CC BY
24
АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2005, том 11, №28
================= СИСТЕМНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ============
УДК 911.5:55158
МИКРОКЛИМАТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ ЛАНДШАФТНЫХ КОМПЛЕКСОВ ЮЖНОГО ПРИУРАЛЬЯ'
© 2005 г. О. К. Рычко, В. П. Петрищев, А. А. Журавлев
Институт степи Уральское отделение РАН 460000 Оренбург, ул. Пионерская, 11, Россия
Успехи, достигнутые ландшафтоведением при изучении климатической составляющей природных геосистем по большей части представляют исследования во многом ограниченные только общей оценкой гидротермических условий местности. Любой природный объект отличается от обще-ландшафтных характеристик в силу уникальности комплекса межкомпонентных и межсистемных взаимодействий, выражающихся, в том числе, и в климатических показателях. Климатические особенности в целом отражают свойства приземного слоя атмосферы, который под влиянием специфических взаимодействий биофизико-химических элементов приобретает индивидуальные черты, присущие конкретной геосистеме.
Микроклиматические факторы дифференциации ландшафтов, при прочих равных условиях, характеризуют различия в их энергетическом потенциале конкретных ГТТК, что актуализирует использование резервов данных исследований в первую очередь при рационализации землепользования. При этом большого внимания заслуживает разработка вопросов, с детализацией ландшафтного анализа и прогноза в связи с экспозиционными различиями в динамике суточных и годовых ритмов геофизического состояния ландшафта, неодинаковым отражением в структуре геосистемы запороговых воздействий на последнюю, в т.ч. и антропогенных. Особую значимость это приобретает для аридных и семиаридных ландшафтов, имеющий невысокий уровень экологической толерантности.
Экспозиционное разнообразие сыртового рельефа в сочетании с суточными, сезонными и годовыми вариациями микроклимата делают Южное Приуралье одним из лучших природных полигонов для ведения наблюдений за гидротермическим состоянием ландшафтов. При изучении микроклиматической ординации геокомплекса Южного Приуралья как района исследований, были апробированы схемы, и способы определения морфологии ПТК как экстраполяция изменения их состояний во времени. В основу указанных моделей было положено понятие о «стексе», в соответствии с которым стеке следует рассматривать, как определенное соотношение параметров структуры и функционирования ландшафта в какой-либо промежуток времени, в течение которого конкретные воздействия на входе (солнечная радиация, атмосферные осадки и т.п.) трансформируются в определенные функции (сток, прирост фитомассы и т.п.) на выходе геосистемы (Беручашвили, 1982). В дополнении к изучению суточных и годовых стексов использовались пространственные парадинамические сопряжения элементов ландшафта в форме катен, для обозначения хорологических изменений почвообразующих процессов и почв по склонам.
Для районов исследований характерными являются резко ассиметричные междуречья с длинными и пологими северными склонами и короткими южными уступами, которые, как правило, выходят к долинам рек. Большая часть водораздельных ландшафтов относится к классу полной морфологической ассиметрии, поскольку в рельефе они представлены резко ассиметричными сыртовыми плато, грядами и увалами. Контрастность ландшафтной ассиметрии в районе исследований определяется экспозиционным градиентом температуры, неравномерностью распределения влаги при весеннем снеготаянии, а также линейно-блоковой морфоструктурой сыртовых водоразделов (Бехтерев, 2000).
Для генетических типов сыртовых водоразделов характерны:
- тектогенная асимметрия, обусловленная блоковым погружением фундамента Волго-Уральской антеклизы на юг, в сторону Прикаспийской впадины; причем висячее крыло блоков оказывается приподнятым и формирующим тектогенно обусловленные структурные элементы рельефа - серию параллельных субширотных сыртовых гряд и увалов. Другими проявлениями тектогенной ассиметрии является формирование куэстообразных гряд красноцветных пород в результате размыва соляного штока в долине реки Салмыш или вследствие обнажения красноцветов в межкуполыном блоке с образованием островного сырта;
- структорно-геологическая асимметрия, связанная с моноклинально падающими на юг и восток пластами горных пород, в результате чего вдоль речных долин формируются приречные яры значительной протяженности.
Морфология склонов сыртовых ландшафтов района исследований во многом обусловлена соотношением солифлюкционных и делювиальных процессов в перигляциальных условиях плейстоцена. Современные семиаридные условия, предопределяющие интенсивность делювиального смыва на южных склонах и слабость эрозионных процессов на северных, способствуют выполаживанию склонов и ослаблению асимметричности водоразделов, имеющей таким образом, медленную тенденцию к сглаживанию.
