Вклад сибирских исследователей в изучение тепловлагообмена на поверхности суши (к истории развития научных представлений в области теплового баланса земной поверхности)

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 551.58:556 1 (571 1) 0 В МЕЗЕНЦЕВА

И. М. АБЛОВА В. И. БАЛОШЕНКО

Омский государственный педагогический университет

ВКЛАД СИБИРСКИХ ИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ В ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОВЛАГООБМЕНА НА ПОВЕРХНОСТИ СУШИ

На основании анализа разработанных в XX веке методов изучения тепловлагообмена деятельного слоя земной поверхности делается вывод о необходимости перехода к более генетически обоснованному методу расчета характеристик теплового баланса, как более универсальному и применимому даже в условиях высоких широт. Приводится краткий очерк истории развития теоретических основ тепловоднобалансовых расчетов.

Важнейшими возобновляемыми природными ресурсами являются теплоэнергетические климатические и водные ресурсы территории. Несмотря на значительные успехи в изучении природных закономерностей за последние десятилетия, необходимость в уточнении научных представлений о важнейших климатических природных ресурсах всегда остается

актуальной, с одной стороны, в связи с систематическим ежегодным удлинением рядов гидрометеорологических наблюдений, ас другой - благодаря развитию теоретических исследований в области климатологии теплового баланса.

Изучению энергетических ресурсов природных процессов посвящали свои исследования многие кли-

матологи и физико-географы. Для описания вклада сибирских ученых в изучение тепловлагообмена на поверхности Земли следует обратиться кратко к истории вопроса.

Энергетические представления в климатологии складывались вокруг проблемы оценки испарения с поверхности речных водосборов и показателей теп-ловлагообеспеченности. Важными вехами на пути развития научных представлений об экзоэнергетике земной поверхности явились работы по созданию актинометрических приборов и сети станций, измеряющих вертикальные потоки энергии, а также исследования Э.М.Ольдекопа (1911) [22], предложившего понятие максимально возможного в данном климате испарения с поверхности речных водосборов. Понятие это было уже по своей сути энергетическим, но только спустя три десятилетия величина максимально возможного испарения была выражена М.И.Бу-дыко (1946) в энергетических единицах. Работы академика A.A. Григорьева в области теории физической географии в 30-40-х годах XX века позволили не только сформулировать закон географической зональности, но и оценить количественно соотношения теплоэнергетических и водных ресурсов на границах основных природных географических зон.

Австрийским геофизиком В.М.Шмидтом (Schmidt, 1915) в качестве показателя энергетических ресурсов процессов испарения и нагревания воздуха и воды в низких и умеренных широтах океанов использовалось понятие «ресурсы тепла», аналогичное по смыслу радиационному балансу в понимании более поздних исследователей. А.А.Григорьев (1954,1970) и М.И.Будыко (1948,1956) [23,24], считая радиационный баланс энергетической базой природных процессов, используют запись уравнения теплового баланса в виде:

R = LE + P + B,

где R - скомпенсированный в течение суток радиационный баланс земной поверхности, Е - слой испарившейся влаги за вычетом конденсации,

Р - турбулентный теплообмен,

L - удельная теплота испарения воды,

В - поток тепла между подстилающей поверхностью

и нижележащими слоями (теплообмен в деятельном

слое).

Считая именно скомпенсированный годовой радиационный баланс тепловыми ресурсами климата и испарения одновременно, М.И.Будыко для среднего года принимал В = 0, устремлял к нулю затраты теплоэнергетических ресурсов на турбулентный теплообмен и получал выражение испаряемости с увлажненной поверхности

E„ = R/L.

Таким образом, испаряемость Е0 по М.И.Будыко есть водный эквивалент годового радиационного баланса поверхности суши и формально аналогична испарению с водной поверхности или максимально возможному испарению с естественно увлажненных водосборов (по Э.М.Ольдекопу — Zm). Такое толкование максимально возможного испарения сыграло положительную роль в развитии географических и гидрологических представлений о тепловом балансе поверхности планеты, несмотря на фактические значительные различия радиационного баланса суши и

водной поверхности и допущение равенства энергетических ресурсов климата и энергетических ресурсов процесса испарения для всех широт, в том числе и высоких. На основе этих представлений М.И.Будыко были разработаны методики расчета и созданы карты составляющих теплового баланса Земли — Атлас теплового баланса земного шара [25).

