CC BY
275
УДК 551.482+551.573
И. В. КАРНАЦЕВИЧ
Омский государственный педагогический университет
МАССОВЫЕ РАСЧЕТЫ ЕЖЕСУТОЧНЫХ СУММ ИСПАРЕНИЯ С ПОВЕРХНОСТИ ВОДОСБОРОВ ПО ДАННЫМ
НАБЛЮДЕНИЙ МЕТЕОСТАНЦИЙ_________________________
В статье изложены результаты применения математической модели воднобалансовых расчетов В. С. Мезенцева для расчетов текущих водных балансов за тысячи последовательных суточных интервалов по исходным метеоданным.
Ключевые слова: базы метеоданных, элементы водного баланса, суточные расчетные интервалы.
Расчеты суммарного испарения, то есть испарение с поверхности речных водосборов, всегда были сложнейшей проблемой воднобалансовой гидрологии из-за того, что поверхность водосборов неоднородна, включает площади, занятые лесом, кустарниками, лугами, сельскими полями, болотами, водными поверхностями, а зимой покрыта снегом. Испарение с разных поверхностей различно, а измерение испарения, например со снежного покрова и лесных массивов, вообще не производится.
Измерения испарения с почвы и водной поверхности производится на метеорологических и агрометеорологических станциях. Измеренные данные неточны из-за краевых эффектов приборов и часто ошибочны, проверить их достоверность наблюдатель и контролер не могут, так как эталонных методов не существует. Тем не менее на воднобалансовых станциях влажность почвы и испарение измеряют, данные эти публикуются [1, 2], хотя многие из результатов измерений при скрупулезном анализе оказываются ошибочными. Например, за интервал между измерениями влажности почвы атмосферных осадков не было зарегистрировано, однако влажность почвы, по данным измерений, увеличилась. Такое явление можно объяснить только в случае, если предположить, что ливень прошел полосой, увлажнив испаритель и миновав площадку, где установлен осадкомер.
Результаты измерения испарения почвенными испарителями ГГИ-500-50 и ГГИ-500-100 репрезентативны для тех поверхностей, полей, растительных покровов, на которых производятся измерения, но могут оказаться нерепрезентативны для речных водосборов, покрытых лесом, кустарниками, озерами.
В XX веке годовые суммы испарения с поверхности водосборов определяли только по разности «осадки минус сток», используя данные метеостанций об атмосферных осадках и значения слоя стока, подсчитанного по расходам воды, измеряемых в течение всего года в замыкающем створе реки. В середине XX века для расчета месячных норм испарения использовались графики П. С. Кузина [3], уравнение связи М. И. Будыко [4], графики А. Р. Константинова [5], графически описывающего зависимость испарения от температуры и влажности воздуха, и уравнение связи В. С. Мезенцева [6], которое является
обобщающим аналитическим выражением зависимости испарения от местных теплоэнергетических и водных ресурсов, и, кроме того, универсально, с точки зрения применимости к любому внутригодовому расчетному интервалу, в отличие от жестких схем уравнений связи Э. М. Ольдекопа [7] и М. И. Буды-ко [4], применимых только к среднему годовому интервалу. К тому же уравнение В. С. Мезенцева содержит изменяемый параметр п, характеризующий условия стока в конкретной местности.
Математическая модель метода ГКР (гидрологоклиматических расчетов) проф. В. С. Мезенцева позволяет вычислять среднюю влажность почвогрун-тов, суммарное испарение и местный сток за любой интервал времени среднего или конкретного года по исходным данным об увлажнении земной поверхности атмосферными осадками и по температурным данным, характеризующим термические ресурсы процесса испарения. Аналитическое описание системы уравнений метода ГКР и вопросы практической реализации расчетов подробно изложены в работах [8—11].
В течение полувека (1960 — 2010 гг.) метод ГКР успешно использовался для расчетов по массовым материалам данных наблюдений на сотнях метеостанций России и сопредельных стран в целях географических обобщений численных сведений об элементах водных балансов десятков тысяч неизученных в гидрометрическом отношении водосборов, для построения карт изолиний местного стока, влажности почвы, для районирования территорий по признаку тепловлагообеспеченности. Но все расчеты велись до 2010 года лишь по месячным и годовым интервалам среднего года и непрерывных цепей расчетных месячных интервалов конкретных лет.
