CC BY
36
Раздел 3 ГИДРОЛОГИЯ. КЛИМАТ
Section 3 HYDROLOGY. CLIMATE
УДК 551.2
СРЕДНЯЯ МНОГОЛЕТНЯЯ СУММА ТВЕРДЫХ ОСАДКОВ
ВЕРХНЕЙ ОБИ
В.П. Галахов
Институт водных и экологических проблем СО РАН, E-mail: galahov@iwep.ru
В практике гидрологических прогнозов считается, что оценка средних многолетних сумм твердых осадков является одной из основных характеристик при прогнозировании объема талого стока. И если для равнинных территорий подобные карты с той или иной степенью достоверности можно построить на основе материалов непосредственных наблюдений, то в условиях сложной орографии (горы) это практически невозможно вследствие редкой сети наблюдений. Сделана попытка построить карту средних многолетних сумм твердых осадков на основе учета добавки к скорости вертикальных движений воздушных масс за счет орографии.
Ключевые слова: сумма средних многолетних твердых осадков, бассейн Верхней Оби.
Теоретической базой прогноза стока горных рек за период половодья является уравнение водного баланса [1]. Методы прогноза стока для горных рек за период половодья существенно отличаются от тех, которые работают для равнинных. Основных причин для различного подхода две. Первая - это расхождение по величине и колебаниям от года к году некоторых членов уравнения водного баланса. Считается, например, что поглощение талых вод почво-грунтами бассейна в горах существенно меньше, чем на равнине. Но основной причиной различных методических подходов в прогнозах является недостаточность гидрометеорологического обеспечения. Если для равнинных рек можно более или менее точно вычислить запас воды в снежном покрове при максимуме снегонакопления, то для горных бассейнов, особенно в Сибири, это практически неразрешимая задача
(очень редкая сеть наблюдений). Поэтому при определении запаса воды в снежном покрове в начале снеготаяния используется не абсолютная величина, а различные показатели [1]. В качестве основного условия при подобных расчетах считается знание либо суммы твердых осадков за многолетний период, либо средних многолетних максимальных снегозапасов. К сожалению достаточно обоснованных подобных карт на территорию горной части Алтая не имеется.
Наиболее подробно этот вопрос рассмотрен в коллективной монографии «Снежно-водно-ледниковые ресурсы...», где указано: «Наиболее полное обобщение сведений о снежном покрове в бассейне Верхней Оби представлено в работе В.С. Ревякина и В.И. Кравцовой (1977)» [2, с. 32]. В монографии «Снежный покров и лавины Алтая» [3] приводятся две карты высоты снежного покрова на дату максимума снегозапасов.
Первая построена на основе использования высотных зависимостей (Ьснега = ДБ)), вторая - на основе ландшафтной индикации. В диапозоне толщин снежного покрова от 0 до 100 см цена деления равна 20 см, от 100 до 300 см -50 см. В дальнейшем эти карты уточнялись, и их окончательный вариант в масштабе 1:30000000 можно найти в Атласе снежно-ледовых ресурсов мира [4].
Как уже указывалось выше, для оценки максимальных снегозапасов (суммы зимних осадков) используются чаще всего высотные зависимости. Однако их применение не всегда оправдано. Покажем это на примере снегомерных работ, выполненных в бассейне р. Мульта в начале марта 1972 г. Как видно из рисунка 1, несмотря на одинаковую абсолютную высоту запас воды в снежном покрове на этом относительно небольшом учатке р. Мульта (около 300 км2) различается в несколько раз. Анализ снегомерных съемок показал, что в низкогорье подобные высотные зависимости могут быть применимы на площади водосборов не более 1 000 км2, в высокогорье (альпийский рельеф) эта площадь уменьшается до 100 км2 [6].
500 1100 1300 1500 1700 1900 Н,М
Рис. 1. График связи запасов воды в снежном покрове с высотой склонов в бассейне р. Мульта по данным маршрутных снегосьемок в начале марта 1972 г. [5]: 1 - Мульта, 2 - Проездная Мульта, 3 -руч. Михайловский, 4 - Черная речка.
Для оценки осадков за холодный период в бассейне Оби до г. Барнаула была сделана попытка увязать среднюю многолетнюю сумму осадков за холодный период с добавкой к скорости вертикальных движений за счет орографии. Достаточно подробное описание алгоритма модели движения воздушной массы в условиях сложной орографии можно найти в монографии «Условия формирования и расчет максимальных снегозапасов в горах» [6].
Применение этой модели и расчет ежегодных максимальных снегозапасов в бассейне р. Томи показало достаточно хороший результат [7]. Однако необходимо напомнить, что как указывает Р.Р. Роджерс [8], простая кинематическая модель движения воздушных масс в условиях сложной орографии дает положительный результат в случае «низких гор» (отдельные вершины около 2 тыс. м). Для бассейна Томи это условие выполняется, а для Катуни часть бассейна имеет абсолютные высоты более 2 км (рис. 2).