В Омске в 1957 году профессором B.C. Мезенцевым был разработан и широко использовался при проектировании в 1960-1990-х гг. и для расчета стока с неизученных в гидрометрическом отношении территорий и других воднобалансовых характеристик генетически строго обоснованный метод гидролого-климатических расчетов (метод ГКР). Он представляет собой генетическую модель тепловлагообмена на поверхности водосборов, позволяющую описывать в численном выражении суммарное испарение, климатический сток, режимы почвенной влаги и дефициты увлажнения по исходной информации об атмосферном увлажнении и тепловых ресурсах процесса испарения. Метод, основанный на совместном решении уравнений водного и теплового балансов земной поверхности, позволял выполнять на основании метеорологических данных, полученных на метеостанциях, расчеты для множества метеостанций значительных по площади территорий по интервалам среднего года и реальных лет для больших территорий. Большой объем вычислений в пространстве и времени позволил выявить многие территориальные географические закономерности.

Метод ГКР широко применялся для решения важных народнохозяйственных задач. В частности, с его использованием были проведены исследования элементов водного и теплового балансов территории, прилегающей к западной части трассы БАМ, гидролого-климатические исследования Срединного региона [16,19]. Более поздние его модификации (Мезенцев B.C., 1993 [17]), учитывающие глубину залегания грунтовых вод, перераспределение атмосферных осадков на поверхности земли с учетом соотношения площадей микропонижений и их водосборов, позволили выполнить воднобалансовые расчеты для обоснования планировавшихся гидромелиораций на юге Западной Сибири (Южно-Омская оросительная система) . При помощи данного метода и с учетом современных подходов к определению теплоэнергетических ресурсов (ТЭР) климата В.С.Мезенцевым была также выполнена и опубликована [18] корректировка данных о мировом водном балансе по монографии «Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли» и атласу Мирового водного баланса (1974) [20,21]. В частности, было выяснено и доказано, что исходя из положения о соразмерности теплоэнергетических и водных ресурсов Земли в целом, с учетом данных об измеренном стоке величайших рек мира и данных о теплоэнергетических ресурсах климата, необходимо вносить существенную поправку к величине опубликованного в данном Атласе среднего годового количества осадков.

В современной климатологии и гидрологии в качестве энергетической основы процесса испарения в низких и умеренных широтах успешно используется величина радиационного баланса земной поверхности R. Однако в условиях высоких широт и холодных стран планеты (криолитозоны) годовая величина радиационного баланса R утрачивает энергетическую информативность поскольку годовые значения этой величины принимают отрицательные значения, а любая ресурсная характеристика должна быть всегда положительной. Это происходит из-за приня-

тых в актинометрии некорректных методов интегрирования временной радиационной функции. Возникают значительные несоответствия между существующей теорией и практикой гидрометеорологических измерений в холодных странах. Так, в условиях Антарктиды или Восточной Сибири, несмотря на отрицательный годовой радиационный баланс, ежегодно происходит процесс испарения, а следовательно, имеются и теплоэнергетические ресурсы этого процесса, не говоря уже об общих теплоэнергетических ресурсах климата.

В 50-60-е годы XX века в работах профессора В. С.Мезенцева и его учеников в Омске был намечен путь выхода из существующей кризисной ситуации в климатологии. В качестве ТЭР климата предложено было использовать "положительный радиационный баланс" в сумме с приходом адвективного тепла от атмосферы. На первых стадиях изучения тепловлаго-оборота на территориях полярных стран и Сибири основной целью омских исследователей было уточнение ТЭР процесса суммарного испарения с поверхности водосборов, что важно для гидрологии в аспекте обоснования расчетов стока неизученных рек и определения расче тных характеристик увлажнения территорий. Знакомство с гляциологической и геокриологической литературой, изучение методологии обработки актинометрических данных, анализ собственных территориальных обобщений расчетных и измеренных характеристик в условиях Западной Сибири привели исследователей к выводам о том, что в холодных странах планеты существуют особые закономерности тепловлагообмена, связанные с криогенными факторами, которые нельзя не учитывать в теплобалансовых и гидрологических расчетах.

