CC BY
25
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
Таблица 1
Поправочные коэффициенты к твердым осадкам для метеостанций Западной Сибири
Станция Поправочный коэффициент к зимним осадкам Станция Поправочный коэффициент к зимним осадкам
Новый Порт - Тобольск 1,51
Салехард 1,68 Ишим 1,85
Сургут 1,70 Омск 1,87
климату. В малоснежные зимы введение даже завышенных поправочных коэффициентов не приводит к значительным ошибкам в расчетных значениях стока. Однако методику введения поправок для конкретных зим создать не удалось. Введение же рекомендуемых Справочником по климату поправок к средним многолетним значениям осадков не всегда дает желательные результаты.
Другим видом недоучета осадков прибором является смачивание стенок сосуда. На метеостанциях и постах при замерах осадков вводится поправка на испарение из сосуда (0,2 мм на каждое измерение), Помимо этих погрешностей существует погрешность за счет нерепрезентативности измерений. Дело в том, что структура дождей, а особенно ливней, довольно сложна — они выпадают на ограниченной площади, причем, как показывают радарные измерения, в центре интенсивность осадков больше, к краям пятна — меньше. Прибор же относительно такого пятна может оказаться в любом месте. Только при осреднении измерений за десятки и сотни лет можно надеяться получить результат, близкий к математическому ожиданию.
Другая проблема нерепрезентативности в том, что метеостанции расположены почти всегда в населенных пунктах, и часто в линейных понижениях рельефа, где осадков, как правило, выпадает меньше по сравнению с водораздельными пространствами из-за адиабатического расширения здесь воздушных масс, обтекающих земную поверхность. В результате при картографическом описании поля атмосферных осадков в виде изогиет поверхность получается заниженной, а при замыкании водных балансов водосборов оказывается, что при данном увлажнении суммарное испарение слишком мало по сравнению с теплообеспеченностью.
Как бы то ни было, научные представления об естественном увлажнении с каждым десятилетием становились все более близкими к действительности (табл.2), демонстрируя тенденцию к увеличению. Например, в Атласе Азиатской России (1914) на климатической карте, построенной для среднего года, в Западной Сибири проведены только изогиеты 200, 300 и 400 мм/год, в старом Климатологическом справочнике [ 12 ] годовые нормы осадков (по дождемеру с защитой Нифера) в Салехарде составляют лишь 320 мм в год, хотя только сток рек в лесотундре, по гидрометрическим данным, равен 300 мм в год!
Анализ таблицы 2 свидетельствует о значительном уточнении научных представлений о естественном увлажнении исследуемой территории, происшедшем в послевоенные годы благодаря замене дождемера с защитой Нифера на осадкомер Третьякова с планочной защитой и внесению поправок к показаниям стандартных приборов.
Годовые нормы атмосферных осадков, исправленных в региональных управлениях Гидрометеослуж-
Таблица 2
Годовые нормы атмосферных осадков в мм/год
(по Атласу Азиатской России 1914 г., Климатологическому справочнику 1947 г., Справочнику по климату СССР 1966 г.)
Станция 1914 г. 1948 г. 1968 г.
Салехард 250 320 565
Сургут 360 482 676
Ишим 400 330 454
Омск 360 324 430
бы и обсерваториях на недоучет прибором по методике и под единым научным руководством ГТО, по данным Справочника по климату СССР [16], получаются на Ямале и Гыданском полуострове от 400 до 500 мм в год, в бассейнах рек — притоков Нижнего Иртыша и Нижней Оби (Северная Сосьва, Конда, Казым, На-зым, Пим и Лямин, Тавда, Тура) — от 500 до 550 мм в гол в бассейне Средней Оби в пределах Томской и Новосибирской областей от 600 до 700 мм в год, а в лесостепной зоне на юге территории — от 500 до 400 мм в год. На крайнем юге, в Казахстане, осадки составляют 350-400 мм в год. На крайнем юго-востоке, на возвышенностях Сокур, Салаирский кряж и Приобское плато, годовые нормы осадков 650-720 мм в год.