После того как были созданы электронные базы метеоданных, стала возможной попытка расчетов текущих водных балансов по суточным интервалам теплого времени года в холодных странах и сквозного расчета за непрерывные последовательности длительностью в десятки тысяч суточных интервалов. Эти работы выполнялись в течение 2010 — 2012 гг. в Омском государственном педагогическом университете и увенчались значительными успехами, несмотря на опасение, что решение системы уравнений методом конечных разностей без промежуточ-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (118) 2013 НАУКИ О ЗЕМЛЕ
НАУКИ О ЗЕМЛЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (118) 2013
А В С С Е р Н I 1 М N 0 Р о
7
8 Влагоресурсы лоресу| Результаты расчетов
Дата Тс| X, мм К попр. X ис пг> Дата кх окон НОТ 1т оконч., ми VI Bz г Н У
13927 01.07.1965 21 0 1,01 01.07.1965 0 6,1 0,52 0,32 2 2,3 0,3
13928 02.07.1965 18 1 1,01 02.07.1965 1 5,2 0,51 0,32 и 1.9 0.2
13929 03.07.1965 19 0 1,01 03.07.1965 0 5,5 0,51 0,31 1.7 2 0,2
13930 04.07.1965 17 4 1,01 04.07.1965 4 4,9 0,5 0,31 1,5 1.7 0,2
13931 05.07.1965 15 11 1,01 05.07.1965 11 4,3 0,5 0,33 1.4 1,6 0.2
13932 06.07.1965 15 4 1,01 06.07.1965 4 4,3 0,54 0,34 1,5 1,7 0.2
13933 07.07 1965 14 15 1,01 07 07.1965 15 4,1 0,55 0,37 1.5 1,8 0.3
13934 08.07 1965 15 0 1,01 08.07.1965 0 4,3 0,6 0,38 1.7 2 0.3
13935 09.07.1965 11 7 1,01 09.07.1965 7,1 3,2 0,59 0,39 1.2 1.5 0.2
13936 10 07.1965 12 2 1,01 10.07.1965 2 3,5 0,61 0,39 1,4 17 0,3
Рис. 1. Фрагмент таблицы результатов расчета суточных значений элементов водного баланса по данным метеостанции Иркутск за 1-10 июля 1965 г.
Расчет выполнен за каждый год с 1900 по 2005 гг.
Обозначения: Z — суммарное испарение в мм/сут, Y — сток в мм/сут
А ш о о Е Р в
1 2 Суммы за вегетационный период (май-август)
Иркутск
3 1900-2005
4
5 Год Н КХ 2т г У Уср
95 96 1990 253 323,9 541,3 206,7 46,2 0,62
1991 345,7 407,8 533,5 257,7 88 0,76
97 1992 313,3 261 542,3 238,1 75,2 0,74
98 1993 288,2 267,4 538,2 219,8 68,4 0,7
99 1994 502,8 512,8 542 319,1 183,7 0,95
100 1995 386.8 300,2 523,5 262,8 124,1 0,89
101 1996 296 279,5 525,4 232,5 63,5 0,71
102 1997 252,1 285.1 529,8 207,6 44,5 0,63
103 1998 345,4 379,2 521,7 257,2 88,2 0,77
104 1999 298,4 266.5 552,9 237 61,4 0,69
105 2000 263,9 387,8 560.8 213,7 50,2 0,63
106 2001 467 409,9 557 313,4 153,7 0,93
107 2002 268,4 198,3 582,1 217 51,4 0,63
108 2003 213,7 297,8 530,3 176,9 36,8 0,57
109 2004 387,5 415,9 519,2 275,7 111,8 0,86
110 2005 394,6 337 546,8 283,1 111,6 0,85
Рис. 2. Фрагмент таблицы результатов выборки вычисленных по данным метеостанции Иркутск сумм элементов ежесуточных водных балансов (в мм) за вегетационный период (с мая по август).