Результатом гидролого-энергетического изучения природы холодных стран - Антарктики, Арктики и Сибири стала разработанная в Омске И.В. Карна-цевичем (1989, 1991) [1,4,5] новейшая концепция экзоэнергетики, позволившая решить генетически проблему неувязок в теории и практике тепловодно-балансовых исследований в условиях криолитозоны. Основу концепции составляет совместный анализ двух сопряженных временных функций - функции теплосодержания и радиационной функции.

Функция теплосодержания - важнейшая энергетическая характеристика деятельного слоя земной поверхности, определяющая энергетический его потенциал по отношению к космическому фону. Радиационная функция измеряется на актинометрических площадках метеорологических станций с помощью стандартного прибора — балансомера Янишев-ского. Используемые в практике мировой актинометрии методы интегрирования радиационной функции в интервалах календарных периодов (час, сутки, месяц, год) приводят, как показывает анализ, к потере значительной части, а в полярных странах - к полной потере энергетической информации. Поскольку Западная Сибирь относится к холодным регионам планеты, возникает необходимость уточнения количественных характеристиктеплообеспеченности и увлажнения, в первую очередь, норм увлажнения и тепло-энергоресурсов климата на основе использования новой энергетической концепции с учетом криогенных процессов.

В работах И.В.Карнацевича, относящихся к началу-середине 1990-хгг.[2-11], показаны вышеперечисленные причины сложившегося в климатологии кризиса в подходах к оценке величины ТЭР климата и испарения для холодных регионов планеты, то есть

некорректное интегрирование радиационной функции внутри суток и года по календарным интервалам. Суммирование должно производиться в интервалах радиационных сезонов или радиационных суточных полупериодов. И,В. Карнацевич убедительно доказал, что использование скомпенсированного радиационного баланса R в официальной гидрометеорологической науке в качестве теплоэнергетических ресурсов климата приводит к потере физического смысла ТЭР климата в холодных регионах, так как годовые значения радиационного баланса в условиях криолитозоны на огромных территориях имеют отрицательные значения, а ресурсы в принципе не могут быть отрицательной величиной.

В работах В.С.Мезенцева (1957)(15], В.С.Мезенцева и И.В.Карнацевича (1969) [16], В.С.Мезенцева и др (1966,1974), К.П.Березникова (1978) [26], Г.В.Бело-ненко (1985) [27], О. В .Мезенцевой [ 12,13,14 ] и других исследователей омской гидрологической школы в качестве теплоэнергетических ресурсов климата используется уже не величина скомпенсированного радиационного баланса, а сумма коротковолнового (R+) и длинноволнового адвективного (Р+) прихода энергии к поверхности деятельного слоя, полученных на основе актинометрических данных или расчетным способом по эмпирическим зависимостям. Уравнение теплового баланса рассматривалось уже в 60-х гг. в виде

R++ Р++ДВ= LZ + Т,

где R+ — коротковолновая составляющая величины годового радиационного баланса, Р+ — адвективный приход энергии к поверхности, ДВ = В,-В2 — теплообмен в деятельном слое, В, — поток тепловой энергии, направленный из деятельного слоя земли в сторону приземного воздуха, В2 — поток тепловой энергии, направленный от приземного слоя воздуха вглубь деятельного слоя, LZ — затраты тепла на испарение, Т — суммарный турбулентный теплообмен земной поверхности и атмосферы с учетом отрицательной адвекции и ночного эффективного излучения земной поверхности, частично компенсируемого теплотой, выделяющейся при конденсации атмосферной влаги.

В работах этих же авторов показано для высоких широт фактическое различие величин ТЭР климата (TJ и ТЭР процесса испарения (Тг). В качестве водного эквивалента теплоэнергетических ресурсов климата использовалась величина Zm, которая всегда больше испарения Z, в том числе и испарения с водной поверхности Z0 (испаряемости).