Морфологические различия южных и северных склонов в комплексе со специфическими условиями, растительным и почвенным покровами определяют различия в ландшафтной структуре склонов различной экспозиции. Экспозиционная дифференциация ландшафтов опосредуется в форме микроклимата южного и северного склонов. Поэтому под микроклиматической асимметрией нами понимаются местные особенности (вариации) гидротермического состояния местности обусловленные литогенно - геоморфологической контрастностью строения подстилающей поверхности.
По мнению О.А. Дроздова, микроклиматические особенности какой-либо территории возникают, главным образом, под влиянием двух основных причин:
1) особенностью теплового и водного баланса на данном участке подстилающей поверхности: инсоляции, атмосферных осадков, испарения и т.п.;
2) особенностей режима ветра, которые могут сказываться на величинах, не имеющих прямого отношения к тепловому балансу, например, на повторяемости метелей (Алисов, Дроздов, Рубинштейн, 1952).
Тоже следует из работы И. А Гольцберг (1962): «... ветер не только определяет величину микроклиматических различий, но и оказывает непосредственное влияние на термический режим растений, воздействует на них механически, усиливает действие адвективных заморозков и, кроме того, воздействует на распределение осадков и снежного покрова».
Исходя из заданных схем по изучению ландшафтной микроклиматической асимметрии объектов исследования, а также из анализа результатов ранее выполненных аналогичных экспериментов, нам представляется возможным, используя множество условий и компонентов, разработать структурно-функциональную схему факторов (групп факторов), определяющих формирование микроклимата какой-либо территории.
В данной схеме выделяются два основных фактора - литолого-геоморфологический и климатический, которые, взаимодействуя посредством деятельной поверхности, образуют конкретный микроклимат, требующий подробного рассмотрения. Так, при изучении влияния рельефа на формирование микроклиматических особенностей территорий, на первый план выдвигаются различия в экспозиции, существенные для инсоляции и ветрового режима, и формы микро- и мезорельефа, на которых сказываются характеристики инсоляционной и адвективной экспозиции, а роль высоты расположения ПТК над уровнем моря является в данном случае второстепенной. Результаты исследований Ю.П. Щербакова (1970) показывают, что в северном полушарии по величине абсолютных и относительных радиационных различий между склонами различной экспозиции выделяются средние широты (25-70°) и особенно пояс, заключенный между 50 и 65 параллелями. Именно в этом поясе при
МИКРОКЛИМАТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ 53
достаточной крутизне склонов, высоких значениях континентальности благоприятном соотношении тепла и влаги влияние радиационной экспозиции может привести к наиболее глубоким ландшафтным различиям. Значительная зависимость радиационного баланса от прямой радиации и ведущая роль последней в энергетике ПТК показывает то. что разница между отношениями величин прямой радиации и радиационных балансов склонов к соответствующим их величинам на горизонтальной поверхности составляет весьма малую величину. Как показывают результаты исследований, выполненных рядом авторов, при небольшой крутизне склонов (до 10°) приход суммарной и особенно рассеянной радиации мало изменяется в зависимости от ориентированности склонов по сторонам света.
Крутизна склонов на всех широтах и при любых сочетаниях климатических элементов сказывается на глубине радиационных и ландшафтных различий, возникающих под влиянием различий в экспозиции. При этом увеличению крутизны склонов соответствует рост этих различий только до некоторых пределов, определяемых широтой места. Очень крутые склоны (600 и более) любой экспозиции, в ландшафтном отношении различаются между собой мало, так как быстрый снос материала не позволяет формироваться многим компонентам ландшафта. В частности необходимо отметить некоторое сходство между ландшафтами склонов южной экспозиции крутизной более 40° в степной зоне со склоновыми ландшафтами полупустынь. Следует добавить и то, что на угол падения солнечных лучей, а значит и на количество получаемой радиации, помимо дневной динамики, большое влияние оказывает сезонная ритмика, в теплообмене деятельной поверхности с приземным слоем воздуха, пак как высота солнца над горизонтом значительно изменяется в зависимости от времени года. Как указывает И.А. Гольцберг (1980) различия в количестве тепла получаемого разными склонами, наиболее значительны только ранней весной.
