CC BY
9Журнал «Окружающая среда и энерговедение» (ОСЭ) №1(2023) УДК 551.578.42 (46)+551.321.7
Исследование пространственно-временной неоднородности снежной толщи на площадке Метеорологической обсерватории МГУ зимой 2022/23
года
Фролов Денис Максимович С0000-0002-0307-8175!1.2, Сократов Сергей Альфредович
[0000-0001-9265-2935!1, Кошурников Андрей Викторович Р000-0001-6160-7795!1, Гагарин Владимир Евгеньевич[0000-0001 -8100-4000]1
'Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. г. Москва, Россия 2Е-шаИ: denisfrolovm@mail.ru
Аннотация. В работе представлены результаты полевых исследований, проведенных на метеоплощадке МГУ за зимний период 2022/2023. Целью наблюдений являлось изучение развития снежной толщи и ее пространственной изменчивости за один зимний сезон. Полевые исследования заключались в анализе стратиграфических слоев снежной толщи и измерении их плотности. Полученные данные позволили охарактеризовать и оценить изменения снежных слоев, их структуру и плотность в пространственно-временном отношении. Результаты работы отображены на графиках пространственно-временной изменчивости снежного покрова за 2022/2023, проанализирована эволюция снежной толщи за зимний период. Анализ наблюдений отражает действительно высокую пространственную и временную изменчивость снежного покрова зимой, что позволяет не только оценить и сравнить полученные данные с прошлыми исследованиями, но и дополнить и усовершенствовать уже имеющуюся информацию о неоднородности снежного покрова.
Ключевые слова: снежный покров, пространственно- временные неоднородности
1 Введение
К настоящему времени пространственно-временные изменения снежного покрова становится возможным моделировать для различных территорий, основываясь на полученных ранее данных о физических и стратиграфических свойствах снежной толщи, а также опираясь на метеорологическую информацию по территории. Проводившиеся ранее исследования с использованием современного оборудования и технологий, которые позволили выявить закономерности пространственной изменчивости снежного покрова, дают возможность представлять неоднородность снежной толщи по времени и в пространстве с большой точностью и без необходимости полевых работ [1, 2]. Однако для проведения наиболее точной верификации результатов всё-таки требуется произведении натурных наблюдений.
2 Материалы и методы
В недавно опубликованном очередном ежегодном докладе Росгидромета о состоянии климата на территории России в 2022 году [3] говорится об ускорение климатических изменений в России. В частности, 2022 год для России в целом занял 5-е место в ранжированном по убыванию ряду среднегодовых температур с 1936 года, аномалия среднегодовой температуры воздуха (отклонение от среднего за 1991-2020 гг.) составила +0,87°С.
Так, зимний период (ноябрь-март) 2022/23 года в Москве был такой же, как и предыдущий (-2,4°0), теплее, чем 2020/21 (-3,9°0), но холоднее, чем 2019/20 (1,4°0 зимний сезон. Далее ещё предыдущие зимние сезоны 2016/17-2018/19 были холоднее (-3,46 -3,6, -3,1), а 2013/14-2015/16 (-1,08, -1,96, -1,88 °0) - были теплее. Зимние сезоны 2009/10-2012/13 (-5,66, -5,08, -4,3, -5,1°0) были опять холоднее, чем достаточно средние с учётом потепления 2021/22 и 2022/23 (рис. 1).
За зимний период (ноябрь-март) 2022/23 года в Москве выпало среднее количество осадков (266 мм) (рис. 2). Средняя февральская толщина снежного покрова была также на среднем уровне за последние годы (32 см) (рис.3).
Поэтому в работе представлены результаты полевых исследований, проведенных на метеоплощадке МГУ за зимний период 2022/2023. Целью наблюдений являлось изучение развития снежной толщи и ее пространственной изменчивости за один зимний сезон. Полевые исследования заключались в анализе стратиграфических слоев снежной толщи и измерении их плотности.
Рис. 1. Средняя температура воздуха зимних месяцев (ноябрь-март) в Москве за 19612023 гг.
Рис. 2. Изменение суммы осадков зимних месяцев (ноябрь-март) в Москве за 1961-2023
гг.