Обозначения см. на рис. 1
ных корректировок хода вычислений может привести в конце расчета к неверным результатам.
Поскольку все элементы водного баланса — увлажнение, суммарное испарение, сток и влажность почвы — связаны аналитически, можно судить о корректности расчётных результатов других элементов (например, испарения и влажности почвы) по хорошей сходимости с измеренными значениями лишь одного из элементов, например стока [10]. Значения коэффициента корреляции измеренного и рассчитанного испарения, близкие к единице, свидетельствуют о достоверности расчета стока и влажности почвы.
Массовые расчеты текущих водных балансов в суточном разрешении были произведены для данной статьи по материалам 100 метеостанций Сибири и соседних территорий (Казахстана и Предуралья) за десятки лет подряд, причем суточные расчетные интервалы в каждом году начинались с 15 апреля и заканчивались 31 октября (199 суток), одним расчетным интервалом в каждом году был зимний период и одним — период снеготаяния (с 1 по 15 апреля). На рис. 1 представлен фрагмент таблицы результатов расчета ТВБ (текущих водных балансов) по метеоданным одной из станций территории. На рис. 2 — фрагмент таблицы результатов вычисленных по данным той же метеостанции Иркутск сумм элемен-
тов ежесуточных водных балансов (в мм) за вегетационный период (с мая по август), а на рис. 3 показан фрагмент непрерывной цепи результатов расчета ежесуточных сумм испарения (мм/сут). по метеоданным станции Подкаменная Тунгуска за 1968 год.
Все метеостанции базы данных meteo.ru [12], использованных для расчетов, расположены на территории Сибири на отметках местности от 0 метров (на морских побережьях) до 250 — 300 м на Урале и в Казахском мелкосопочнике, а также до 600 — 800 м — в Забайкалье (рис. 4). Поэтому карты суммарного испарения характеризуют низменности и равнины Сибири в диапазоне этих отметок. В горных странах Сибири на более высоких отметках атмосферные осадки больше, а тепловые ресурсы меньше, чем на низменностях, поэтому значения испарения должны отличаться от тех, что показаны на помещенных ниже картах. Но, как показывает анализ рельефа поля изолиний, годовых норм испарения на территории Сибири, годовые суммы мало меняются по территории (рис. 5) постольку, поскольку испарение ограничено, согласно уравнению связи, с одной стороны, увлажнением, с другой — теплообеспеченно-стью. Испарение, вычисленное в горных странах по материалам измерений метеостанций, характеризует водосборы на гипсометрических отметках площадок этих станций.
Рис. 3. Ежесуточные суммы испарения (мм/сут). Подкаменная Тунгуска. 1968 год
Рис. 4. Рельеф поверхности расположения метеостанций
Рис. 5. Коэффициент вариации сумм испарения за вегетационный период (май-август)
Рис. 6. Суммарное испарение (в мм) за 3-ю декаду июля 1970 г.
На рис. 6 и 7 представлены карты суммарного испарения, полученные при расчетах текущих водных балансов по суточным интервалам, а на рис. 8 — гистограмма ежегодных сумм испарения за вегетационный период в Верхоянске за несколько лет подряд. Подобные карты можно построить за любые сутки конкретного года или за любую декаду или месяц среднего или конкретного года. Для любой из сотни станций, для которых сделаны расчеты, можно распечатать графики суточных, декадных,
месячных или годовых сумм испарения за все годы наблюдений без пропусков в средних суточных температурах.
Контроль точности расчета испарения можно выполнить лишь по материалам измерений влажности почвы на воднобалансовых станциях МГД (Международного гидрологического десятилетия 1965 —1974 гг.), хотя считать результаты измерений эталонными нельзя — слишком много в них ошибок. Поэтому вычислить среднюю квадратичную ошиб-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (118) 2013 НАУКИ О ЗЕМЛЕ
НАУКИ О ЗЕМЛЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (118) 2013
Рис. 7. Суммарное испарение в июне среднего года в мм/мес
Рис. 8. Ежегодные суммы испарения (в мм) за вегетационный период (с мая по август включительно) в Верхоянске
Таблица 1
Список воднобалансовых и метеорологических станций, для которых имеются измеренные почвенными испарителями ежемесячные суммы суммарного испарения и значения суммарного испарения, рассчитанные по суточным интервалам.
