CC BY
84
УДК 58.056; 581.524.43
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ИНВЕРСИИ КАК ФАКТОР ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ ЛЕСНЫХ ФОРМАЦИЙ НА УРАЛЕ И В ПРЕДУРАЛЬЕ
© Ю.П. Горичев
Ключевые слова: температурная инверсия; орографическая инверсия; климатоп.
Температурные инверсии как метеорологическое явление имеют широкое распространение на возвышенностях и в горах. Вследствие орографических инверсий происходит высотная дифференциация экотопов по термическому режиму, что приводит к пространственной дифференциации лесных фитоценозов. Дан краткий обзор материалов о влиянии орографических инверсий на пространственную структуру лесной растительности по трем регионам - Предуралью, Среднему и Южному Уралу.
Многие отечественные исследователи (географы, ботаники, лесоводы и др.), работая в разных регионах страны, обращали внимание на влияние температурных инверсий на пространственную дифференциацию лесных фитоценозов.
Мы попытались обобщить сведения, касающиеся температурных инверсий и их влияния на пространственную структуру лесной растительности по Предуралью, Среднему Уралу и Южному Уралу. Дополнительно, для сравнения, приведены данные по Средней Сибири (Приангарское плато). Большинство материалов относится к 70-м гг. ХХ в., поиск более поздних материалов не дал результата.
Переходя непосредственно к теме, кратко охарактеризуем явление температурной инверсии и приведем некоторые данные о характере проявлений инверсий в некоторых регионах. Нормальным и закономерным считается понижение температуры с высотой местности. Однако часто происходят различного рода инверсии - явления противоположного характера, т. е. возрастание температуры с высотой. Инверсии проявляются в определенном слое атмосферы - т. н. слое инверсии [1]. Различают несколько видов инверсий. Одной из них является орографическая инверсия, основная причина которой - сток холодного воздуха в понижения. Возникновению орографической инверсии способствуют условия пересеченного холмистого или горного рельефа. В горах и на возвышенностях при определенных метеорологических условиях (антициклональная, безветренная погода) холодный, более плотный воздух под силой тяжести стекает с возвышенных мест в понижения и там скапливается, образуя озера холодного воздуха. При этом более высокие температуры наблюдаются на склонах. В ночные часы при ясной антициклональной погоде в результате стекания холодных воздушных масс в долины, где происходит сильное выхолаживание поверхности, возможно возникновение поздневесенних и летних заморозков. При циклональных погодных условиях температурные инверсии выражены слабее.
Приведем некоторые данные о характере протекания орографических инверсий из известной сводки Роджера Г. Барри по горному климату [2]. На опреде-
ленной высоте над днищами долин - на склонах или выпуклых поверхностях образуется т.н. теплый пояс. В условиях среднегорного рельефа данный пояс расположен относительно днищ на высоте около 350 м летом и 700 м - зимой. На возвышенностях он находится несколько ниже - на высоте около 100-400 м над днищами долин. В теплом поясе вегетационный период на 1-2 недели продолжительнее, чем на дне долины. Выше теплового пояса вегетационный период также более короткий. Среднемесячные температуры теплого и холодного поясов различаются на 1 °С зимой и 0,2 °С летом, а средние месячные минимальные температуры -соответственно, на 3 и 1,5 °С [2].
Таким образом, в условиях пересеченной местности наиболее холодными экотопами являются днища долин с прилегающими частями склонов и вогнутые формы рельефа. Для них характерны наибольшие амплитуды минимальных и среднесуточных температур, наибольшая частота заморозков, наиболее короткий безморозный период. Самые теплые экотопы - склоны, включающие «тепловой пояс» и выпуклые формы рельефа. Они характеризуются наименьшими амплитудами температуры, самым продолжительным безморозным периодом.
