6.4. Атмосферные осадки

Виды и классификация осадков. Осадки измеряются в милли­метрах слоя (мм). Слой осадков Н, мм, выпавших за конкретный период, — это фиктивный слой воды, который образовался бы на поверхности земли, если бы отсутствовали процессы испарения, поверхностного стока и фильтрации в почву. Годовые осадки мо­гут существенно различаться в зависимости от водности года и ме­стности, например, в пустынях в отдельные годы они могут со­ставлять всего несколько сантиметров, а в районах, подверженных влиянию муссонов, более 10 м. Интенсивность осадков I, мм/мин, принято характеризовать слоем осадков, выпавших за короткий период времени, например за 1 мин.

Обычно атмосферные осадки подразделяют на осадки, состоя­щие из частиц, образующихся в облаках и выпадающих на подсти­лающую поверхность (дождь, снег, крупа, град), и осадки, образу­ющиеся непосредственно на подстилающей поверхности и на на­земных предметах (роса, иней, изморозь, гололед и др.).

Атмосферные осадки могут быть жидкими, твердыми и сме­шанными. Почти 99 % осадков выпадают в виде дождя, снега и града и только чуть более 1 % в другом виде. Частицы выпадаю­щих осадков можно классифицировать следующим образом: кап­ли, отдельные кристаллы льда (снежинки), агрегаты кристалла льда (снежные хлопья или крупинки, ледяные крупинки, ледяные капли, градины).

Дождевые осадки. По характеру выпадения различа­ют ливневые, обложные и моросящие осадки. Дождевые осадки относят к ливневым, если их интенсивность за период не менее чем 10 мин была не ниже 0,18 мм/мин.

Установлено, что на любой территории земного шара интен­сивность ливня уменьшается с увеличением его продолжитель­ности. Для условий России интенсивность ливня с учетом уве­личения его продолжительности можно вычислить по формуле Г. А. Алексеева:

(6.18)

где А и В—геоморфологические параметры; N—число лет превышения ливней данной интенсивности; — продолжительность дождя.

При —> 0 формула приобретает вид:

,

что соответствует наибольшей интенсивности ливня.

Закономерность уменьшения интенсивности осадков с увели­чением их продолжительности принято называть редукцией по времени. Высота слоя дождевых осадков и их интенсивность уменьшаются и с увеличением площади территории (площадь орошения), на которую распространяется дождь. Г. А. Алексеев эту зависимость выразил следующей формулой:

(6.19)

где — конкретный слой осадков на площади орошения F; — максимальный слой осадков в центре ливня; — площадь орошения при = 0.

Снежные осадки. Снежный покров образуется в ре­зультате выпадения снежинок, представляющих собой кристаллы льда. Снег имеет сложную структуру и в общем случае представля­ет собой трехфазную среду, состоящую из кристаллов льда, воз­духа с водяным паром и воды. Соответственно абсолютно сухой снег представляет собой двухфазную среду. Состояние снега можно характеризовать плотностью , г/см³. Отношение плотности снега к плотности воды р при температуре 4 °С и нормаль­ном атмосферном давлении называют относительной плотнос­тью . Плотность снега можно характеризовать и отно­шением высоты слоя воды , образовавшейся от стаивания слоя снега : .

Относительная плотность снега изменяется в широких преде­лах и зависит от многих климатических и ландшафтных факто ров. Плотность снега по Л. Винникову, Проскурякову приведе­на далее.

Вид снега Плотность рот, г/см³

Свежевыпавший:

сухой 0,01...0,02

влажный 0,1...0,3

Уплотненный (лежалый) 0,2...0,6

Фирнизированный 0,3...0,7

Фирнизированный снег — это снег, который перекристаллизо­вался в крупные зерна под воздействием сублимации и возгонки, таяния и повторного замерзания. Фирном называют снег, который пролежал летний сезон и остался на следующую зиму.

Интенсивность снеготаяния оценивают слоем талой воды, при­ходящейся на 1 °С среднесуточной положительной температуры воздуха, и называют коэффициентом стаивания

(6.20)

где h — слой талой воды за период таяния снега; — сумма положительных среднесуточных температур воздуха за тот же период.