Целью настоящей работы было составление карты изолиний величины общего увлажнения территории Западной Сибирской равнины по материалам многолетних наблюдений Уральского, Омского, Западно-Сибирского, Красноярского и Казахского управлений Гидрометеослужбы СССР, опубликованным в многотомном Справочнике по климату СССР [16, Вып. 9, 17,18, 20 и 21]. Всего использованы для построения карты изолиний материалы 238 станций.
Анализ исходных материалов и выбор параметров для расчета суммарного испарения
Северная половина Западной Сибири относится к наименее изученным в гидрометеорологическом отношении областям Сибири. На севере исследуемой территории, в Ямало-Ненецком автономном округе на площади около 1 млн. квадратных километров расположены лишь 36 метеорологических станций. На Ямале, где работают около 8 000 водотоков, ни один из которых не изучен в гидрометрическом отношении, все 10 метеостанций располагаются на побережьях. Таким образом, на севере территории одна метеостанция приходится на 28 000 кв. км, то есть на территорию размером 100x280км! В условиях такой слабой изученности многие исследователи отмечали полную нерепрезентативность данных об атмосферных осадках, полученных на метеостанциях севера территории. Практикой и теорией гидрометеорологии установлено [ 13, с. 106], что только сеть приборов с плотностью, равной один прибор на 1,5 - 2 км2, может обеспечить 100 %-ную вероятность регистрации осадков, выпавших на площади примерно 25 км2. На площади же в 600 кв. км для обеспечения 100%-ной вероятности обнаружения только самого факта выпадения осадков необходима плотность сети, равная один прибор на 10 км2
Исходная информация о гидрометрическом стоке [ 1 ] является наиболее обоснованной характеристикой естественного увлажнения территории, поскольку сток с водосборов измеряется в замыкающем створе со средней ошибкой ± 10% (данные Гидрометеослужбы). Слой стока с водосборов, имеющих пло-
Таблица 3
Годовые нормы исправленных атмосферных осадков X в мм/год по данным Справочника по климату СССР
Станция Годовая норма осадков Станция Годовая норма осадков
Салехард 585 Тобольск 567
Уренгой 531 Коллашево 596
Туруханск 666 Енисейск 572
Березово 514 Курган 429
Тарко-Сале 584 Омск 430
Верхне-Имбатское 680 Новосибирск 514
Шаим 533 Кустанай 373
Сургут 675 Кокчетав 385
Ларьяк 604 Павлодар 352
Подкаменная Тунгуска 671 Рубцовск 454
щади в несколько тысяч или десятков тысяч квадратных километров, характеризует местные влагоре-сурсы (выпадающие в течение года на землю атмосферные осадки) гораздо надежнее, чем осадкомерные сосуды (приборы) с площадью приемного отверстия в несколько десятков квадратных сантиметров и к тому же размещенные не в характерных местах для огромных пространств между метеостанциями, не на преобладающих ландшафтных поверхностях заболоченных междуречий, а в населенных пунктах, то есть в условиях суходолов и в близи от русла реки. Как известно, атмосферные осадки распределяются по высоте, возрастая с высотой местности, стало быть, приборы, установленные в ложбинах земной поверхности регистрируют преуменьшенные осадки, а это преуменьшение тем больше, чем глубже врезана долина реки и ниже абсолютная отметка земной поверхности в месте установки прибора.
В таблице 4 приведены взятые из [ 16) высоты метеостанций и диапазоны отметок характерных поверхностей соседних водосборов. Реки Казым, Надым, Пур, Таз, Назым, Лямин, Пим, Тромъёган, Аган, правые притоки Ваха начинаются в Сибирских Увалах, абсолютные отметки которых 150-200 м, а метеостанции (Тарко-Сале, Ханты-Мансийск, Сургут, Ларьяк) расположены на отметках 29-55 м.