Исследованиями, проведенными в Средней Сибири (Приангарское плато) [3-5], установлено, что в результате орографических инверсий температура на водоразделе и в долине с разностью высот 50 м, различалась в среднем на 4-5 °С, а при некоторых погодных ситуациях разность температур достигала 10-12 °С. Микроклимат водоразделов в целом более теплый по сравнению с микроклиматом днищ долин: средняя годовая температура выше на 1,3-1,5 °С, среднеянварская - на 0,6-0,9 °С, среднеиюльская - на 0,3 °С (градиенты составляют, соответственно, 6,2 и 3,6 °С на 100 м высоты). Основные микроклиматические различия теплого и холодного поясов связаны с варьированием минимальной температуры воздуха, амплитуды ее суточного хода, а также суммы активных температур [5]. В теплом поясе, по сравнению с холодным, средние минимальные температуры в январе и июле выше, соответственно, на 3,2 и 3,4 °С. Амплитуды температур в теплом поясе меньше: годовая - на 1,7-0,5 °С, январская - на 3,2 °С, июльская - на 4,6 °С [5]. Суммы ак-
тивных температур в теплом и холодном поясах различаются на 300 °С. В целом микроклимат теплых экото-пов (водоразделы и прилегающие склоны) характеризуется умеренными величинами температуры, относительно пониженными амплитудами суточных и сезонных колебаний, наибольшей длительностью безморозного периода. Микроклимат холодных экотопов (днища долин и прилегающих склонов) отличается сильным выхолаживанием, резко сокращенной длительностью безморозного периода [5]. В теплом поясе в летнее время температура воздуха не опускалась ниже 10 °С, а в холодном поясе в течение вегетационного периода минимальная температура регулярно опускалась ниже 10 °С, а эпизодически - даже ниже 0 °С.
Исследования, проведенные Р.С. Зубаревой [6] на Среднем Урале, на топографическом профиле с высотами от 410 до 550 м над уровнем моря показали существенные термические различия между теплым и холодным поясами. В течение четырехлетнего периода наблюдений средние суммы температур за вегетационный период составили, соответственно, 1569 и 1405 °С, среднесуточные температуры - соответственно, 10,812,9 и 10,5-11,2 °С. В холодном поясе наблюдаются более низкие значения минимальных температур, более частые заморозки в вегетационный период, более короткие вегетационный и безморозный периоды. Термический режим теплого пояса характеризуется максимальным накоплением тепла в вегетационный период, наименьшими амплитудами среднемесячной и минимальной температур [6].
Согласно исследованиям В.Г. Туркова [7], для Среднего Урала орографические инверсии с отрицательными температурными градиентами являются обычным явлением. Верхний предел относительно устойчивых температурных инверсий наблюдается на высоте 480-500 м над ур. м. На высотном отрезке от 250 до 300-400 м над ур. м. среднемесячные температуры возрастают с высотой в пределах 3,6-5,8 °С, максимально - 7,7 °С на каждые 100 м, на более высоких уровнях - 0,4-1,4 °С [7].
Приведенные данные показывают, что в результате проявления орографических инверсий происходит высотная дифференция экотопов по термическим условиям. Это, в свою очередь, приводит к высотной дифференциации растительных сообществ. На такую закономерность пространственной дифференциации лесной растительности, обусловленную орографическими инверсиями, указывали многие исследователи для разных природных регионов нашей страны, в частности, Б.П. Колесников -для Дальнего Востока и Урала, В.С. Порфирьев - для Поволжья и др. Для Среднего Урала подобные закономерности отмечали Р.С. Зубарева и В.Г. Турков.
На Среднем Урале в подзоне южнотаежных лесов пространственное распространение субнеморальных темнохвойных лесов с участием липы Р.С. Зубарева и В.Г. Турков напрямую связывали с орографическими инверсиями. Р.С. Зубарева [8] отмечала, что данные сообщества занимают наиболее теплые местоположения - господствующие платообразные вершины возвышенностей с абсолютными высотами 320-480 м над ур. м. (условную нижнюю границу их распространения определяет высотная изолиния 300 м над ур. м.), стабильные по температурному режиму в течение вегетационного периода, особенно в критические для растительности весенние и осенние месяцы. На остальных элементах рельефа формируются бореальные темно-
хвойные леса без участия липы. Р.С. Зубарева рассматривала насаждения с участием липы в подзоне южнотаежных лесов как своеобразные индикаторы верхней границы инверсионного слоя [8].
В.Г. Турков [9] также отмечал эту закономерность распространения субнеморальных темнохвойных лесов с участием липы. Данные сообщества формируют на склонах и вершинах фрагментарно выраженную высотную полосу, постепенно сужающуюся с запада на восток от 150-200 до 30-50 м. Первостепенным фактором их пространственного положения является благоприятный термический режим средних и верхних частей горных склонов и невысоких плоских вершин, обусловленный явлением температурных инверсий [9].
Влияние инверсий на пространственное распространение лесных биоценозов указывались и для Пре-дуралья. Р.С. Зубарева [10], проводившая исследования в ряде районов Предуралья, в т. ч. в северной части Уфимского плато, указывала, что лесообразующая роль широколиственных пород проявляется в наиболее теплых экотопах, менее всего подверженных отрицательным воздействиям температурных инверсий.