Для каждой станции приведены значения коэффициентов корреляции измеренных и рассчитанных месячных сумм за 6 лет — с 1967 по 1972 гг. и за 1974 г. (после знака «слэш»)
Станция Коэффициент корреляции Станция Коэффициент корреляции
Усть-Цильма 0,702/нет Сытомино (Сургут) 0,787/0,642
Василевичи 0,849/0,924 Омск 0,801/0,957
Подмосковная (Москва) 0,706/0,960 Хомутово (Иркутск) 0,826/0,890
Каменная Степь 0,897/0,960 Покровск (Якутск) 0,623/0,817
Уральск 0,674/0,973 Хакасская (Минусинск) 0,806/0,668
Свердловск 0,868/0,946 Камчатская АМС Сосновка (Петропавловск-Камчатский) 0,407/0,900
Курган 0,669/нет Хабаровск 0,775/0,935
Рис. 9. График сравнения рассчитанных и измеренных ежемесячных сумм испарения в мм в 1974 г. 13 станций (табл. 1, без забракованных данных ст. Якутск)
ку вычислений нельзя, скорее наоборот, следует оценивать достоверность измерений влажности почвы и суммарного испарения путем сравнения с рассчитанными суммами испарения.
Во многих случаях (станция, год) сравнение рассчитанных значений испарения с измеренными дает отличные результаты, что свидетельствует не о случайном совпадении, а о высокой точности измерений. В других случаях (станция, год) соответствия измеренных и рассчитанных сумм нет, что говорит о низкой точности измерений. Ведь если бы расчет-
ная схема была неудачной, хорошей сходимости не получилось бы ни в одном случае. Рассчитанные значения испарения обладают тем преимуществом, что вычислены по единой схеме, свободны от разного рода ошибок, свойственных измерениям, рафинированы. В этом аспекте расчетные результаты следовало бы использовать для контроля качества работы наблюдателей на сети станций.
В табл. 1 и 2 и на рис. 9 приведены результаты сравнения рассчитанных и измеренных прибором ГГИ-500-50 [1] месячных сумм испарения в конкрет-
Таблица 2
Результаты сравнения рассчитанных по суточным интервалам и измеренных прибором ГГИ-500-50 [2] месячных сумм испарения в 1974 г.
Метеорологическая станция Месяц 04 05 06 07 08 09 10
Усть-Цильма измер. 95 82 48
рассчит. 21 21 80 80 43 35 9
Василевичи измер. 18 55 100 105 66 26 22
рассчит. 42 73 88 121 97 46 29
Каменная Степь измер. 34 84 77 93 29 26 19
рассчит. 44 101 100 94 50 26 17
Подмоск. ВБС измер. 34 80 76 82 73 46 29
Москва рассчит. 29 82 123 116 81 45 25
Уральск измер. 48 49 39 38 24 18
рассчит. 50 91 74 69 57 25 10
Хабаровск измер. 88 100 68 64 38 28
рассчит. 23 74 101 81 44 32 14
Камчатская АМС, Сосновка измер. 61 47 57 52 12
Петропавловск- Камч. рассчит. 1 25 73 80 80 62 29
Покровск (75 км от Якутска) измер. 80 120 34 15
Якутск рассчит. 1 22 28 41 32 14 1
Хакасская измер. 17 42 51 33 37 35
Минусинск рассчит. 9 21 27 31 22 16 5
Хомутово измер. 24 29 66 75 72 14
Иркутск рассчит. 15 42 68 70 59 33 7
Ванавара измер. 50 51 46 20
рассчит. 4 19 58 59 52 22 1
Сытомино (110 км от Сургута) измер. 23 40 29 57 18 10
Сургут рассчит. 9 31 66 82 55 29 7
Омск измер. 94 104 44 15 5
рассчит. 28 77 89 69 38 20 5
Свердловск измер. 15 49 70 67 50 22 15
рассчит. 19 66 68 75 42 26 9
ные годы (6 лет подряд) Международного гидрологического десятилетия. Из материалов МГД за 1974 г. [2] для 14 воднобалансовых станций, где измерялось испарение с почвы и имелись выполненные расчеты суточных водных балансов (табл. 2), были выписаны месячные суммы испарения (в мм) и сопоставлены на корреляционных графиках с месячными суммами рассчитанных по метеоданным суточных значений, а также вычислены коэффициенты корреляции, значения которых приведены в табл. 1 за 1967 — 1972 гг. и отдельно за 1974-й, последний год МГД.