При составлении карты норм осадков следует обратить внимание на явно преуменьшенные для заболоченной тайги цифры — нормы измеренных и исправленных осадков на станциях Саранпауль (513 мм),
Березово (514мм), Казым (519мм), Игрим (494мм), Кондинское (535мм), Хонгокурт (505мм). Такие осадки характерны для лесостепи Омской и Новосибирской области, но никак не для Северного Приобья.
Детальный анализ показывает, что использовать данные большинства метеостанций, расположенных в понижениях рельефа и в глубоко врезанных долинах больших рек, можно лишь для характеристики местных особенностей выпадения осадков, но никак не для включения измеренных на этих станциях осадков в уравнения водного баланса водосборов.
Гораздо надежнее принять за исходные данные измеренный сток и тепловые ресурсы испарения, которые, как показывают карты этих характеристик [ 1, 7,9, 14], распределяются по территории в соответствии с законом широтной зональности на беспрецедентно равнинной территории Западной Сибири. По этим данным с помощью уравнения водного баланса и уравнения связи элементов водного и теплового балансов можно вычислять сток и суммарное испарение, если известно значение параметра п в уравнении связи B.C. Мезенцева [14]:
где л - параметр, значения которого зависятотусловий стока: л = 3,0 - для равнин теплых стран и п < 3.0 — для горных областей и холодных стран.
Таблица 4
Метеостанция Н, м Абс. отметки пое-ти водосборов В, м
Салехард 18 100-120
Мужи 1В С запада от ст. Мужи - горы высотой до 250
Березово 20 С запада от этих станций расположена Северо- Сосьвинская возвышенность с высотами 200-260
Игрим 18
Няксимволь 51
Сосьва 26
Саранпауль 29 Станция находится в орографической тени горы Неройка высотой до 1640
Тарко-Сале, Сургут, Ханты-Мансийск, Ларьяк 29-55 Сибирские Увалы имеют высоты от 100 до 150-200
Отметки мест расположения метеостанций Западной Сибири Н, м и преобладающие отметки поверхностей соседних водосборов В, м
Такая работа была проделана впервые В.С.Мезенцевым и И.В.Карнацевичем [14, с. 43]. Для северной половины территории Западной Сибири были получены косвенным путем годовые нормы атмосферных осадков от 700 до 800 мм в год, в то время как по Климатологическому справочнику СССР [12, с 78-79] годовые осадки в Салехарде считались равными всего лишь 320 мм, а в Ра-Изе — 487 мм/год! Общее увлажнение КХ, как назвали тогда авторы полученные осадки, оказалось несколько завышенным по сравнению с исправленными несколько лет спустя и опубликованными данными Гидрометслужбы [СК СССР, вып. 17,4.IV.].
Определение параметра п в уравнении связи для водосборов лесоболотной зоны
Прежде всего, были рассчитаны значения норм слоя годового стока северной половины территории (станции 1-91) и произведено сравнение вычисленных значений со значениями, снятыми с карты ГГИ. Теснота связи характеризуется коэффициентом корреляции г = 0.79.
Расчет величины общего увлажнения КХ по исходным данным о стоке [ 1 ] и максимально возможном испарении, полученном по эмпирической формуле, приведенной в работе [10], был выполнен для станций северной половины территории при значении параметра п = 3.
Дальнейшая работа по дифференцированной увязке элементов водного баланса в пределах каждой
из четырех областей строилась следующим образом. Для станций тундры (Ямал) по гидрометрическому стоку [1] и тепловым ресурсам суммарного испарения были рассчитаны по программе "Расчет общего увлажнения" (VBА) значения общего увлажнения при разных значениях параметра п в уравнении связи ( 1 ). Наибольший коэффициент корреляции получился при п = 2 (г = 0,94).