0,0 J----
1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Гады
Рис. 3. Изменение средней за февраль толщины снежного покрова в Москве за 1961-2023
гг.
Зима 2022-2023 года оказалась неоднородной по температурному режиму, при относительно близкой к норме среднемесячной температуре декабря. В январе и феврале наблюдалась в основном положительная аномалия температуры на большей части европейской территории страны. В среднем температурный режим декабря оказался близким к среднемноголетним значениям. По данным метеостанции ВДНХ в Москве среднемесячная температура декабря была -4,1°С, что выше климатической нормы на 0,4°С. Среднемесячная температура января по данным метеостанции ВДНХ в Москве составила -4,7°С, что выше климатической нормы на 1,5°С. Среднемесячная температура февраля в Москве составила -4,1°С, что выше климатической нормы на 1,8°С. Количество осадков примерно соответствовало среднемноголетним значениям для данного периода года, хотя в декабре их было примерно в два раза больше нормы и составило 31,2 мм в ноябре, 111,4 мм в декабре, 28,9 мм в январе и 33,8 мм в феврале (рис. 4).
Рис. 4. Изменение температуры воздуха и количества осадков на метеостанции ВДНХ за
зимний период 2022/23
Дату 15 ноября 2022 можно считать датой установления снежного покрова в Москве в зимний период 2022-2023. Это может быть одна из самых ранних дат установления устойчивого снежного покрова в Москве с начала нового века. Дата самого раннего устойчивого снежного покрова, начиная с 2000 г. — 29 октября
2016 г. Далее следуют 14 ноября 2001 и 2007 гг. и 18 ноября 2004 г.
Рис. 5. Изменение температуры воздуха, осадков и толщины снежно покрова по метеостанции ВДНХ за зимний период 2022/23
Таким образом, снежный покров в зимний сезон 2022/2023 установился в середине ноября и пролежал до конца марта. За это время волны холода с
опусканием температуры до -10 - -20°С сменялись оттепелями с небольшой положительной температурой порядка трех раз. Изменение температуры воздуха, осадков и толщины снежно покрова за зимний период 2022/23 изображено на рис. 5.
В связи с обильными декабрьскими снегопадами толщина снежного покрова 22.12.2022 по рейке на метеоплощадке МГУ составила 31 см, что явилось своеобразным рекордом снегонакопления. Дальше в январе и феврале следовали сильные перепады температуры с понижением до -20°С и оттепели, что способствовало возникновению ледяных корок и горизонтов разрыхления глубинной изморози. Почва под снегом не промерзала. Изменение температуры в воздухе и в толще снега показано на рис. 6.
-21:3703.03.2023
-9:3704,03.2023
-9:3705.03.2023
-21:37 09.03.2023
-9:37 10.03.2023
9:3711.03.2023
-21:37 11.03.2023
-9:37 14.03.2023
-10 -8 -6-4 -2 0 2 4
Температура, 'С
Рис. 6. Изменение температуры в воздухе и в толще снега
На графиках на рисунке 6 виден температурный минимум на границе снежной толщи и атмосферы за счёт испарения с поверхности снега как в статье [4].
3 Результаты и заключение
Изучение стратиграфии снежной толщи на метеоплощадке МГУ зимой 20222023 года проводилось 22 декабря, 12 и 17 января, 1 и 21 февраля и 2 и 14 марта. 17 января была также пройдена траншея. Описание шурфов приведены в таблицах 1-7:
72 Журнал «Окружающая среда и энерговедение» (ОСЭ) №1(2023)
Таблица 1. Строение снежной толщи на площадке метеообсерватории МГУ 22 декабря 2022 года.
Слой, см Описание
34-31 Слой состоит из формирующейся ледяной корки (инъекционной) с размером кристаллов (зёрен) до 3 мм (видимо на поверхности был иней). Поэтому поверхность больше похожа на глубинную изморозь.
31-20 Слой мокрого, рыхлого снега, образовавшийся в результате недавних снегопадов. Проникает кулак. (147, 143, 129 ср. плотность 140 кг/м3)
20-15 Слой более плотного, но менее твёрдого снега, чем в вышележащем слое. Бывший метелевый снег. Проникает 4 пальца. (212, 205, 186 ср. плотность 201 кг/м3)
15-14 Ветровая корка толщиной 1 см. В будущем станет ледяной, если её не размоет.