Закономерное увеличение коэффициента корреляции в 1974 г. по сравнению с предыдущими шестью годами, объясняется, безусловно, повышением качества измерений влажности почвы и испарения на большинстве воднобалансовых станций к концу Международного гидрологического десятилетия. Однако на станциях Сытомино и Хакасская качество измерений явно снизилось. Главный вывод: высокие значения коэффициента корреляции между рассчитанными и измеренными месячными суммами испарения с почвы (г = 0,89 — 0,97) свидетельствуют о высокой точности расчета испарения по суточным интервалам методом ГКР на основе использования в качестве исходных данных ежедневных наблюдений метеостанций за температурой и атмосферными осадками.
Выводы
1. Система уравнений метода ГКР, описывает процессы изменений влажности почвы и испарения с поверхности водосборов за непрерывную последовательность ежесуточных интервалов с точностью, вполне достаточной для многих практических целей. Поскольку все элементы водного баланса связаны аналитически, достоверность результатов массовых расчетов одного из элементов означает достоверность всех остальных.
2. Массовая проверка корректности результатов расчета текущих водных балансов по суточным интервалам методом конечных разностей за непрерывный ряд лет показывает, что разработанную компьютерную систему расчетов гидрологических характеристик по исходным данным метеорологических наблюдений можно рекомендовать для воднобалансовых исследований неизученных водосборов, особенно в горных странах, где сеть гидропо-стов всегда останется недостаточно густой из-за отличий не только высотного положение водосборов, но и из-за различий в экспозициях склонов.
3. Для изучения водных ресурсов неисследованных в гидрометеорологическом отношении стран следует создавать там сеть метеостанций со стоковыми площадками и автоматической регистрацией стока с целью дальнейшего уточнения параметров уравнений метода гидролого-климатических расчетов и совершенствования расчетов стока, особенно в период снеготаяния в холодных странах.
Библиографический список
1. Материалы наблюдений на сети станций МГД в Советском Союзе / Отв. редактор А. Г. Ковзель. — Л. : ГИМИЗ, 1969- 1976. - Вып. 3(1967) —8(1972).
2. Материалы наблюдений на сети станций МГД в Советском Союзе / Отв. ред. А. Г. Ковзель. — Л. : ГИМИЗ, 1978. — Вып. 10(1974). — 320 с.
3. Кузин, П. С. График испарения с поверхности речного бассейна и его применение к расчету среднего многолетнего стока / П. С. Кузин // Записки ГГИ. — Т. 2. — С. 189 — 209.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (118) 2013 НАУКИ О ЗЕМЛЕ
НАУКИ О ЗЕМЛЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (118) 2013
*
4. Будыко, М. И. Испарение в естественных условиях / М. И. Будыко. — Л. : Гидрометеоиздат, 1948.—136 с.
5. Константинов, А. Р. Испарение в природе / А. Р. Константинов. — Л. : Гидрометеоиздат, 1963. — 610 с.
6. Мезенцев, В. С. Еще раз о суммарном испарении / В. С. Мезенцев // Метеорология и гидрология. — 1955. — № 5. — С. 18 — 20.
7. Ольдекоп, Э. М. Об испарении с поверхности речных бассейнов : сб. тр. / Э. М. Ольдекоп. — Юрьевск : Метеорологическая обсерватория Императорского Юрьевского ун-та. — 1911. — Т. IV. — 209 с.