В качестве критерия при выборе значения параметра п в лесоболотной зоне принята наилучшая сходимость средних зональных значений рассчитанных значений КХ и измеренных осадков X. Для бассейнов Средней Оби значения отношения КХ/Х получились при п = 2, Зи2,5следующие: 0,936, 1,05и 1,006. таким образом, значение п = 2,5 наиболее правильно отражает условия стока в пределах зоны тайги западной Сибири.
Для того, чтобы оценить значение параметра п при заниженных, как мы уже убедились, значениях атмосферных осадков в области 2, были произведены вычисления КХ по гидрометрическому стоку и теплоресурсам испарения для значений п = 3, 2, 1,5, 1,3, 1,2,1,25. Отношение КХ/Х получилось равным соответственно 1,285,1,18,1,086, 1,022, 0,989и 1,005. Таким образом, во 2-й области значение параметра п получается весьма заниженным (п = 1,25), что означает особенно благоприятные условия для стока, а это нельзя объяснить физически, поскольку условия плоских заболоченных водоразделов на западе и востоке лесной зоны исследуемой территории одинаковы. Поэтому для всей лесоболотной зоны были про-
, г400х о
V \г
\ \600 <3*4<я«арт0,ск...... "
<
Тюмень--?- !
- —~ "•• л-,
■у
—I
\ i"
y
'ч/ ( '' Том ; о Л
S КемерЬво
^ ■ <■ t V
АУР?°" " -> ( . » -------%/o7on,Èi>pçK \
? 0 Г OufK ' л _/>• Jj _ !
t s f
■yoo l
Kyunàtwii
■ "On
Г/ --.
.. * ./y- , ... .
— .; 1 i, * ■•.. , !
S »4 • ' „ ■ ¥ /"' ! ■
>' \ * * \;/C. \
186
Рис. 1. Общее увлажнение земной поверхности КХ, мм/год.
изведены расчеты стока и испарения при значении п = 2,5.
При воднобалансовом анализе годовых норм осадков совместно с гидрометрическим стоком на территории Западно-Сибирской равнины четко выделяются 4 области:
1. Крайний север территории - тундры Ямала и Гыданского полуострова, где сток совершенно не изучен, а погрешности измерения атмосферных осадков не выяснены и не оценены. В этих условиях приходится использовать данные об измеренных осадках и тепловые ресурсы испарения в качестве исходной информации для оценки стока и испарения.
2. Водосборы Нижней Оби и ее притоков, где сток изучен достаточно надежно для построения карты стока. Здесь измеренные осадки составляют всего 500-550 мм, то есть значительно меньше, чем в бассейнах Средней Оби, хотя условия стока (рельеф, почвы, растительность) такие же, что подтверждает широтный ход изолиний стока на карте ГТИ. Если вычислить по исправленным годовым осадкам и тепловым ресурсам испарения по уравнению связи слой годового стока в средний год получаются явно значительно преуменьшенные значения стока в области 2.
3. Бассейны рек Средней Оби и Обь-Енисейского междуречья, где изученность стока достаточно надежная, как и в области 2.
4. Крайний юг территории — лесостепная и степная зоны, где густота сети осадкомерных измерений наибольшая, осадки уменьшаются от 550-500 мм на границе с лесной зоной до 400-300 мм на южной границе равнины. Здесь слой стока быстро уменьшается при продвижении с севера на юг от 100 мм на юге лесной зоны до 20 мм на южной границе лесостепей. В степной зоне и южной половине лесостепи очень мало рек, здесь расположены тысячи озер. Гидрометрических данных практически нет, нет стоковых площадок, а модули стока с больших висячих водосборов зависят от площади водосбора — с увеличением площади уменьшаются значения модулей поскольку увеличиваются доли поверхностей, с которых вода не доходит до замыкающего створа, испаряясь из многочисленных микропонижений. В этих условиях, как показал многолетний опыт гидролого-климатических исследований, наилучшим методом для определения стока и испарения является совместное решение уравнений связи и водного баланса при п = 3.