14-9 Слой мокрого, менее плотного снега, чем в вышележащем слое. Проникают 4 пальца. Размер кристаллов (зёрен) 1-2 мм. (245, 228, 222 ср. плотность 232 кг/м3)
9-7 Слой относительно рыхлого, подтаявшего снега с огранёнными кристаллами глубинной изморози. (Разрыхлённая корка) Размер кристаллов 2 мм.
7-0 Слой бывшей глубинной изморози с размером кристаллов до 3 мм и с ледяными включениями (304, 288, 290, 374 ср. плотность 314 кг/м3)
Таблица 2. Строение снежной толщи на площадке метеообсерватории МГУ 12 января 2023 года.
Слой, см Описание
31-28 Слой рыхлого осевшего снега, состоит из разрушенных снежинок с размером до 2 мм (115, 116, 101, 108 ср. плотность 110 кг/м3)
28-27 Ледяная корка
27-26 Слой рыхлого снега с размером зёрен 1 мм
26-25 Ледяная корка
25-20 Льдистый горизонт, сложенный из мелкозернистых кристаллов с ледяными агрегатами (231, 294, 270 ср. плотность 265 кг/м3)
20-15 Мелкозернистый снег с ледяными образованиями (347, 290, 314 ср. плотность 317 кг/м3)
15-12 Ледяная корка
12-10 Среднезернистый снег. Проникает 4 пальца. (342, 356, 340 ср. плотность 3460 кг/м3)
10-5 Сильно льдистый горизонт, глубинная изморозь. В нижней части разрыхлённый (324, 365, 350 ср. плотность 346 кг/м3)
5-0 Притёртая ледяная корка. Размер кристаллов (зёрен) до 3 мм. (395, 363, 387 ср. плотность 382 кг/м3)
Таблица 3. Строение снежной толщи на площадке метеообсерватории МГУ 1 7 января
2023 года.
Слой, см Описание
30-28 Слой свежевыпавшего влажного снега
28-24 Слой среднезернистого (до 2 мм) не осевшего переработанного снега (проникают 4 пальца) (135, 122, 127 ср. плотность 128 кг/м3)
24-22 Ледяная корка
22-17 Разрыхлённый слой среднезернистого снега (до 2 мм) с ледяными включениями (292, 256, 319 ср. плотность 289 кг/м3)
17-15 Слабо льдистый горизонт, сложенный из среднезернистых кристаллов (до 2 мм)
15-10 Ледяная корка с размером зёрен 2-3 мм.
10-8 Разрыхлённый горизонт среднезернистого снега (до 2 мм) проходит палец
8-0 Сильно леденистый слой с размером зёрен до 3 мм и с наличием ледяных агрегатов. Палец не проходит.
Таблица 4. Строение снежной толщи на площадке метеообсерватории МГУ 1 февраля 2023 года.
Слой, см Описание
28-26 Слой свежевыпавшего влажного снега
26-9 Слой смёрзшегося снега с размером зёрен 2-3 мм, с начальной стадией огранки с ледяными слоями. Верх слоя (329, 281, 303ср. плотность 304 кг/м3) Низ слоя (440, 435, 445ср. плотность 440 кг/м3) Корки на горизонтах 26, 23, 17, 15, 13
9-0 Леденистый слой (370, 340, 340 ср. плотность 350 кг/м3)
Таблица 5. Строение снежной толщи на площадке метеообсерватории МГУ 21 февраля 2023 года.
Слой, см Описание
41-46 Слой свежевыпавшего влажного снега На поверхности видны звездочки (51, 42, 44 ср. плотность 46 кг/м3)
34-41 Слой осевшего снега. Проникает кулак (142, 171, 163ср. плотность 159 кг/м3)
26-34 Слой мелкозернистого снега с размером зёрен до 1мм (230, 208, 189. плотность 209 кг/м3)
13-26 Твёрдый леденистый слой огранённых крупнозернистых кристаллов (до 3 мм) глубинной изморози (проникает палец) (333, 320, 300. ср. плотность 318 кг/м3)
9-26 Твёрдый леденистый слой среднезернистых кристаллов (до 2 мм) глубинной изморози (карандаш проходит, а палец-нет) (386, 420, 342. ср. плотность 383 кг/м3)
0-9 Сильно леденистый слой агрегатов средне -крупнозернистых (до 2-3 мм) глубинной изморози
Таблица 6. Строение снежной толщи на площадке метеообсерватории МГУ 2 марта
2023 года.
