CC BY
64
Terra Humana
ПРИРОДНАЯ СРЕДА
УДК 551.584 ББК 26.8
Г.Б. Пигольцина, H.A. Зиновьева, А.О. Савкина
МИКРОКЛИМАТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ РАДИАЦИОННОГО БАЛАНСА В УСЛОВИЯХ ГОРНОГО РЕЛЬЕФА (НА ПРИМЕРЕ ТЕРРИТОРИИ ПРОВЕДЕНИЯ ЗИМНИХ ОЛИМПИЙСКИХ ИГР «СОЧИ-2014»)
Выполнена количественная оценка микроклиматической изменчивости характеристик солнечной радиации в сложных условиях рельефа Западного Кавказа и построена микроклиматическая карта по годовым суммам радиационного баланса для горного участка территории проведения Зимних Олимпийских игр «Сочи-2014».
Ключевые слова:
горный рельеф, микроклимат, микроклиматическое районирование, пространственная изменчивость, радиационный баланс.
В связи с проведением Зимних Олимпийских игр в Сочи возникла необходимость в детальной оценке микроклиматических условий территории строительства олимпийских объектов и спортивных зон. Горнолыжные комплексы располагаются в сложных условиях рельефа, где на близких расстояниях имеют место значительные изменения параметров климата под влиянием абсолютной высоты над уровнем моря и форм рельефа [7; 8]. С помощью микроклиматических исследований можно выполнить детальную оценку пространственной изменчивости таких важных для горно-спортивных трасс характеристик, как продолжительность залегания и высота снежного покрова, скорость и направление ветра и др.
Одним из важнейших факторов формирования различных микроклиматов является солнечная радиация. Она обусловливает тепло- и влагообмен, суточный и годовой ход метеорологических элементов, определяет общий приход тепла к деятельной поверхности [4]. В условиях сложного (горного) рельефа неравномерное распределение солнечной радиации по склонам разной экспозиции и крутизны приводит к большим микроклиматическим различиям в радиационном нагреве различных участков рельефа, что, в частности, сказывается на продолжительности залегания снежного покрова [6; 8].
На конкретных участках горного рельефа детальное пространственное распределение характеристик снежного покрова без проведения специальных микроклиматических наблюдений можно получить только косвенными методами. В работе [8] была установлена зависимость продолжительности залегания снежного покрова в условиях горного рельефа от годовых сумм радиационного баланса и от длительности периода с отрицательным радиационным балансом. Таким образом, для характеристики пространственного распределения продолжительности залегания снежного покрова в горном рельефе необходимо выполнить количественную оценку микроклиматической изменчивости радиационного баланса.
Исследуемая территория проведения Зимних Олимпийских игр в Сочи расположена в разных условиях рельефа в пределах высот 500-2300 м, поэтому пространственная изменчивость радиационного баланса будет зависеть от абсолютной высоты над уровнем моря, экспозиции и крутизны склонов.
В настоящее время имеется сравнительно большое количество работ теоретического и экспериментального характера, посвящённых радиационному режиму склонов. Однако систематизированных данных по изменению радиационных характеристик на склонах разной экспозиции
и крутизны в зависимости от высоты над уровнем моря в литературе не приводится. Отдельные расчёты [1; 2 и др.] носят частный характер и не позволяют выполнить интегральную оценку микроклиматических различий радиационного баланса на различных высотах горного рельефа.
В настоящей работе получены количественные значения радиационных характеристик для склонов восьми экспозиций крутизной 10-50° и установлены закономерности их изменения в зависимости от абсолютной высоты над уровнем моря для территории Западного Кавказа. Для этих целей были выполнены расчёты прямой, рассеянной, отражённой, суммарной радиации, эффективного излучения и радиационного баланса при средних условиях облачности для 12 месяцев и в целом за год по данным актинометрических станций, расположенных в горном рельефе исследуемой территории.
Расчёты выполнялись в два этапа: сначала определялся радиационный баланс для нескольких высот (ровного места), представляющих собой общее поднятие местности над уровнем моря; затем, используя в качестве фоновой информации полученные значения радиационного баланса в соответствующих высотных зонах, рассчитывался радиационный баланс склонов разной экспозиции и крутизны.