Территориальное распределение годовых сумм осадков за средний год связано с особенностями циркуляции воздушных масс умеренных широт надданной территорией. В лесной зоне выпадает наибольшее количество осадков (600-650 мм/год). На севере в условиях побережья Карского моря годовая норма осадков, уточненная согласно вышеприведенной методике, достигает значений 400-550мм/год. Это связано с морским климатом, влиянием теплых течений Баренцева моря и некоторым влиянием западного переноса воздушных масс. В условиях Казахского мелкосопочника значения атмосферного увлажнения резко снижаются до 250-350 мм/год в связи с резкой континентальностью климата. Здесь имеет место лишь небольшое увеличение сумм осадков при продвижении на юго-восток, где оказывают барьерное
влияние возвышенные районы. Наиболее выражен барьерный эффект на западном склоне Кузнецкого Алатау, расположенного в меридиональном направлении.
Библиографический список
1. Атлас расчетных гидрологических карт и номограмм /Гид-рометиздат.-Л,-1980.
2. Атлас теплового баланса земного шара. Под ред. М. И. Бу-дыко-.М. 1963.
3. Атлас теплового баланса. Под ред. М. И. Будыко.Л., 1955.
4. Атлас Тюменской области - Вып. I. Разд. Поверхностные воды,л. 17. Москва—Тюмень, 1971.
5. БудыкоМ. И. Испарение в естественных условиях. Л., 1948.
6. Будыко М. И. Тепловой баланс земной поверхности. Л., 1956.
7. Быков В. Д., Воскресенский К. П., Карнацевич И.В., Мезенцев B.C. Карта годового стока. — В кн.:
8. Водные ресурсы и водный баланс территории Советского Союза. Гидрометеоиздат, Л,- 1967.-200C.
9. Карнацевич И.В. О принципах изучения стока малых водо-токов//Гидрология и гидротехнические мелиорации Сибири: Сб. науч. тр./ОмСХИ. — Омск, 1980. — С. 51—54.
10. 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, 1989. — 75 с.
11. Карнацевич И.В., Тусупбеков Ж.А. Криоклиматическая характеристика Евразии//География и природ, ресурсы. — 1994.
— №2, —С. 176—178,
12. Климатологический справочник СССР.Вып. 17. Изд. Омского Управления Гидрометеорологической службы.-Омск.-1947.-180 с.
13. Литвинов И.В, Осадки в атмосфере и на поверхности земли ГИМИЗ.-Л,-1980.-208 с.
14. Мезенцев B.C., Карнацевич И. В. Увлажненность ЗападноСибирской, равнины,—Л.: Гидрометеоиздат, 1969, — 168 с.
15. Мезенцев B.C., Карнацевич И.В. Карта общего увлажнения.
— В кн.: Атлас Тюменской области. Вып. I. Разд. Климат, л. 11. Москва—Тюмень, 1971.
16. Справочник по климату СССР. — Л.: Гидрометеоиздат, 1965—1969 —Вып. 17, 20—25,33. —Ч, 1—1У.
17. Троицкий В.А. Гидрологическое районирование СССР. Изд. АН СССР, М.-Л.-1948.-112с.
18. Тусупбеков ЖА. Радиационные сезоны и их границы/Водохозяйственные проблемы освоения Сибири.-Омск. 1996.-С.27-29.
АБЛОВА Ирина Михайловна, старший преподаватель кафедры физической географии. БАЛОШЕНКО Валентина Ивановна, старший преподаватель кафедры физической географии. ИГЕНБАЕВАНаталья Олеговна, ассистент кафедры физической географии.
КАРНАЦЕВИЧ Игорь Владиславович, доктор географических наук, профессор кафедры физической географии.
МЕЗЕНЦЕВА Ольга Варфоломеевна, кандидат географических наук, доцент, заведующая кафедрой физической географии.
