CC BY
20
2. Мезенцев B.C., Карнацевич И.В. Антропогенные изменения в режиме Иртыша у Омска до 1980 г. / Водохозяйственные проблемы освоения Сибири. - Сб. науч. тр. Омского гос. аграрного ун-та. Омск. 1996.-C.I0-17.
3. Хрущев С.А. Вычисление расхода потока методом интегральных сумм с помощью ЭВМ// Вопросы теории и практики гидрологии, климатологии и водных мелиораций/Сб. науч. тр. ОмГАУ.-Омск.-2001.С. 14-23.
4. Российское Агентство по патентам и товарным знакам/ Патент RU (1.32606 d.UI (54) устройство для измерения скорости потока. Дата публикации сведений о выдаче патента: 20.09.2003, Бюл. Ns 26.
КАРНАЦЕВИЧ Игорь Владиславович, доктор географических наук; профессор кафедры гидрогеологии, гидравлики и инженерной гидрологии Омского государственного аграрного университета и кафедры физической географии Омского государственного педагогического института.
Дата поступления статьи в редакцию: 24.01.06 г. © Карнацевич И.В.
УДК 511.581 (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
В статье 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 водо-потребления и водных ресурсов реки Иртыша на отдельных участках. Вклад испарения со снега в 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 заключить, что проблема количественной оценки испарения со снега за зимнее полугодие на тер-
ритории 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, озёра, 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 O.A. Спенглера, А.И. Решетникова и П.П. Кузьмина в Валдайской лаборатории Государственного гидрологического института. Измерения испарения производили с помощью испарителей различных размеров и конструкций. В 1938 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 и 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 период весеннего 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 наконец 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 Заилий-ского 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, по данным 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 её мнению, суммарная величина испарения со снежного покрова для всей территории России одинаковая и составляет 25 мм.
A.M. 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. А. Красовский [11] оценивает потери на испарение снега значениями, равными 20-25 % от снего-запасов.
Согласно наблюдениям Н.М. Горшенина весной 1941 г. при затяжном характере и значительных запасах воды в снеге испаррние в межполосных пространствах составило около 8% снегозлпасов, а в 1940 г, на участках с небольшими запасами воды в снежном покрове оно достигало 25 % снегозапасов.
B.М. Кот ^яков [12,13] указывает, что суммарные величины испарения со снежного покрова на равнинах не превышает 3? 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 завесь 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 таблице 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 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 неограниченные, 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 Т 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
Таблица 1
Суммарное испарение эа зимний период (нонбрь-март), по данным разных авторов, мм
Станция Орлова [14] Константинов [7] Кузнецов [2] По формуле Семенова (2] Мезенцев, Карнацевич [3]
Сургут 0 0 17 36
Енисейск 28 1.1 31 40
Тобольск 34 3,2 31 39
Тюмень 33 46 38
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
континентальных областях Якутии не превышают в средний год 50 МДж/м2, по линии 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 полярников (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 зависи-
мостей 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 И+т (рис.1) составляет на арктических побережьях Сибири в средний год около 10 МДж/м2, по линии Салехард — Игарка - Жиганск — Верхоянск — Билибино -20 МДж/м2, по линии Сургут — Подкаменная Тун-гусска — Мирный —Якутск — 50 МДж /м2 , на юге Омской области иКулунды, а также вдоль западной половины трассы БАМ - 100 МДж/м2 [18]. Положительный радиационный баланс зимнего сезона представляет собой энергетический предел ("потолок") затрат энергии на испарение снега в Западной Сибири. Пересчитав величину Я+т в величину максимально возможного испарения радиационно-темный сезон 7. шт (водного эквивалента теплоэнергетических ресурсов) заполучим:
Рис. 1. Коротковолновая составляющая ТЭР климата за радиационно-темный сезон Ит*, МДж/мг
Рис. 2. Испарение со снежного покрова на территории Сибири в средний год
Таблица 2
Составляющие теплоэнергоресурсов климата зимнего сезона Тт, МДж/ма и испарение со снежного покрова Хт, мм
Метеостанция Тт, МДж/м' Р + т ,МДж/мг И + т, МДж/м2 2тт. мм 2г, 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 ■ У ^ 19
Тобольск 97 25 72 2:) 20
Ягыл-Яг 79 0 79 28 22
Тара 85 0 85 ?0 24
Томск 80 0 80 28 22
Омск 98 0 98 34 28
Барабинск 82 0 82 29 23
Чулым 85 0 85 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 Хт, 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 В 7 5 3 3
Сургут 23 20 14 9 7
Енисейск 28 24 17 11 9
Демьянское 28 24 17 И 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
гшт = мм,
где Ь — удельная теплота сублимации, равная 2.85 МДж/м2Чмм.