Для оценки изменения радиационного баланса (В) в зависимости от абсолютной высоты местности были использованы средние многолетние данные [5] актинометрических станций, расположенных в условиях горного рельефа на разных высотах над уровнем моря: Пятигорск (531 м), Шаджатмаз (2070 м), Бермамыт (2583 м). По указанным данным были выполнены расчёты средних за месяц и годовых сумм радиационного баланса для различных высотных уровней с шагом 500 м (табл. 1).
Изменение с высотой годовых сумм радиационного баланса в данном климатическом районе имеет линейную зависимость, коэффициент корреляции составляет 0,99:
число, месяц
Рис. 1. Даты начала и окончания периода с отрицательным радиационным балансом на разных высотах над уровнем моря (Н).
п, дни
Рис. 2. Изменение длительности периода с отрицательным радиационным балансом (п) в зависимости от высоты места (Н).
В = -0,4051 • Н + 2330, (1)
где В - годовые суммы радиационного баланса (МДж/м2), Н - высота над уровнем моря (м).
Переход радиационного баланса через ноль в начале периода с отрицательным радиационным балансом по мере уменьшения высоты сдвигается на более поздние даты, в конце периода - на более ранние даты (рис. 1). Таким образом, период с отрицательным радиационным балансом увеличивается с увеличением высоты над уровнем моря. Изменение длительности указанного периода в зависимости от вы-
Таблица 1
Радиационный баланс деятельной поверхности (Мдж/м2) при средних условиях облачности на различных высотах над уровнем моря
Высота, м Месяц Год
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
500 2 45 128 212 306 370 386 319 216 120 22 -7 2119
1000 -16 29 118 198 291 341 356 306 208 112 13 -24 1932
1500 -35 12 97 184 271 312 326 290 201 103 4 -40 1725
2000 -53 -4 81 171 248 284 296 271 193 100 -4 -56 1531
2500 -71 -21 60 157 223 255 265 244 186 96 -13 -72 1309
Среда обитания
Terra Humana
218
соты места происходит по логарифмическому закону (рис. 2), величина достоверности аппроксимации составляет 0,9998: п = 45,21 • Ln (Н) - 248,2, (2)
где п - период с отрицательным радиационным балансом (дни).
Радиационные характеристики на склонах разной экспозиции и крутизны рассчитывались по известным методикам [3] на основе данных актинометрических станций с часовым разрешением [5].
В результате проведённых расчётов для всех составляющих радиационного баланса получены относительные значения радиации (коэффициенты) для перехода от радиации на горизонтальной поверхности к радиации на склонах разной экспозиции и крутизны. Для наших целей интерес представляют годовые суммы радиационного баланса, поэтому ниже приводятся данные, полученные для этой характеристики.
На рис. 3-5 представлены графики изменения с высотой относительных сумм радиационного баланса (Кс) для южных, восточных и северных склонов. Для склонов с западной составляющей Кс имеют те же значения, что и для склонов с восточной составляющей, соответственно.
С увеличением высоты над уровнем моря различия в годовых суммах радиационного баланса между склонами соответствующей крутизны на южных, юго-восточных (югозападных) и восточных (западных) склонах возрастают. Для северных склонов крутизной 10-30° также характерно увеличение контрастов, а на более крутых северных склонах различия уменьшаются.
На основе полученных закономерностей вертикального распределения относительных годовых сумм радиационного баланса, используя в качестве фоновой информации значения радиационного баланса в соответствующих высотных зонах (табл. 1), можно рассчитать радиационный баланс непосредственно для каждого участка склона и дать детальную площадную оценку пространственного распределения радиационного баланса.