В работах B.C. Мезенцева и И.В. Карнацевича показано, что погрешности в оценке ТЭР испарения (Tz), например в Антарктиде и Арктике, при использовании вместо истинных ТЭР климата величины радиационного баланса R очень велики. Действие мерзлотных факторов (промерзание почвогрунта, образование снежного покрова) приводит к неизбежным сезонным затратам части теплоресурсов климата на процессы нагревания — таяния в деятельном слое. Часть ТЭР климата (DTK = Ти - Tz), которая могла бы быть затрачена весной и летом на испарение и транспирацию, означающую процесс создания фитомассы, в холодных странах вынужденно тратится на нагревание и таяние снега и льда в почвогрунтах.

В структуре ТЭР климатов холодных регионов, особенно в морском климате, значительную долю составляют поступления адвективной тепловой энер-

гии Р+. Поэтому для холодных стран И.В. Карнаце-вичем было введено понятие «криоклиматического коэффициента усг(0» как соотношения между сезонными затратами теплоты на компенсацию воздействий холода весной ДТк и величиной ТЭР климата Тк

Уст = ЛТк/Тк- И)

а также понятие «коэффициента адвекции тепла аьлмл как соотношения между Р+ и теплоэнергетическими ресурсами климата Тк

^ = Р+/Т..

Эти коэффициенты позволяют строго определить на карте положение границы криолитозоны (усп0 =0), а также осуществить количественную оценку доли адвективной составляющей в структуре ТЭР климата территории.

Расчеты водного и теплового баланса после уточнения энергетических ресурсов природных процессов позволяют оценивать расчетом величины стока, испарения, влажности почвы с достаточной точностью, соизмеримой с погрешностью их измерений.

Так, во второй половине 20-го столетия энергетическую основу получили климатология и водно-балансовая гидрология. Основа эта оказалась универсальна в отношении применимости во всех климатических зонах, включая полярные области. Оказалось, что уравнение теплового баланса в редакции Шмидта-Будыко, сыгравшее важнейшую роль в изучении тепловлагооборотов на поверхности водосборов, применимо лишь в низких и умеренных широтах, то есть не является универсальным для всей земной поверхности.

Весьма существенное уточнение энергетической базы процесса испарения, создающего биомассу, имеет не только теоретическое, но и практическое значение, если учесть, что тепловые и водные ресурсы многих территорий России, особенно Сибири, изучены слабо. Например, на большей части водотоков Сибири не производились никогда режимные наблюдения, а это значит, что тепловые и водные ресурсы огромных территорий достоверно не известны.

Изучение сибирскими (омскими) учеными территориальных особенностей распределения элементов уравнений теплового и водного баланса на основе концепции экзоэнергетики климата и уточнение теп-ловоднобалансовых характеристик для различных территорий суши, по сути являющихся ресурсными, внесло значительный вклад в теоретические и прикладные исследования в области климатологии и гидрологии суши, а также в области оценки важнейших возобновляемых видов природных ресурсов климата — водных и теплоэнергетических ресурсов.

Библиографический список

1. Карнацевич И.В. Расчеты тепловых и водных ресурсов малых речных водосборов на территории Сибири. 4.1. Теплоэнергетические ресурсы климата и климатических процессов: Учебное пособие,Омск:Изд.ОмСХИ, 1989.-76с.

2. Карнацевич И.В. Расчеты тепловых и водных ресурсов малых речных водосборов на территории Сибири. 4.2. Водные ресурсы и водный баланс; Учебное пособие, Омск: Изд. ОмСХИ, 1991.-82 с.

3. Карнацевич И.В. Теплоэнергетические ресурсы суммарного испарения и фитопроцесса в высоких широтах // Труды V Всесо-

юзного гидрологического съезда .Водные ресурсы и водный баланс., Л., Гидрометеоиэдат, 1988. - с.281-287.

4. Карнацевич И.В.Теплоэнергетические ресурсы радиационных сезонов в условиях криолитозоны// Метеорология, климатология и гидрология, 1991, N27,c.81-89.