Изучение влияния экспозиции помогает более полному пониманию дифференциации природных геосистем локальных рангов, а исследование закономерностей перераспределения солнечной энергии и влаги по элементам рельефа - выявлению механизмов склоновой микрозональности, которое представляет собой дальнейшую детализацию учения о географической зональности и позволяет шире взглянуть на явления дифференциации ПТК в целом. Совокупность литолого-геоморфологических условий, на наш взгляд, являются ведущими в формировании процессов склоновой зональности или микроклиматически обусловленной дифференциации склонов. Будучи достаточно стабильными в процессах функционирования геосистемы литолого-геоморфологическис факторы непрерывно, непосредственно и/или косвенно трансформируют приземные воздушные массы, формируя особый слой воздуха, в котором собственно и функционирует растительность степных и лесостепных ценозов.
На объектах исследования Южного Приуралья отмечается устойчивая корреляция между гипсометрической кривой, характеризующей морфологию склона, и изменением температуры и влажности воздуха - с нарастанием высоты склона наблюдается повышение температуры и снижение относительной влажности воздуха. Динамика пространственной изменчивости микроклиматических условий показала, что в 43% от общего числа наблюдений фиксируется прямая корреляция температуры воздуха с высотой точки наблюдения и обратная корреляция относительной влажности воздуха с высотой. В 14% случаев отмечалась иная ситуация -прямая корреляция относительной влажности воздуха и обратная корреляция температуры с высотой. Данные закономерности отмечаются для весеннего сезона в 2001-2004 гг. наблюдений.
Для различного рода понижения рельефа характерным является застаивание воздушных масс, в связи с их слабой вовлеченностью в атмосферную циркуляцию. Это связано с тем, что ночью в приземном слое в низинах господствует штиль, днем же сверхадиабатические градиенты температуры приводят к интенсивному перемешиванию воздуха. Так, на примере урочища Боевая Гора в Южном Приуралье, представляющем собой карстовую мульду
диаметром 0.6 км. прослежен эффект формирования микроклимата замкнутых впадин и котловин. Микроклиматическими измерениями на Боевой Горе установлено, что окружающие впадину гряды, формируют участок, относительно обособленный от циркуляционных процессов местного климата: во внешней зоне сильнее сказываются местные климатические особенности, во внутренней - микроклиматические процессы; по изменению относительной влажности воздуха в пределах урочища, отмечается барьерная роль внешней зоны урочища по отношению к внутренней впадине. При этом согласно правилу А.И. Воейкова, вершины холмов, как выпуклые формы поверхности имеют меньшую амплитуду суточных колебаний, лощины же и котловины, как вогнутые формы, будут отличаться наибольшими суточными колебаниями температуры (рис. 1-4).
Рис. 1 Схема лапдшафтно-микроклиматическою профиля урочища горы Боевой. Fig. 1. The landscape and microclimatic profile of the Bojevaja gora sublocalily.
Рис. 2 Схема ландшафто-микроклиматического профиля урочища горы Долматовка. Fig. 2. The landscape and microclimatic profile of the Dolmatovka gora sublocality. АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2005, том 11, №28
МИКРОКЛИМАТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ 24 апрели 2004 г. в 15.00 дня
С 18 16 14 -V
12 4 10 ■■ 8 -6 ■ 4 ■■ 2 f О
-I-
—--г 70 ßO 50 40
+ 30 20 10 о
%
1 2 3 4 5
Рис. 3. Повышение влажности воздуха в карстовой впадине (г. Боевая). Fig. 3. The air humidity increase in a karst hollow (by example of the Bojevaja hill).
26 марта 200 I r. ij 12,00 ДНЯ %
4 ............-.......ЯЯЩЧ!™,....................------------------------------------------------------------------ 100
80
4 60 -- 40 20 О
2 1 О
т№по[7йтура воаауха на высоте влажность воздуха -.а высоте ----- -----— 2 V . . . . 05 *
Рис. 4. Температурная инверсия на линейном сыртовом склоне (г. Долматовка). Fig. 4. The inverse of temperature on a linear syrt slope (by example of the Dolmatovka hill).