А.В. Письмеров [11] особенности пространственной дифференциации лесной растительности на Уфимском плато также связывал с пересеченным рельефом и орографическими инверсиями. Он отмечал, что на повышенных элементах рельефа - на выпуклых вершинах увалов и в верхних частях склонов (т. е. в пределах теплого пояса) формируется неморальный флористический комплекс с широколиственными породами, а в депрессиях и нижних частях склонов - бореальный флористический комплекс без участия широколиственных пород.
Исследования, проведенные нами на Южном Урале в провинции широколиственно-темнохвойных лесов [12], показывают важную роль орографических инверсий в пространственной дифференциации лесных биоценозов. Инверсии проявляются на высотном отрезке от 200-300 м (уровень днищ речных долин) до 600-700 м над ур. м. (средние, верхние части склонов и вершины увалов, а также средние и верхние части склонов среднегорных хребтов). Своего рода индикатором или маркером верхней границы слоя инверсии служит визуально наблюдаемая полоса распространения широколиственных лесов. С 2013 г. нами начали проводиться инструментальные наблюдения за температурным режимом некоторых типов леса с использованием цифрового термометра-регистратора «Термохрон». Полученные результаты одного года подтверждают наличие инверсионных явлений и существование высотной дифференциации экотопов по термическим условиям вследствие проявления орографических инверсий.
На основе качественных фитоценотических признаков лесных насаждений - степени участия в составе древостоя широколиственных пород (что косвенно отражает особенности термического режима экотопов), нами выделены 4 типа экотопов-климатопов: теплые контрастно-холодные, холодные и прохладные. Теплые климатопы занимают высотное положение в т. н. теплой зоне (верхние части склонов высоких хребтов, вершины невысоких гор, увалов на высотах 300-600 м над ур. м.). Контрастно-холодные климатопы занимают нижний высотный уровень (днища депрессий и прилегающие к ним склоны на высотах 200-300 м над ур. м.), где в результате орографических инверсий, стока и застаивания холодного воздуха складываются неблагопри-
ятные термические условия для развития и активного участия в лесообразовательном процессе широколиственных пород. Холодные климатопы расположены выше слоя инверсии, где происходит нормальное вертикальное распределение температуры, т. е. ее понижение с высотой (положительный градиент), занимают верхние части склонов высоких хребтов и вершины менее высоких хребтов на высотах 600-800 м над ур. м. Переходные полосы (экотоны) между теплыми климатопами, с одной стороны, холодными и холодными-контрастными, с другой - занимают прохладные климатопы.
С каждым климатопом связано распространение определенной коренной лесной формации. Теплые (мезотермальные) климатопы, характеризующиеся наиболее высокой теплообеспеченностью и относительно мягким термическим режимом, располагаются в широколиственных лесах. С контрастно-холодными (криотермальные) и холодными (нанотермальные) климатопами связано распространение темнохвойных бореальных лесов. Условия контрастно-холодных кли-матопов из-за резко контрастного термического режима (частые заморозки в период вегетации, значительные амплитуды суточных температур) неблагоприятны для произрастания широколиственных пород, условия холодных климатопов также предельно ограничивают или исключают произрастание широколиственных пород вследствие недостаточной теплообеспеченности и укороченности вегетационного периода. Термические условия прохладных (микротермальных) климатопов позволяют совместно произрастать темнохвойным и широколиственным породам, которые формируют смешанные широколиственно-темнохвойные леса [12].
