния и значение лесных полос в Сибирской лесостепи // Природа. — 1951. - № 4.

11. Красовский A.A. О необходимости учета величины испарения снежного покрова в естественных условиях // Метеорология и гидрология. — 1941. — № 1.

12. Котляков В.М. Снежный покров Земли и ледники. - Л.: Гидрометеоиздат, 1968. —468 с.

13. Котляков В.М., Дрейер H.H. Снежно-ледовые ресурсы на территории СССР // Водные ресурсы и водный баланс: Тр. 5-го Всесоюз. гидрологического съезда. —Т. 2.— Л.: Гидрометеоиздат, 1988. -С.59-67.

14. Орлова В.В. Западная Сибирь //Климат СССР. —Вып.4. Д.: Гидрометеоиздат, 1962. — 360 с.

15. Атлас теплового баланса / Под ред. М.И. Будыко. —Л.: Изд. ГГО, 1955.

16. Карнацевич И.В. Расчеты тепловых и водных ресурсов малых речных водосборов на территории Сибири. —Омск: ОмСХИ, 1989.-Ч.1.- 76 с.

17. Карнацевич И.В. Теплоэнергетические ресурсы зимнего периода на территории полярных стран и Сибири // Проблемы мелиоративного и водохозяйственного освоения Сибири: Сб. научн. тр. ОмСХИ. - Омск, 1993. - С. 23-27.

18. Коринец В.В. и др. Влияние спектрального состава оптического излучения на изменение влажности почвы // Эксплуатация гидромелиоративных систем и повышение эффективности использования орошаемых земель. — Волгоград: Волгогр. с.-х. ин-т, 1984. -С.130-136.

19. Карнацевич И.В. Расчеты тепловых и водных ресурсов малых речных водосборов на территории Сибири, — Ч 1. Теплоэнергетические ресурсы климата и климатических процессов: Учеб. пособие. - Омск: Ом. с.-х, ин-т им. С. М. Кирова, 1989. -75 с.

КАРНАЦЕВИЧ Игорь Владиславович, доктор географических наук, профессор кафедры физической географии Омского государственного педагогического института.

ВАСИЛЬЕВА Ольга Владимировна, инженер, аспирант Омского государственного аграрного университета.

Книжная полка

Пахомова Н.В. Экономика природопользования и охраны окружающей среды: Учеб. пособие / Н.В. Пахомова, К.К. Рихтер. - СПб.: Издательство Санкт-Петербургского университета, 2003.-621 с.

Родзевич H.H. Геоэкология и природопользование: Учеб. для вузов / H.H. Родзевич. - М.: Дрофа, 2003. - 256 с.