Установленные инфляционные и циркуляционные особенности влияют на распределение, мощность снежного покрова и интенсивность таяния весной, что подтверждается графиками, характеризующим динамику последнего в наблюдавшиеся периоды. В отношении распределения жидких осадков выявлена следующая закономерность: по исследованиям Е.А. Стулова, при благоприятных условиях орографическое усиление жидких осадков непосредственно над возвышенностью может составлять десятки, и даже согни процентов. Причиной орографического усиления осадков служат вынужденные восходящие потоки воздуха на наветренном склоне возвышенности. Нами отмечалось повышение влажности на наветренных склонах линейных сыртов в марте и мае 2001 г., в апреле 2003 г. (на 20-30%) и в марте-апреле 2004 г. На 30-40% в замкнутой карстовой впадине на горе Боевая. Во второй половине мая явление повышенной влажности па указанных склонах практически прекращается, из чего следует, что локальные градиенты влажности воздуха на склонах связаны в первую очередь с весенним снеготаянием, когда насыщенность влагой приземных слоев воздуха и почвы значительно возрастает. Однако, общеизвестного барьерного эффекта повышение влажности воздуха на сыртовых водоразделах Южного Приуралья не достигав! с одной стороны по причине "нехватки" высоты (относительное превышение сыртовых склонов 50-80 м), с другой -в связи с резким снижением увлажнения местности в летние месяцы.
В целом на протяжении 2001-2004 гг. во временной (внутрисуточной и внутри годовой) динамике микроклиматических процессов формирования ландшафтной асимметрии на ключевых объектах Южного Приуралья отмечались следующие особенности:
- в межсезонный период (между зимним и весенним сезонами) при наличии снежного покрова, как характеристики максимального увлажнения деятельной поверхности, повышенных значениях относительной влажности воздуха, близких к 100%, и низких величинах температуры воздуха, приближающихся в дневные часы к 0°С может наблюдаться инверсионный режим распределения температуры воздуха для всего склона, с ее нарастанием от уровня 0.5 м к уровню 2.0 м;
- наблюдается тенденция несущественного повышения значений температуры воздуха и снижения влажности воздуха по заданному профилю в направлении от подошвы к верхней части склонов, что объясняется углом падения солнечных лучей (повышением интенсивности прямой солнечной радиации на единицу площади) на нагреваемую поверхность вследствие повышения крутизны склона в том же направлении - снизу вверх. Установленная особенность изменчивости термических и влажностных характеристик воздуха подчинена влиянию рельефа (как доминирующею климатообразующего фактора) и прослеживается во все сезоны года, нарушаясь только в случаях наличия снежного покрова, отрицательных температур воздуха или значительной неравномерности увлажнения верхнего слоя почвы подошвы и вершины склона, к примеру, вследствие влияния на влагосодержание почвы временно возникшего поверхностного стока в верхней части склона или накопления влаги в почве основания склона, поскольку почвы могут являться депонирующей для влаги средой. При наличии скелетных (неполноразвитых) почв, которые располагаются в верхней части южного склона, отмечается снижение почвенных влагозапасов на этом участке в 2-3 раза по сравнению с подошвой и склоном северной экспозиции;
- установленные инфляционные и циркуляционные особенности влияют на распределение, мощность снежного покрова и интенсивность его таяния, характеризуют динамику снежною покрова в наблюдавшиеся периоды.
Анализ изменчивости суточного хода температуры и влажности воздуха показывает, что при однородном протекании погодных процессов динамика этих факторов остается практически неизменной, в отличие от изменения их количественных значений при резком изменении погоды в результате выпадения осадков или микроциркуляции воздуха. Выявленная особенность отмечается не только в пределах конкретного года, но и для всех лет наблюдений.
Гидротермические условия на склонах южной экспозиции оказываются достаточно контрастными - на вершине склона и в верхней его части при несущественных дневных перепадах температуры, колебания влажности значительны и составляют 10-15%, и если изменения температуры в течение дня непосредственно на склоне относительно слабые, то разница при её измерении на высотах 2.0 и 0.5 м довольно существенна. Причем различия в температуре воздуха примерно одинаковы как для долины реки, так и для южного и северного склона, составляя 1.2 - 1.5°С. Для вершины эта разница вдвое меньше и объясняется восходящими потоками воздуха, движущимися вверх по склонам и перемешивающими приземные и поднятые массы воздуха; в большей степени скоростью ветра, как правило, усиливающейся к вершине, что увеличивает турбулентность.