На основе разработанного алгоритма расчета скорости вертикальных движений за счет орографии в узловых точках были расчитаны ее величины. По полученным значениям орографической добавки к скорости вертикальных движений в районе метеостанций были построены графики связи орографической добавки и суммы осадков за ноябрь-март (рис. 3), а также за октябрь (рис. 4), апрель (рис. 5) и май.
Единственное что необходимо отметить это то, что для построения графиков связи не были использованы метеостанция Кош-Агач, а также равнинные - Барнаул, Бийск, Сростки, которые подвержены надуванию снега в период метелей. Это подтверждается большим количеством осадков в течение зимы (когда снег сухой) и «нормальным» количеством осадков в переходные периоды (когда выпадают либо жидкие осадки, либо мокрый снег). ГМС Кош-Агач совершенно выбивается из графиков связи. Скорее всего, для нее играет роль то, что Чуйская котловина поднята на высоту более 1,5 км.
Рис. 2. Матрица абсолютных высот в бассейне Оби до Барнаула, шаг сетки 25 км (показана гидрография и основные гидрометеорологические станции): 1 - от 0,0 до 0,2; 2 - от 0,2 до 0,4; 3 - от 0,4 до 0,6; 4 - от 0,6 до 0,8; 5 - от 0,8 до 1,0; 6- от 1,0 до 1,5; 7- от 1,5 до 2,0; 8 - от 2,0 до 2,5; 9 - от 2,5 до 3,0; А - более 3,0 км.
Также как и для бассейна р. Томи достаточно уверенные графики связи получены для октября, зимнего периода и апреля. Поскольку в мае снежный покров на большей части бассейна Оби
стаивает, то включается неравномерное прогревание склонов, которое кинематическая модель не отражает, и поэтому график связи за май невозможно использовать в расчетах.
0
1 ф
X
с 1:1 °
* о,
И
Ш
£> 5
° 5
£3 ¡8 4 ч
О. о
о О
300
250 ! ^
200 • 3 ► * >__
150 ►ж--
у = 158223Х + 101,17 -R2 = 0,7199-
-0,0004 -0,0002
0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,001
Орографическая добавка к скорости вертикальных движений, условные единицы
Рис. 3. График связи орографической добавки и суммы средних многолетних осадков за ядро зимний период (ноябрь-март), суммы - по [9]: квадратики - равнинные ГМС.
Октябрь
о I
о *
¡Е со ^
2 2 ф 2 а> о
Ч т
0) 5
^ с
О о
-тее- ♦
я 1
60 ♦___
♦ чуд у = 61321Х + 38,139
■ ♦ , 20 ^ 0 Ri = 0,Ь/2Ь 11111
-0,0004 -0,0002
0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,001
Орографическая добавка к скорости вертикальных движений, условные единицы
Рис. 4. График связи орографической добавки и суммы средних многолетних осадков за октябрь, суммы - по [9]: квадратики - равнинные ГМС.
Рис. 5. График связи орографической добавки и суммы средних многолетних осадков за апрель, суммы - по [9]: квадратики - равнинные ГМС.
0
0
0
Для проверки полученных зависимостей попытаемся рассчитать среднюю многолетнюю величину твердых осадков за холодный период и сравним ее с количеством воды за период половодья. Поскольку в зимний период осадки выпадают в твердом виде, то данные для расчета используются без поправок. Однако для октября и апреля их фазовое состояние будет зависеть от температуры воздуха, следовательно, необходимо отделить в точках расчета твердые осадки от жидких. Для расчета градиентов температур воздуха использовались следующие пары станций: Аккем и Ка-ратюрек, Катанда и Каратюрек, Кызыл-Озек и Онгудай, Усть-Кокса и Катунь [10]. Естественно, рассчитывался градиент при одинаковой подстилающей поверхности на станциях. Это должны быть «снег-снег» или «почва-почва», но не «почва-снег».
В качестве опорной метеостанции для расчета фазового состояния осадков в переходные периоды взята ГМС Он-гудай, географически находящаяся примерно в центре бассейна. Для расчета фазового состояния осадков примем самый простой алгоритм: если температура воздуха была ниже 0 °С и подстилающая поверхность представляет собой не снежный покров - значит осадки выпадали в твердом виде.
Средняя многолетняя температура в октябре на ГМС Онгудай равняется 0,5 °С. Таким образом, начиная примерно с абсолютной высоты 1 000 м в октябре должны были выпадать твердые осадки. В апреле средняя многолетняя температура равна 2,3 °С. Поскольку весной твердые осадки выпадают на холодную подстилающую поверхность (снег) при температуре воздуха, согласно нашим исследованиям [5], около +2 °С, то примем, что в жидкой фазе весной осадки выпадают при температуре приземного воздуха более +2 °С, или в апреле твердые осадки учитываются преимущественно выше 900 м.