8. Мезенцев, В. С. Метод гидролого-климатических расчетов и опыт его применения для районирования Западно-Сибирской равнины по признакам увлажнения и теплообеспе-ченности / В. С. Мезенцев // Труды Омск. с.-х. ин-та. — Омск, 1957. — Т. 27. — 121 с.
9. Мезенцев, В. С. Увлажненность Западно-Сибирской равнины / В. С. Мезенцев, И. В. Карнацевич. — Л. : Гидрометеоиздат, 1969. — 168 с.
10. Карнацевич, И. В. Перспективы генетического метода расчета элементарного стока по суточным интервалам / И. В. Карнацевич, Г. Г. Бикбулатова, К. В. Ряполов // Омский научный вестник. — 2011. — № 1 (104). — С. 224 — 231.
11. Карнацевич, И. В. Карты месячных и декадных норм местного элементарного стока центральной части Западно-Сибирской равнины / И. В. Карнацевич // Омский научный вестник. — 2012. — № 2 (114). — С. 240 — 245.
12. Meteo.ru [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.meteo.ru (дата обращения: 09.01.2013).
КАРНАЦЕВИЧ Игорь Владиславович, доктор географических наук, профессор кафедры физической географии.
Адрес для переписки: ikar.omsk@gmail.com.
Статья поступила в редакцию 16.01.2013 г.
© И. В. Карнацевич
УДК 9ц.3:33 (571.ц Л. В. АЗАРОВА
Омский государственный педагогический университет
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В РАЗВИТИИ ХОЗЯЙСТВЕННОГО КОМПЛЕКСА ЮГА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ ВО ВТОРОЙ ПОЛОВИНЕ 20-го СТОЛЕТИЯ
Статья посвящена основным особенностям развития хозяйственного комплекса юга Западной Сибири. Выявлены основные направления развития отраслевой структуры хозяйства. Анализ исследований дан на пример Омского региона. Ключевые слова: Западная Сибирь, Омская область, хозяйственный комплекс, отраслевая структура, производственно-экспортный профиль.
Понятие комплексности можно определить как взаимосвязь, взаимозависимость и взаимообусловленность всех структурных элементов хозяйства области — её отраслевых структур (ОСХ). В пределах Омской области как микрорегиона хозяйственного национального комплекса страны (Российской Федерации) постепенно формируются элементы не только хозяйственного комплекса области, но и элементы на уровне районов областного подчинения (муниципальных районов), других отраслевых структурных единиц [1, с. 139—151; 2, с. 66 — 68].
Подходы к изучению ОСХ на уровне хозяйственного комплекса Омской области рассмотрены были в исследованиях ряда экономико-географов и историков, краеведов на протяжении второй половины ХХ века [3, с. 56 — 90; 4, с. 61—90; 5, с. 95— 137; 6, с. 154 — 210]. Отраслевая элементов областного подчинения практически не исследовалась ни со стороны экономико-географов, ни со стороны других специалистов, за исключением работ автора, которые были выполнены в монографиях в соавторстве с другими специалистами под руководством доктора исторических наук, профессора гуманитарного факультета Омского государственного педагогическо-
го университета Сергея Валентиновича Новикова [7 — 9]. Первые исследования автора об ОСХ на уровне районов областного подчинения показаны на примере Тарского района Омской области [10].
За долгую историю освоения Омского Прииртышья постепенно складывалась отраслевая конструкция хозяйственного комплекса в целом и отдельных его элементов. Благодаря вовлечению территории в географическое разделение труда разного уровня (международного, межрайонного, внутрирайонного и локального) в пределах Омской области (как пространственно-временной системы) и её элементов создается определенный производственно-экспортный профиль хозяйственного комплекса (ПЭП ХК) и формируется ОСХ.
Одни из первых результатов проведенного автором исследования по развитию и структуре ПЭП ХК региона были отражены в сборнике научных и научно-методических работ преподавателей, работающих на гуманитарном факультете ФГОУ ВПО ОмГАУ [11, 12] и в электронном научном журнале «Вестник Омского государственного университета» [13]. При развитии ПЭП ХК рассматриваемого региона следует учитывать две особенности: его от-