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 (Хт) равным: на севере Западной Сибири 3-5 мм, в средних широтах территории — порядка 15 мм, а па юге равнины — 20-25 мм (таблица 2, рисунок 2).
В работе [14] по 26-летнему ряду измеренных зимних сумм Я +т ( за период с отрицательными
температурами) установлено, что коэффициент вариации этих сумм CV = 0,29. Принимая CV = = 0,30, определим при С S =2CV значения испарения со снега разной вероятности превышения Р = 3, 10, 90, 97,99 % (таблица 3).
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 немного — 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 годы и на разных 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, поскольку данные разновременных измерений несопоставимы по причине неоднородности рядов и полей.
В Забайкалье, например, твердых осадков за зиму выпадает немного — 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, там, 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, вып.109,1964,- С. 3-36.
3.Карнацевич И.В. Увлажненность Западно-Сибирской равнины,-Л.: Гидрометеоиэдат, 1969,- 168с.
4.Боричевский P.E. Испарение с поверхности снега и почвы в весенний период// Известия Омского отд.ВГО, выпЗ, 1959.
б.Соседов И.С., Филатова Л,Н. Результаты наблюдений над испарением со снежного покрова в горах Заилийского Алатау/ Метеорология и гидрология, №8. 1961.
6.Соседов И. С. Филатова Л.Н. Зимнее испарение с почвы на южных склонах Заилийского Алатау//Сб. «Вопросы гидрологии Казахстана.-1963.
7. Константинов А.Р. Испарение в природе.- А.: Гидрометеоиэдат, 1963.
8. ИвероноваМ. И. К вопросу об испарении со снежного покрова на территории СССР. ИздАН СССР, М.,1961.
9. Алпатьев А.М., Перченок Ф.Ф. Суммарное испарение с поверхности снежного покрова на Европейской территории СССР.// Изв. ВГО, том 95, вып. 6, 1963.
10. Зыков И.В. Особенности снеготаяния и значение лесных полос в Сибирской лесостепи // Природа, №4, 1951.
11. Красовский A.A. О необходимости учета величины испарения снежного покрова в естественных условиях// Метеорология и гидрология, № 1,1941.
12. Котляков В.М. Снежный покров Земли и ледники.- Л.: Гидрометеоиэдат, 1968.-468с.
1 З.Котляков В.М., Дрейер H.H. Снежно-ледовые ресурсы на территории СССР. Труды V Всесоюзного гидрологического съезда. Т. 2. Водные ресурсы и водный баланс - Л.: Гидрометеоиэдат, 1988.-с. 59-67.
14.Орлова В.В. Западная Сибирь / Климат СССР.Вып.4,-Гидрометеоиэдат,-Л.-1962.-360с.
15. Атлас теплового баланса. Под ред. М.И.Будыко. Изд.ГГО.-Л.-1955.
16.Карнацевич И.В. Расчеты тепловых и водных ресурсов малых речных водосборов на территории Сибири,- Омск: ОмСХИ, 1989,- 4.1.-76с.
17. Карнацевич И.В. Теплоэнергетические ресурсы зимнего периода на территории полярных стран и Сибири // Проблемы мелиоративного и водохозяйственного освоения Сибири.-Сб. научн. трудов 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.- 4.1. Теплоэнергетические ресурсы климата и климатических процессов: Учеб. пособие. — Омск, 1989. — 75 с.
КАРНАЦЕВИЧ Игорь Владиславович, доктор географических наук, профессор кафедры гидрогеологии, гидравлики и инженерной гидрологии Омского государственного аграрного университета и кафедры физической географии Омского государственного педагогического института. ВАСИЛЬЕВА Ольга Владимировна, инженер, аспирант Омского государственного аграрного университета.
Дата поступления статьи в редакцию: 24.01.06 г. © Карнацевич И.В., Васильева О.В.