5. Карнацевич И.В. Коротковолновая составляющая теплоэнергетических ресурсов климатических процессов на территории СССР // География и природные ресурсы. -1991. - N1. -с.118-123.

6. Карнацевич И. В. Теплоэнергетические ресурсы зимнего периода на территориях полярных стран и Сибири // География иприродные ресурсы. - 1992.-N4.- С. 167-169.

7. Карнацевич И.В. Энергетические ресурсы зимнего сезона в Сибири и полярных странах// Материалы 1 Международной конференции "Криопедология" (10-14 ноября, 1992, Пущино)/ Российско-американский семинар "Криопедология и глобальные изменения" (15-1бноября, 1992, Пущино).-Пущино, 1992.-с.136-40.

8. Карнацевич И.В.,ТусупбековЖ.А.Криоклиматическая характеристика Евразии // География и природные ресурсы, N2, 1994.-с.176-178.

9. Карнацевич И.В. Энергетические ресурсы земной поверхности в холодных странах.// Известия РГО, 1995.T. 127,вып.6,с. 10-17.

10. Карнацевич И.В., Тусупбеков Ж.А. Картакриоклимати-ческой характеристики территории Евразии. // Изв. РГО, 1996, Т. 128, вып.3,с.64-65.

11. Карнацевич И.В. Теплоэнергетические ресурсы климатов Антарктиды //Водохозяйственные проблемы освоения Сибири. Сб. научных трудов Омского госагроуниверситета,Омск, 1996,с.28-35.

12. Мезенцева О.В. Методика расчета теплоэнергетических ресурсов процессов тепло и влагообмена.//Гидрология и гидротехнические мелиорации, Омск, Изд. ОмСХИ, 1982,с.65-71.

13. МезенцеваО.В. Естественная тепловлагообеспеченность южного междуречья Оби и Енисея. //Метеорология, климатология и гидрология: Респ. межвед. науч. сб., Изд. Вища школа, Киев-Одесса, 1983, вып. 19, с. 17-24.

14. Мезенцева О.В. Показатель адвекции как характеристика структуры теплоэнергетических ресурсов климатов.// Вопросы теории и практики гидрологии, климатологии и водных мелиорации, Омск, Иэд.ОмГАУ, 2001, с.51-55.

15. Мезенцев B.C. Метод гидролого-климатических расчетов и опыт его применения для районирования Западно-Сибирской равниныпо признакам увлажнения итеплообеспеченности //Труды/Омск.с.-х. ин-т,- 1957.-T.27.

16. МеэенцевВ.С., Карнацевич И.В. Увлажненность ЗападноСибирской равнины.-Л.,Гидрометеоиздат,1969.-168с.

17. Мезенцев B.C. Гидролого-климатические основы проектирования гидромелиорации: Учебное пособие // ОмСХИ.-Омск, 1993.-128с.

18. МезенцевВ.С. Омировом водномитеплоэнергетическом балансах. -М.// "ВестникМГУ", 1978, N2. -с.31-37.

19. Мезенцев B.C. Атлас увлажнения итеплообеспеченности Западно-Сибирской равнины.-Омск, ИздОмСХИ, 1961 .-66с.

20. Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли. - Л., Гидрометеоиэдат, 1974.-636с.

21. Атлас Мирового водного баланса. - Д., Гидрометеоиэдат, 1974.

22. Ольдекоп Э.М. Об испарении с поверхности речных бассейнов.// Сб.тр.Метеорологич. обсерв.Императ. Юрьевского ун-Ta.-T.1V, 1911.-209с.

23. Будыко М.И. Тепловой баланс земной поверхности.-Л.: Гидрометеоиэдат, 195б.-255с.

24. Будыко М.И. Испарениев естественных условиях.-Л.:Гидро-метеоиздат, 1948.- 136с.

25. Будыко М.И. Атлас «Тепловой баланс Земли».-Л.:Гидро-метеоиздат, 1978.

26. Березников К.П.Тепловлагообмен и вопросы орошения и осушения на юге Дальнего Востока.// Труды ДВНИГМИ, Вып.72, 1978 - 130с.

