
- •Тема 5 Метеорология
- •Лучистая энергия Солнца
- •Радиационный баланс подстилающей поверхности
- •Актинометрические приборы
- •Измерение температуры деятельного слоя Измерение температуры почвы
- •Измерение температуры воды
- •Формирование температурного режима атмосферы
- •Вертикальная стратификация температуры воздуха
- •Измерение температуры воздуха
- •Атмосферная влага
- •Измерение влажности воздуха
- •Атмосферные осадки
- •Измерение атмосферных осадков
- •Атмосферное давление
- •Измерение атмосферного давления
- •Определение скорости и направления ветра
- •Синоптические объекты
- •Прогнозы погоды
- •Прогноз погоды поместным признакам
- •Электрические явления в атмосфере
- •Загрязнение атмосферы и его экологические последствия
- •Тема 6 Основы климатологии
- •Климатическая система и климатообразующие факторы
- •Солнечная радиация как климатообразующий фактор
- •Подстилающая поверхность как климатообразующий фактор
- •Роль рельефа в формировании климата
- •Влияние почвенного и растительного покровов на климат
- •Влияние снежного покрова на климат
- •Циркуляционные факторы климата
- •Изменения климата геологического прошлого
- •Изменения климата в историческую эпоху
- •Изменения климата за период инструментальных наблюдений
Радиационный баланс подстилающей поверхности
Радиационный баланс подстилающей поверхности. Часть прямой и рассеянной солнечной радиации, поступающей к земной поверхности, ею отражается. Отражательная способность подстилающей поверхности зависит от ее физических свойств, цвета, состояния и характеризуется величиной альбедо.
Альбедо
–
это отношение отраженной (коротковолновой)
радиации
к суммарной Q,
поступающей
на подстилающую поверхность:
.
Альбедо выражается в долях единицы или в процентах.
Альбедо для свежевыпавшего снега – 80-95 %, для темных почв – 5-10%.
Земная поверхность, поглощая суммарную солнечную радиацию (коротковолновую), в то же время сама излучает длинноволновую радиацию. Часть этой энергии уходит в мировое пространство и в значительной части поглощается атмосферой. В этом поглощении большое участие принимают водяной пар, озон, углекислый газ, пыль. Вследствие поглощения излучения Земли атмосфера нагревается и, в свою очередь, излучает длинноволновую радиацию. Часть этой радиации направлена в сторону земной поверхности. Таким образом, в атмосфере создаются два потока длинноволновой радиации: один из них состоит из излучения подстилающей поверхности Е3 и направлен вверх, а другой представляет радиацию атмосферы Еа и направлен вниз. Разность Ез–Еа называют эффективным излучением подстилающей поверхности Еэф.
Радиационный баланс подстилающей поверхности представляет собой разность между приходом и расходом лучистой энергии. Т. е. радиационный баланс равен количеству энергии, поглощенной подстилающей поверхностью:
Уравнение радиационного баланса подстилающей поверхности имеет вид:
,
кВт/м2,
где – прямая солнечная радиация на горизонтальную поверхность, кВт/м2;
D – рассеянная солнечная радиация на горизонтальную поверхность, кВт/м2;
Еа – встречное излучение атмосферы (длинноволновое излучение атмосферы, направленное в сторону подстилающей поверхности), кВт/м2;
Rk – коротковолновая радиация, отраженная от подстилающей поверхности, кВт/м2;
Ra – длинноволновая радиация, отраженная от подстилающей поверхности, кВт/м2;
Ез - длинноволновое излучение подстилающей поверхности, кВт/м2.
Величина Ra очень мала, поэтому в практических расчетах ее не учитывают.
Принимая во внимание, что
,
получим выражение радиационного баланса в следующем виде:
,
кВт/м2.
При положительном радиационном балансе подстилающая поверхность поглощает коротковолновую радиацию больше, чем излучает в области длинных волн, и нагревается.
Преобладание эффективного излучения над поглощенной радиацией (радиационный баланс отрицательный) вызывает охлаждение подстилающей поверхности. Это приводит к возникновению физических процессов, под действием которых происходит теплообмен между подстилающей поверхностью и атмосферой, более глубокими слоями суши и океана.
Актинометрические приборы
Основными актинометрическими приборами являются: актинометр, пиранометр (алъбедометр), балансомер. Все эти приборы основаны на общем принципе. Лучистая энергия, поглощенная чувствительным элементом (обычно зачерненная пластинка), преобразуется в тепловую энергию с последующим преобразованием посредством термопары в электрическую энергию (ЭДС), измеряемую гальванометром. В итоге об интенсивности лучистой энергии судят по величине отклонения стрелки гальванометра. Эти приборы являются относительными.
• Температурный режим деятельного слоя (почвы)
Деятельный слой – это слой почвы (включая растительность и снежный покров) или воды, участвующий в теплообмене с окружающей средой, и на глубину которого распространяются суточные и годовые колебания температуры.
В почве коротковолновая солнечная радиация проникает на глубину в десятые доли миллиметра, где она преобразуется в тепло. В нижележащие слои это тепло передается путем молекулярной теплопроводности.
Поглощенное тепло расходуется на:
- нагревание;
- испарение;
- химические процессы.
Лекция по почвоведению.
В связи с этим в верхних слоях почвы температура в течение суток значительно колеблется (суточные колебания температур обычно проявляются до глубины 50 см). При этом минимум температуры наблюдается вскоре после восхода Солнца, когда радиационный баланс меняет знак с «-» на «+». Максимум температуры приходится на 13-14 ч. Плавность суточного хода температуры может нарушаться наличием облаков, осадков.
На температуру почвы оказывают влияние растительный и снежный покровы. Растительный покров уменьшает амплитуду суточных колебаний температуры поверхности почвы, так как он препятствует нагреванию ее солнечными лучами днем и защищает от радиационного выхолаживания ночью. Снежный покров, обладая малой теплопроводностью, предохраняет почву от интенсивной потери тепла.
Амплитуда колебаний температуры деятельного слоя в годовом ходе (годовые колебания температур обычно проявляются до глубины 15 м) зависит от широты (в тропиках – минимальная).
Амплитуда колебаний температуры почвы с глубиной уменьшается.
На некоторой глубине (около 70 см, разной в зависимости от широты и сезона года) начинается слой с постоянной суточной температурой.
Сравнение с водной средой.
Существуют различия в тепловом режиме суши и воды, которые объясняются различием их теплофизических свойств и процессов теплообмена между поверхностью и нижележащими слоями.
В воде в зависимости от ее прозрачности солнечная радиация проникает на глубины до десятков метров, а перенос тепла в глубинные слои происходит в результате турбулентного перемешивания, термической конвекции, а также испарения.
В ночное время суток и в холодное время года развивается термическая конвекция, когда охлажденная на поверхности вода опускается вниз вследствие возросшей плотности и замещается более теплой водой из нижних слоев.
При значительном испарении с поверхности моря верхний слой воды становится более соленым и плотным, в результате чего более теплая вода опускается с поверхности в глубину.
Поэтому суточные колебания температуры в воде распространяются на глубину до десятков метров, а в почве – менее метра. Годовые колебания температуры воды распространяются на глубину до сотен метров, а в почве – только на 10-20 м; т.е. в почве тепло сосредоточивается в тонком верхнем слое, который нагревается при положительном радиационном балансе и остывает – при отрицательном.
Таким образом, суша быстро нагревается и быстро остывает, а вода медленно нагревается и медленно остывает.