Слой, см Описание
35-36 Слой свежевыпавшего влажного снега. На поверхности видны дендритные кристаллы (снежинки-звездочки)
31-35 Слой осевшего снега. Смёрзшиеся оплавленные кристаллы и агрегаты. Размер зёрен 1-2 мм
19-31 Слой преобразованного снега (собирательная перекристаллизация, округление). Размер зёрен 1-2мм. На уровне 27 см есть ещё корка. (242, 231, 250. ср. плотность 241 кг/м3)
12-19 Твёрдый леденистый горизонт (проникает карандаш) (282, 280, 225 ср. плотность 262 кг/м3)
9-12 Твёрдый леденистый слой (проникает только нож)
Разрыхление из огранённых кристаллов глубинной изморози
0-9 Сплошная ледяная корка
Таблица 7. Строение снежной толщи на площадке метеообсерватории МГУ 14 марта 2023 года.
Слой, см Описание
45-49 Слой влажного осевшего снега. Видны оплавленные кристаллы (режеляционное округление). Размер кристаллов (зёрен) до 2 мм. Входит 4 пальца. (145, 150,150. ср. плотность 148 кг/м3)
43-45 Ледяная корка, образовавшаяся в результате ветра и таяния. Размер зёрен до 2 мм.
39-43 Слой влажного осевшего снега с отсутствием округления. Размер зёрен 1 мм. Проникают 4 пальца. (240, 280, 239. ср. плотность 253 кг/м3)
34-39 Леденистый слой СЗ-КЗ кристаллов размером 2-3 мм в начальной стадии огранки с ледяными включениями (проникает карандаш) (343, 321, 322 ср. плотность 328 кг/м3)
24-34 Влажный среднезернистый снег с размером кристаллов 2 мм. (265, 280, 283 ср. плотность 276 кг/м3)
14-24 Слой снежных кристаллов с огранкой с размером 2-3 мм и с обилием ледяных включений (проникает палец) (337, 328, 301 ср. плотность 322 кг/м3)
9-14 Слой снежных кристаллов с размером 2-3мм и с обилием ледяных включений (проникает карандаш) (358, 363, 386 ср. плотность 372 кг/м3)
0-9 Сильно леденистый слой огранённых кристаллов размером 2 мм (проникает карандаш) (371, 391, 384 ср. плотность 382 кг/м3)
Стратиграфические колонки на 22 декабря 2022 и 21 февраля 2023 изображены на рис. 7.
Рис. 7. Наблюдаемые разрезы снежного покрова на метеоплощадке 22 декабря 2022 и 21 февраля 2023 г. Условные обозначения: 1 - свежевыпавший снег, 2 - мелкозернистый снег (0,1-0,5 мм), 3 - среднезернистый снег (0,5-1 мм), 4 -крупнозернистый снег (1-3,5 мм); 5 - огранённые кристаллы; 6 - кристаллы глубинной изморози 7 - ледяная корка (по международной классификации [5]).
Полученные данные позволили охарактеризовать и оценить изменения снежных слоев, их структуру и плотность в пространственно-временном отношении. Результаты работы отображены на графиках пространственно-временной изменчивости снежного покрова за 2022/2023, проанализирована эволюция снежной толщи за зимний период. Анализ наблюдений отражает действительно высокую пространственную и временную изменчивость снежного покрова зимой, что позволяет не только оценить и сравнить полученные данные с прошлыми исследованиями [6], но и дополнить и усовершенствовать уже имеющуюся информацию о неоднородности снежного покрова. Так средняя температура с 1960-х годов выросла примерно на 4 градуса (с -6 до -2), при этом среднее количество осадков несколько выросло - примерно с 225 до 250 мм, а толщина снежного покрова снизилась с 38 до 32 см.
