CC BY
54
ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 551.50
Ю.Г. Хабутдинов, Н.В. Исмагилов, А.А. Николаев
ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ХАРАКТЕРА ДЕЯТЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
На основании градиентных наблюдений рассмотрены условия развития термической конвекции ясного неба. Использованы специальные (экспериментальные) теплобалансовые наблюдения, проведенные кафедрой метеорологии, климатологии и экологии атмосферы за последние десять лет на базе учебной практики «Эколог» в Верхне-Услонском районе Республики Татарстан. За этот период проведено 4500 наблюдений, из которых в данной статье обсуждаются 45.
Ключевые слова: приземный слой атмосферы, метеорологические величины, деятельная поверхность, теплобалансовые наблюдения, термическая конвекция.
Изучение физических процессов в прилегающем к земной поверхности слое атмосферы представляет научное и практическое значение. Состояние этого слоя оказывает существенное влияние на растительный и животный мир Земли и на производственную деятельность и условия жизни человека. Через приземный слой осуществляется взаимодействие атмосферы с земной поверхностью, происходит перенос в вышележащие слои тепла и влаги. Формирующиеся в приземном слое потоки тепла, водяного пара и количества движения оказывают большое влияние на температурный и ветровой режим других слоев атмосферы. Состояние приземного слоя атмосферы и распределение в нем метеорологических величин зависят от характера деятельной поверхности [1; 2].
Цель работы - изучение особенностей распределения метеорологических величин в приземном слое атмосферы в зависимости от характера деятельной поверхности.
Исходные данные - градиентные (теплобалансовые) наблюдения, проведенные в Волго-Свияжском ландшафтном районе Республики Татарстан (база практики факультета географии и экологии «Дачное», Верхне-Услонский р-н РТ).
Материалы и методика исследований
Градиентные наблюдения проведены в целях изучения составляющих теплового баланса, мезо-метеорологических условий различных форм рельефа и характера деятельной поверхности.
Место проведения наблюдений - плато, обрывающееся к руслу Волги крутым уступом, с географическими координатами 55,8о с.ш. 48,8о в.д. с севера на юг. От уреза воды на плато расположены три пункта (точки) наблюдений:
1) берег Волги (деятельная поверхность галька);
2) поляна (деятельная поверхность трава);
3) луг (деятельная поверхность трава).
Расстояние между точками составляет 500 м. Территория покрыта деревьями, в основном лиственных пород.
Программа наблюдений включает измерение потоков солнечной радиации, температуры деятельной поверхности, температуры и влажности воздуха, ветра на высотах 0,5 м и 1,5 м, а также наблюдения за облачностью, осадками, состоянием деятельной поверхности и атмосферными явлениями [3; 4].
Результаты и их обсуждение
Анализируются синхронные ежечасные градиентные наблюдения, проведенные 11 июля 2009 г. в период с 6 до 20 ч на трех пунктах (берег реки, поляна, луг).
Период наблюдения характеризуется малооблачной и безветренной погодой с развитием вследствие термической конвекции до 1-2 баллов кучевых облаков. На берегу реки в сроки 9-12 ч, на поляне в сроки 6-7 ч и 19-20 ч и в поле в срок 20 ч диск солнца закрыт деревьями.
Как известно, интенсивность потоков солнечной радиации зависит от высоты солнца над горизонтом. Полуденные значения суммарной радиации составляют 0,83-0,88 кВт/м2. В динамике дневного хода суммарной солнечной радиации определены минимальные значения, приходящиеся на утренние и вечерние часы и составляющие 0,1 - 0,3 кВт/м2 (рис. 1).
Рис. 1. Дневной ход суммарной радиации
Дневной ход температуры в рассматриваемых условиях определяется преимущественно притоком тепла от Солнца к деятельной поверхности, от которой тепло передается в нижний прилегающий слой атмосферы [5]. При этом максимальные значения температуры подстилающей поверхности на гальке достигают 31-32оС, а на траве 35-38оС (рис. 2).
Максимальные значения температуры воздуха приземного слоя на уровнях 0,5 и 1,5 м составляют 25-26оС практически на всех точках наблюдения. В дневном ходе температуры воздуха в зави-
симости от характера деятельной поверхности, степени закрытости горизонта и расположения точки наблюдения выявлены следующие особенности.
На берегу реки (деятельная поверхность галька) в 6-8 ч утра температура воздуха на уровнях
0,5 и 1,5 м составляет соответственно 20,5оС и 18,9оС, на поляне - 14,4 и 15,1оС, на лугу - 13,2 и 14,9оС. Разница в значениях составляет 6-7оС, что обусловлено прежде всего радиационным выхолаживанием приземного слоя воздуха. В то же время за счет бриза у реки наблюдается более высокое значение температуры (рис. 2).
В дневные часы (12-16 ч) происходит заметное выравнивание температур воздуха на всех трех точках, и они лежат в интервале 22-26оС.
Вечером, начиная с 19 ч, наблюдается влияние речного бриза и температура воздуха на берегу реки вновь выше, чем на поляне и лугу, разница достигает 3-5оС на уровнях 0,5 и 1,5 м соответственно.
В дневном ходе относительной влажности воздуха четко прослеживается закономерная связь с изменениями температуры деятельной поверхности и воздуха [5]. На всех пунктах наблюдений отмечается хорошо выраженный дневной ход относительной влажности. Максимальные значения ее отмечены утром, 6-7 ч, и составляют на уровнях 0,5 и 1,5 м 84-96% и 90-93% соответственно. Минимальные значения отмечались в 14-15 ч и составили на поляне и лугу 41-43%, на берегу реки -51-54%. Разница значений относительной влажности между пунктами наблюдения днем равна 10%, что обусловлено движением более влажного воздуха в этих слоях с водоема на берег.