27. Белоненко Г.В. Воднобалансовые расчеты неизученных бассейнов малых рек,-Омск,Изд.ОмСХИ, 1985.-72с.

МЕЗЕНЦЕВА Ольга Варфоломеевна, кандидат географических наук, доцент, заведующая кафедрой физической географии.

АБЛОВА Ирина Михайловна, старший преподаватель кафедры физической географии. БАЛОШЕНКО Валентина Ивановна, старший преподаватель кафедры физической географии.

УДИ 551 58 556 1 (571.1) И. М. АБЛОВА

В. И. БАЛОШЕНКО Н. О. ИГЕНБАЕВА И. В. КАРНАЦЕВИЧ О. В. МЕЗЕНЦЕВА

Омский государственный педагогический университет

РЕСУРСЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГЕОГРАФИЧЕСКОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЕСТЕСТВЕННОГО УВЛАЖНЕНИЯ ВОДОСБОРОВ

ЗАПАДНО-СИБИРСКОЙ РАВНИНЫ

В статье приводится методика корректировки атмосферных осадков с учетом стока с водосборных площадей на примере Западной Сибири. Выполнено построение электронной карты атмосферного увлажнения с использованием Мар1п(о с учетом предлагаемой методики корректировки осадков.

На протяжении 17-20 вв. одной из основных проблем гидрологии была проблема точного количественного определения элементов водных балансов речных водосборов: атмосферных осадков, стока воды с земной поверхности и особенно суммарного испарения. Если первые два элемента поддаются хоть какому-то измерению, то измерить невидимые потоки водяного пара с разнородных поверхностей - полей, лесов, болот - всегда было сложнейшей и до сих пор неразрешимой задачей.

В работах, связанных с изучением естественного увлажнения и теплообеспеченности территории СССР, относящихся к 1940-1950-м гг., климатологи и гидрологи (А.А.Григорьев, В.А.Троицкий, М.И.Буды-ко), основываясь на имеющемся тогда весьма малочисленном материале наблюдений, считали, что на севере, в тундрах Сибири переувлажнение настолько велико, что фактическое испарение Е в зоне избыточного увлажнения и малой теплообеспеченности равно своему теоретическому пределу — испаряемости Е0. В Атласе теплового баланса [3] для севера исследуемой территории отношение Е/Е0 = 1. Это означало, что если испаряемость — водный эквивалент тепловых ресурсов климата, то, значит, в этих условиях затраты тепла на турбулентный теплообмен отсутствуют. Физически это невозможно, поскольку для переноса пара от испаряющей поверхности необходимы затраты энергии.

Измерение атмосферных осадков метеорологическим осадкомером производится с целым рядом погрешностей, главными из которых является значи-

тельный недоучет твердых осадков из-за аэродинамических искажений структуры воздушного потока в том месте пространства, где установлен измерительный прибор. Результаты действия этого эффекта наблюдаются визуально зимой на снегу вокруг столбов и деревьев. Они выражаются в виде ям в снегу правильной круглой в плане формы, образующихся вокруг стволов из-за эжекторного эффекта - выноса гидрометеоров потоком воздуха при обтекании препятствия.

В 1960-х гг. в СССР и других странах были выполнены работы по количественному учету твердых осадков, не попавших в стакан осадкомера при разных скоростях ветра и при разном типе защищенности места установки прибора зданиями, лесными массивами и другими препятствиями для воздушного потока. Результаты экспериментальных работ и методики внесения поправок к показаниям стандартных приборов были опубликованы Гидрометеослужбой в Справочнике по климату СССР [16]. Эти поправки выведены для среднего годового периода, то есть должны вводиться к средним за много лет месячным суммам осадков, измеренных осадкомером Третьякова. В табл. 1 приведены значения поправочных коэффициентов для нескольких станций Западной Сибири.

Опытводнобалансовых расчетов, накопленный в Омском СХИ в процессе исследований Срединного региона СССР в 1960-70-х гг., показал, что в многоснежные зимы поправки к твердым осадкам должны быть меньше, чем приведенные в Справочнике по