Анализ приведенных материалов по 4 регионам позволяет сделать выводы: 1) роль орографических инверсий и, соответственно, их влияние на пространственную структуру лесной растительности наиболее выражены в тех лесных регионах, где лесные сообщества формируют древесные виды, различающиеся требовательностью к термическим условиям, например, широколиственные и темнохвойные породы. В регионах, где древесный ярус формируют виды с близкими потребностями в отношении термического режима (зоны тайги и широколиственных лесов), роль орографических инверсий в дифференциации растительности менее значима. Так, например, в южнотаежных лесах Сибири весь высотный профиль (плакоры и долины) занимают темнохвойные леса, образованные тремя видами - елью, пихтой и кедром с близкими экологобиологическими свойствами. В данном регионе пространственная дифференциация лесной растительности проявляется слабо, на уровне ассоциаций темнохвойных лесов. На плакорах распространены насаждения с доминированием пихты, а в долинах - кедра и ели [3]. В южнотаежных лесах Среднего Урала и Предуралья, в состав которых входит липа, различия выражены резче. При общем господстве бореального флористического комплекса, на водоразделах (т. е. в теплом поясе) получает локальное распространение неморальный флористический комплекс с липой в древесном ярусе. То есть здесь также наблюдается пространственная дифферен-
циация растительности на уровне ассоциаций темнохвойных лесов. Иная картина - в подзоне широколиственно-темнохвойных лесов. Здесь происходит высотная дифференциация лесных биоценозов на уровне формаций. На положительных формах рельефа (т. е. в пределах теплого пояса) распространены широколиственные леса, отрицательные элементы рельефа занимают боре-альные леса [13]; 2) на возвышенностях мы наблюдаем трехуровневую высотную дифференциацию климато-пов; снизу вверх: контрастно-холодные - прохладные -теплые. В горных районах наблюдается 5-уровневая высотная дифференциация климатопов: снизу вверх -контрастно-холодные - прохладные - теплые - прохладные - холодные [12].
ЛИТЕРАТУРА
1. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. М., 2001.
2. Барри Р.Г. Погода и климат в горах. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 311 с.
3. Крауклис А.А. Структурно-динамический фациальный анализ южнотаежного ландшафта Нижнего Приангарья // Южная тайга Приангарья. Л., 1969. С. 32-119.
4. Крауклис А.А. Проблемы экспериментального ландшафтоведения. Новосибирск, 1979. 232 с.
5. Кремер JI.K. Микроклиматические закономерности // Природные режимы и топогеосистемы приангарской тайги. Новосибирск, 1975. С. 71-108.
6. Зубарева Р.С., Горячев В.М. Термический режим темнохвойных лесов Среднего Урала как лесообразующий фактор // Роль экологических факторов в лесообразовательном процессе на Урале. Свердловск, 1981. С. 3-16.
7. Турков В.Г., Шевелев Н.Н. К сравнительной характеристике местного климата водораздельного кряжа Среднего Урала // Роль экологических факторов в лесообразовательном процессе на Урале. Свердловск, 1981. С. 41-48.
8. Зубарева Р.С. Ландшафтно-типологические комплексы как элемент лесорастительного районирования (на примере широколиственно-хвойных лесов Среднего Урала) // Тр. института экологии растений и животных УНЦ АН СССР. 1972. Вып. 84. С. 64-77.
9. Турков В.Г., Туркова В.И. Пихтоельники липняковые южнотаежного Среднего Урала // Структура и динамика биогеоценозов Урала. Свердловск, 1985. С. 28-48.
10. Зубарева Р.С. Классификация типов смешанных лесов предгорного Предуралья // Лесообразовательный процесс на Урале и в Зауралье. Свердловск, 1975. С. 3-52.
11. Писъмеров А.В. Лесная растительность Уфимского плато // Горные леса Южного Урала. Уфа, 1971. С. 109-117.
12. Горичев Ю.П., Давыдычев А.Н., Алибаев Ф.Х., Кулагин А.Ю. Широколиственно-темнохвойные леса Южного Урала: пространственная дифференциация, фитоценотические особенности, естественное возобновление. Уфа, 2012. 176 с.
13. Порфиръев В.С. Хвойно-широколиственные леса Волжско-Камского края: автореф. дис. ... д-ра биол. наук. Л., 1970. 34 с.
Поступила в редакцию 20 мая 2014 г.
Gorichev Y.P. TEMPERATURE INVERSION AS FACTOR SPATIAL DIFFERENTIATION OF FOREST FORMATIONS IN URAL AND URAL REGION
Temperature inversions as the weather phenomenon have a wide spread of the uplands and mountains. Inversions occur due to orographic altitude differentiation ecotopes on the thermal regime, which leads to spatial differentiation of forest phytocenoses. The article provides a brief review of the material on the impact of orographic inversions on the spatial structure of forest vegetation on three regions - Ural region, Middle and Southern Urals.
Key words: temperature inversion; orographic inversion; kli-matop.
Горичев Юрий Петрович, Южно-Уральский государственный природный заповедник, д. Реветь, Белорецкий район, Республика Башкортостан, Российская Федерация, кандидат биологических наук, зам. директора по научной работе, e-mail: [email protected]
Gorichev Yuri Petrovich, South Ural State Nature Reserve, setl. Revet, Beloretsk district, Republic of Bashkortostan, Russian Federation, Candidate of Biology, Vice Director for Scientific Work, e-mail: [email protected]