Оценим добавку в виде твердых осадков в зимний период. За октябрь твердые осадки составят 34,0 мм, за апрель - 27,8 мм (рис. 6). Естественно, что в зимний период будет наблюдаться испарение со снежного покрова. Экспертная оценка на основе расчетов по водосборному бассейну р. Майма показала, что испарение за зимний период составляет около 30 мм. Рассчитаем суммы твердых осадков с учетом испарения и соответствующие коэффициенты стока (табл. 1).
Оценка слоя стока от таяния снежного покрова проводилась на основе лет, во-первых, близких по годовому стоку к среднему многолетнему и, во-вторых, когда количество осадков в апреле и мае было минимальным: не более 40-45 мм в месяц. Таких лет набралось не так уж и много: 1996 и 1997 гг. В остальных случаях (годы по стоку близкие к среднему многолетнему) осадки в период снеготаяния были более значительными: более 50 мм.
Для проверки полученных величин твердых осадков в бассейне р. Катуни сравним полученные коэффициенты стока с коэффициентами стока в бассейне р. Маймы [11]. Расчеты показывают, что в бассейне р. Маймы коэффициент талого стока изменяется от 0,28 (многоснежная зима 2009-2010 гг.) до 0,45 (средняя по снежности зима 20062007 гг.). В малоснежную зиму 20112012 гг. коэффициент талого стока равнялся 0,41. Отметим, что в бассейне р. Маймы нет многолетней мерзлоты, которая в бассейне р. Катуни начинается выше 1,5 км. Наблюдения в горноледниковых бассейнах Алтая [5] и анализ имеющихся литературных источников [12-13] показали, что именно выше 1,5 км коэффициент талого стока начинает резко увеличиваться, достигая 0,60,8.
Таким образом, полученная матрица средних многолетних твердых осадков Верхней Оби может быть признана достоверной.
Рис. 6. Средние многолетние твердые осадки бассейна Оби, октябрь-март:
1 - 0-25; 2 - 25-50; 3 - 50-100; 4 - 100-150; 5 - 150-200; 6 - 200-250; 7 - 250-300; 8 - 300-350 мм.
Таблица 1
Средние многолетние суммы твердых осадков в бассейне р. Катуни до пункта Сростки
с учетом испарения
Средние многолетние осадки, мм Слой стока за период половодья, мм Кстока
Октябрь ноябрь-март апрель октябрь-март октябрь-апрель
26 107 20 86 0,65 0,56
Список литературы
1. Апполов Б.А., Калинин Г.П., Компров В.Д. Курс гидрологических прогнозов. -Л., 1974. - 420 с.
2. Снежно-водно-ледниковые ресурсы бассейна Верхней Оби и прогнозы стока весеннего половодья. - Томск, 1986. - 254 с.
3. Ревякин В.С., Кравцова В.И. Снежный покров и лавины Алтая. - Томск, 1977. -215 с.
4. Атлас снежно-ледовых ресурсов мира. - М., 1997. - 392 с.
5. Ревякин В.С., Галахов В.П., Голещихин В.П. Горноледниковые бассейны Алтая. - Томск, 1979. - 310 с.
6. Галахов В.П. Условия формирования и расчет максимальных снегозапасов в горах. - Новосибирск, 2003. - 104 с.
7. Галахов В.П. Условия формирования поверхностного стока половодья Кузнецкой котловины. - Барнаул, 2016 (в печати).
8. Роджерс Р.Р. Краткий курс физики облаков. - Л., 1979. - 232 с.
9. Справочник по климату СССР. Выпуск 20. Влажность воздуха, атмосферные осадки, снежный покров. - Л., 1969. - 332 с.
10. Справочник по климату СССР. Выпуск 20. Температура воздуха и почвы. - Л., 1965. - 396 с.
11. Галахов В.П., Сюбаев А.А. Расчет Объема стока первой волны половодья Оби у Барнаула. - Барнаул, 2016. - 122 с.
12. Комлев А.М., Титова Ю.В. Формирование стока в бассейне р. Катуни. - Новосибирск, 1966. - 156 с.
13. Корытный Л.М. Некоторые закономерности формирования водного баланса лесных водосборов предгорий Западного Саяна // На встрече молодых географов. - Иркутск, 1972. - С. 44-48.
LONG-TERM AVERAGE SOLID PRECIPITATIONS IN THE UPPER OB
V P. Galakhov
Institute for Water and Environmental Problems SB RAS, E-mail: galahov@iwep.ru
In hydrological forecasts, the assessment of long-term average solid precipitations are considered as one of the main characteristics for predicting the runoff from snow. For lowland areas, such maps can be constructed with a given reliability using the data of direct observations, while in complex orography (mountains) such a construction is almost impossible due to rare observations. In the paper, we attempt to build a map of the long-term average solid precipitations taking into consideration the increase of the vertical air velocity due to the orography.
Key words: long-term average solid precipitations, the Upper Ob basin.