В вечерние часы, 19-20 ч, с понижением температуры воздуха, относительная влажность увеличивается и сравнима с утренними величинами.
Распределение температуры воздуха с высотой в приземном слое имеет большое значение для развития термической конвекции.
По наблюдениям за температурой воздуха на уровнях 0,5 и 1,5 м определены вертикальные градиенты этой метеорологической величины (табл.).
Вертикальные градиенты температуры воздуха в слое 0,5 - 2 м, приведены к стандартной
размерности по высоте в оС/100 м
Время, ч 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00
Луг 134,4 50,4 67,2 -75,6 -50,4 -8,4 -33,6 33,6
Поляна -58,8 -67,2 -50,4 50,4 42 42 33,6 42
Берег реки -142,8 -25,2 42 92,4 75,6 92,4 67,2 50,4
Время, ч 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00
Луг 58,8 84 84 176,4 33,6 -33,6 75,6
Поляна 58,8 25,2 16,8 -126 -100,8 -151,2 -151,2
Берег реки 58,8 25,2 16,8 50,4 8,4 -75,6 -117,6
В распределении вертикальных градиентов температуры в зависимости от потоков солнечной радиации, характера деятельной поверхности, местоположения пункта наблюдения выявлены следующие особенности.
В утренние часы, 6-8 ч, у уреза воды наблюдается нормальное распределение температуры с высотой у = 134,4 - 50,4 оС/100 м, одновременно на поляне и лугу отмечается инверсионное, обусловленное радиационным выхолаживанием изменение у = - 142,8 - 25,2 оС/100 м.
С увеличением потока солнечной радиации, в основном за счет увеличения прямой солнечной радиации, на поле с 9 до 18 ч и на лугу с 9 до 16 ч вертикальные градиенты температуры положительные и максимальные значения составляют у = 58,8-92,4 оС/100 м.
В то же время следует отметить, что вследствие речного бриза у уреза воды с 9 до 12 ч вертикальные градиенты имеют отрицательные величины у = -8,4-75,6 оС/100 м.
По наблюдениям за температурой воздуха на поляне начиная с 17 ч наблюдаются отрицательные градиенты температуры у = -100,8-151,2 оС/100 м, на лугу с 19 ч у = -75,6-117,6 оС/100 м.
Выводы
1. Физические процессы в прилегающем к деятельной поверхности слое атмосферы определяют потоки тепла и влаги и оказывают решающее влияние на температурный, влажностный и ветровой режим вышележащих слоев атмосферы.
2. Анализ данных градиентных наблюдений позволяет выявить закономерности и особенности распределения метеорологических величин в зависимости от характера деятельной поверхности, интенсивности потоков солнечной радиации, физико-географических условий.
3. Экстремальные значения температуры деятельной поверхности, покрытой галькой, - 31-32оС, травой - 35-38оС.
4. Максимальные значения температуры воздуха приземного слоя атмосферы на уровнях 0,5 и 1,5 м на всех точках наблюдения составляют 25-26оС.
5. Относительная влажность воздуха на берегу реки на 10% выше, чем на поляне и лугу.
6. Вертикальные градиенты температуры воздуха в слое 0,5-2 м имеют положительные величины, характеризующие неустойчивое состояние атмосферы, у = 50,4 - 134,4 оС/100 м; отрицательные, характеризующие устойчивое состояние атмосферы, - у = -100,8-151,2 оС/100 м.
7. Количественные характеристики метеорологических величин могут быть использованы при создании численных моделей контактной термической конвекции.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дроздов О.А. Климатология. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 568 с.
2. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, 751 с.
3. Исмагилов Н.В., Кузеева Н.Г., Наумов Э.П., Шанталинский К.М. Методические указания к учебной практике по метеорологии. Актинометрические наблюдения в полевых условиях. Казань, ЛОП КГУ, 2002. 26 с.
4. Наумов Э.П., Исмагилов Н.В., Кузеева Н.Г. Методические указания к учебной практике по метеорологии. Градиентные наблюдения в полевых условиях. Казань, ЛОП КГУ, 2004. 31 с.
5. Хабутдинов Ю.Г., Шанталинский К.М. Метеорология и климатология. Учение об атмосфере. Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2000. 182 с.
Поступила в редакцию 12.08.11
Yu. G. Khabutdidov, N. V. Ismagilov, A.A. Nikolaev
Features of meteorological elements’ distribution in the surface layer of atmosphere, being a subject to the underlying surface character
The article analyzes the conditions for the development of thermal convection of a clear sky and presents special (experimental) heat balance observations being carried out for the last ten years on the basis of educational practice «Ecolog» (Verhne-Uslonsky area, Tatarstan Republic) by the department of meteorology, climatology and ecology of the atmosphere. During the above period 4500 observations have been carried out, 45 of them are analyzed in this article.
Keywords: ground-surface layer of the atmosphere, meteorological elements, active surface, heat balance observation, thermal convection.
Хабутдинов Юрий Г айнетдинович, кандидат географических наук, доцент
Исмагилов Наиль Вагизович, кандидат географических наук, доцент
Николаев Александр Анатольевич, кандидат географических наук, доцент
Казанский (Приволжский) федеральный униве 42000S, Россия, г. Казань, ул. Кремлевская, 18. E-mail: Yuri.Perevedentsev@ksu.ru
Khabutdidov Yu.G.,
candidate of geography, associate professor Ismagilov N.V.,
candidate of geography, associate professor Nikolaev A.A.,
candidate of geography, associate professor
Kazan Federal university
420008, Russia, Kazan, Kremlevskaya st., 18
E-mail: Yuri.Perevedentsev@ksu.ru