Сравнение гидротермических различий между склонами северной и южной экспозиции показывает, что максимум суммарной радиации и более высокие температуры воздуха отмечаются на южном склоне. Однако, минимальные температуры чаще фиксируются на вершинах и верхних частях склонов сыртовых водоразделов и приречных уступов, что подтверждается данными по ключевым участкам наблюдений. Значения относительной влажности воздуха снижаясь к высоте 2.0 м, наоборот повышаются на высоте 0.5 м в зоне активной вегетации растительности, взаимодействуя с морфоструктурой ландшафта.
Если рассматривать температуру воздуха как показатель, суммирующий факторы формирования инфляционной асимметрии, то на южных склонах отмечаются более значительные градиенты температур, чем на северных, что вызывает уплотнение склоновых фаций и асимметричное усложнение ландшафтной структуры. Характерно, что при двух уровнях АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2005, том 11, №28
МИКРОКЛИМАТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ 57
наблюдения на одном (0.5 м), в ландшафтном отношении соответствующего рангу фация-урочище, циркуляционная асимметрия выражена достаточно четко - южные склоны суше, северные влажнее. Однако, при наблюдениях на высоте 2.0 м циркуляционная асимметрия исчезает, что показывает локальный уровень ландшафтной дифференциации этого фактора.
Северные склоны, в отличие от южных, представляют собой наклоненную на север равнину, слаборасчлененную глубокими ложбинами, где коренные породы скрыты под достаточно мощными покровными отложениями, на которых получили развитие черноземы обыкновенные и южные. В травянистом покрове отмечаются зональные растительные сообщества: в основном это травостои типичные для злаково-разнотравных степей.
На ландшафтной структуре сыртовых склонов сказывается антропогенное воздействие в виде пастбищной дегрессии склонов, которая является фактором, усиливающим асимметрию ландшафта. В частности, па склонах южной экспозиции в результате интенсивного выпаса скота формируется четко выраженная тропинчатость, которая при взаимодействии с природными факторами формирует многоярусную ступенчатость сыртовых склонов. Последняя особенно хорошо выражена в верхних микрозонах, где обнажаются красноцветные породы. Здесь насчитывается от 7 до 9 террас шириной до 3 м и высотой до 1.2 м. Эрозионные формы рельефа, если они прорезают склоны, являются проводниками видов растительности, обитающих на днище основной балки или на разноориентированных склонах, во флористическом отношении различаются значительно меньше, чем ненарушенные части склонов.
Таким образом, микроклиматические условия, являясь важнейшими факторами дифференциации геокомплексов Южного Приуралья, формируют сложную подсистему в ландшафтно-морфологической структуре региона. Сложность данной системы определяется во многом индивидуальным характером взаимодействия микро- и мезоформ рельефа с экспозиционно-инсоляционной и циркуляционной составляющими микроклимата на локальных уровнях организации НТК.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. АлисовБ.П., Дроздов О.А., Рубинштейн Е.С. Курс климатологии. Л.: Гидрометеоиздат. 1952. 489 с.
2. Беручашвилли Н.Л. Четыре измерения ландшафта. М.: Мысль. 1986. 210 с.
3. Бехтерев И.А. (гл. ред.) Энциклопедия «Оренбуржье». Природа. Калуга: Золотая Аллея. 2000. Т. 1.160 с.
4. Гольцберг И. А. Микроклиматические наблюдения в совхозах и колхозах. Л.: Гидрометеоиздат. 1962. 58 с.
5. Микроклиматология, (сб. статей) Под ред. Гольцберг И.А., Романова Е.Н. Л.: Гидрометеоиздат. 1980. 157 с.
6. Стулов Е.А. Оценка орографического увеличения жидких осадков над мезомасштабными неоднородностями рельефа. //Метеорология и климатология. С.-Пб. 1997. №5. С. 27-35.
7. Щербаков Ю.А. Влияние экспозиции на ландшафты. Пермь. 1970. 206 с.
MICROCLIMATIC FACTORS OF LANDSCAPE COMPLEXES DIFFERENTIATION IN
SOUTHERN URALS
© 2005. O. K. Richko, V. P. Petrishev, A. A. Juravlev
Institute of Steppe of the Ural branch, Russian Academy of Sciences, 460000 Orenburg, Pionerskaya str., 11, Russia
Main results of researches of microclimatic landscape differentiation in Southern Urals are expounded in
this article. Features of daily and season dynamics of hydrothermal parameters are ascertained for syrt slopes of
various expositions. Particular attention is paid to the influence by relief mesoform (karst hollows) on the
embodiment of microclimatic gradients.