Литература
1. Голубев В.Н., Петрушина М.Н., Фролов Д.М. Закономерности формирования стратиграфии снежного покрова // Лед и снег. — 2010. — № 1. — С. 58-72.
2. Комаров А. Ю. и др. Пространственно-временная неоднородность снежной толщи по данным пенетрометра SnowMюroPen //Лёд и Снег. - 2018. - Т. 58. - №. 4. - С. 473-485.
3. Отчёт об изменении климата в РФ за 2022 год. (http://downloads.igce.ru/reports/Doklad_o_klimate_RF_2022_s_podpisiyu_compressed_wit h_cover.pdf)
4. Голубев В. Н., Фролов Д. М. Особенности миграции водяного пара на границах раздела атмосфера-снежный покров и снежный покров-подстилающий грунт // Криосфера Земли. — 2015. — Т. 19, № 1. — С. 22-29
5. Фирц Ш. и др. Международная классификация для сезонно выпадающего снега
(руководство к описанию снежной толщи и снежного покрова). - 2012.
6. Фролов Д. М. и др. Изучение пространственно-временной неоднородности снежной толщи на площадке МО МГУ зимой 2018/2019 гг //Эколого-климатические характеристики атмосферы Москвы в 2018 г. по данным Метеорологической обсерватории МГУ имени МВ Ломоносова. - 2019. - С. 225-230.
References
1. Golubev V.N., Petrushina M.N., Frolov D.M. Zakonomemosti formirovaniya stratigrafii snezhnogo pokrova // Led i sneg. — 2010. — № 1. — S. 58-72.
2. Komarov A. YU. i dr. Prostranstvenno-vremennaya neodnorodnost' snezhnoy tolshchi po dannym penetrometra SnowMicroPen //Lod i Sneg. - 2018. - T. 58. - №. 4. - S. 473-485.
3. Otchot ob izmenenii klimata v RF za 2022 god. (http://downloads.igce.ru/reports/Doklad_o_klimate_RF_2022_s_podpisiyu_compressed_ with_cover.pdf)
4. Golubev V. N., Frolov D. M. Osobennosti migratsii vodyanogo para na granitsakh razdela atmosfera-snezhnyy pokrov i snezhnyy pokrov-podstilayushchiy grunt // Kriosfera Zemli. — 2015. — T. 19, № 1. — S. 22-29
5. Firts SH. i dr. Mezhdunarodnaya klassifikatsiya dlya sezonno vypadayushchego snega (rukovodstvo k opisaniyu snezhnoy tolshchi i snezhnogo pokrova). - 2012.
6. Frolov D. M. i dr. Izucheniye prostranstvenno-vremennoy neodnorodnosti snezhnoy tolshchi na ploshchadke MO MGU zimoy 2018/2019 gg //Ekologo-klimaticheskiye kharakteristiki atmosfery Moskvy v 2018 g. po dannym Meteorologicheskoy observatorii MGU imeni MV Lomonosova. - 2019. - S. 225-230
Investigation of the Spatio-Temporal Heterogeneity of the Snow Thickness at the Site of the Lomonosov MSU in the
Winter of 2022/23
Denis Frolov1,2, Sergey Sokratov1, Andrey Koshurnikov1, Vladimir Gagarin1
'Lomonosov Moscow State University
2Email: denisfrolovm@mail.ru
Abstract. The paper presents the results of field studies conducted at the MSU meteorological site for the winter period 2022/2023. The purpose of the observations was to study the development of the snow column and its spatial variability in one winter season. Field research consisted in the analysis of stratigraphic layers of snow and measuring their density. The data obtained made it possible to characterize and evaluate changes in snow layers, their structure and density in spatiotemporal terms. The results of the work are displayed on the graphs of the spatial and temporal variability of the snow cover for 2022/2023, the evolution of the snow column over the winter period is analyzed. The analysis of observations reflects a really high spatial and temporal variability of snow cover in winter, which allows not only to evaluate and compare the data obtained with past studies, but also to supplement and improve the already available information on the heterogeneity of snow cover.
Keywords: snow cover, spatial and temporal heterogeneities.