На рис. 6 в качестве примера представлена микроклиматическая карта годовых сумм радиационного баланса для участка горнолыжного комплекса «Роза Хутор», расположенного в верхней части хребта Аибга (высота —2000-2300 м). В табл. 2 приведена характеристика выделенных районов. На данном участке годовые суммы радиационного баланса изменяются в очень широких пределах - от 700 до 2390 МДж/м2, диапазон изменения составляет
Южные СКЛОНЫ
Ксю
Рис. 3. Изменение относительных годовых сумм радиационного баланса в зависимости от высоты места на южных склонах (Ксю) крутизной 10-50°.
Восточные СКЛОНЫ
Ксв
Рис. 4. Изменение относительных годовых сумм радиационного баланса в зависимости от высоты места на восточных склонах (Ксв) крутизной 10-50°.
Северные СКЛОНЫ
Ксс
Рис. 5. Изменение относительных годовых сумм радиационного баланса в зависимости от высоты места на северных склонах (Ксс) крутизной 10-50°.
1690 МДж/м2. Если рассматривать изменение годовых сумм радиационного баланса на горизонтальной поверхности от уровня 500 до 2300 м (табл. 1), то оно составит всего 721 МДж/м2. Таким образом, изменение радиационного баланса за счёт микроклимата на данном участке горного рельефа в 2 с лишним раза превышает изменение баланса по всему вертикальному профилю.
Таблица 2 Радиационный баланс (B) за год на хребте Аибга
Район на карте Склоны B, МДж/м2
экспозиция крутизна
1 С 3 О о 700
2 С 2 О о 1010
3 СВ, СЗ 3 О о 1040
4 СВ, СЗ 2 О о 1230
5 С 10° 1320
6 СВ, СЗ 10° 1420
7 В, З 10-30° 1530
8 ЮВ, ЮЗ 10-30° 1840
9 Ю 10° 2070
10 Ю 2 О о 2230
11 Ю 3 О о 2390
Фоновая величина баланса на ровном месте на высоте 2000 м 1530
Таким образом, в рамках выполненного исследования выявлена пространственная структура и определён диапазон микроклиматической изменчивости радиационного баланса и его составляющих на склонах разной экспозиции и крутизны в зависимости от высоты над уровнем моря для территории Западного Кавказа, в том числе и для горного кластера района проведения Олимпийских Игр «Сочи-2014».
Представленные результаты кроме рассмотренного аспекта, касающегося микроклиматической оценки олимпийских объектов, могут использоваться для удовлетворения потребностей различных секторов экономики, особенно климатоза-
Рис. 6. Радиационный баланс (B) за год на хребте Аибга.
висимых: горной метеорологии, гляциологии, гелиотехники, лесного и сельского хозяйства, при организации спортивных и рекреационных зон и т.д.
Список литературы:
[1] Борзенкова И.И. К вопросу о влиянии местных факторов на приход радиации в горной местности // Труды ГГО. - 1967, вып. 209. - С. 70-77.
[2] Гвасалия Н.В. Тепловой баланс северного склона Западного и Центрального Кавказ. // Природные ресурсы Грузии и методы их исследования. - Тбилиси: Мецниереба, 1979. - С. 188-194.
[3] Кондратьев К.Я., Пивоварова З.И., Фёдорова М.П. Радиационный режим наклонных поверхностей. - Л.: Гидрометеоиздат, 1978. - 215 с.
[4] Микроклимат СССР / Под ред. И. А. Гольцберг. - Л.: Гидрометеоиздат, 1967. - 286 с.
[5] Научно-прикладной справочник по климату СССР. Вып. 13, сер. 3, ч. 1-6. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - 724 с.
[6] Пигольцина Г.Б. Радиационные факторы мезо- и микроклимата. - СПб: СПбГЛТА, 2003. - 200 с.
[7] Пигольцина Г.Б. Обоснование необходимости и принципы учёта мезо- и микроклимата при комплексных оценках природных ресурсов для различных секторов экономики // Труды ГГО. - 2009, вып. 560. - С. 89-115.
[8] Пигольцина Г.Б., Зиновьева Н.А. Микроклиматические особенности территории проведения Зимних Олимпийских Игр «Сочи-2014» и методы их оценки // Труды ГГО. - 2009, вып. 559. - С. 56-75.
Среда обитания