Плотность снега к окончанию зимы и интенсивность снего­таяния влияют на прохождение весеннего половодья на реках России.

Искусственные осадки. Искусственный вызов осад­ков может иметь огромное значение для народного хозяйства. Так, заранее вызвав осадки из мощной кучево-дождевой облачности, можно предотвратить прогнозируемое наводнение, или сберечь виноградники от градовых осадков, или оросить насаждения, требующие влаги.

Известно несколько методик стимулирования искусственных осадков. Достаточно распространенным способом можно считать введение в облака паров йодистого серебра, которые вызывают быстрый рост ледяных кристаллов и последующее выпадение дождя. Йодистое серебро можно вводить в облака с самолета или с поверхности земли специальными снарядами. Однако этот способ дорогостоящий. Поэтому более распространено рассеяние в облаках твердого диоксида углерода с низкой темпе­ратурой, что приводит к замерзанию многих капель и далее к выпадению осадков.

Искусственное стимулирование дождя не получило широкого распространения не только из-за большой стоимости необходи­мых процедур, но и из-за недостаточной изученности изменений водного и энергетического балансов как территорий, так и самой атмосферы.

В последнее время большой проблемой стали непреднамерен­ные изменения количества выпавших осадков на конкретных территориях в результате хозяй­ственной деятельности. Так, в промышленных регионах дымы и другие продукты, выделяю­щиеся при сжигании топлива, увеличивают число ядер кон­денсации в воздухе и стано­вятся причиной увеличения ко­личества выпавших осадков. Вполне возможно, что в связи с изменением теплового и вод­ного балансов атмосферы и территорий связана обратная ситуация, которая возникает на засушливых территориях, в частности на их границах, где отмечено уменьшение количе­ства осадков и происходит так называемое «опустынивание», то есть наступление пустынь на соседние регионы.

Приборы для измерения осадков. Основ­ной стандартный прибор для измерения жидких осадков — осадкомер Третьякова (рис. 6.12), который состоит из ведра с площадью приемной поверхности 200 см², установленного на высоте 2 м от поверх­ности земли. От выдувания осадков при­бор защищен металлическими лепестками. Осадки, собирающиеся в ведре, вылива­ют в специальный мерный стакан и фик­сируют с точностью до 0,1 мм.

Рис. 6.12. Осадкомер В. Д. Третьякова:

1 - дождемерное ведро; 2- ветровая защита

Рис. 6.13. Плювиограф:

1 —кожух прибора; 2—дождемерное ведро; 3 — сосуд; 4—стержень с поплавком; 5 — перо самописца; 6— сифон; 7— приемный

сосуд

Для непрерывной записи количества жидких осадков используют дождемеры-плювиографы (рис. 6.13). Приемная часть плювиографа имеет вид ведра площадью 500 см². С помощью трубки оно соединено с цилиндрическим со­судом, в котором находится по­плавок. К поплавку прикреплен стержень с пишущим устройством, соприкасающимся с лентой бара­бана, который вращается под воз­действием часового механизма. При стекании осадков в прием­ный сосуд поплавок поднимается и вместе с ним движется по ленте перо, которое вычерчивает кри­вую, характеризующую изменение интенсивности осадков.

Для измерения характеристик снежного покрова используют спе­циальные приборы. Высоту снеж­ного покрова определяют снегомерными рейками, а плотность снега — весовым снегомером (рис. 6.14). С помощью этого прибора на основании взвешивания пробы снега можно определить не только плотность снега, но и влагозапас в нем в миллиметрах слоя (то есть какой слой воды образу­ется при таянии снежного покрова). Существует и радиоэлект­ронный снегомер, который предназначен для снегомерных съе­мок. Однако для определения влагозапасов в снежном покрове наиболее эффективно использовать информацию, полученную со спутников.

Рис. 6.14. Весовой снегомер:

1 — металлический граду­ированный цилиндр; 2— металлическая линейка со шкалой; 3 — гиря безмена

Определение среднего количества осадков по данным метеостан­ций. Данные наблюдений за осадками получают непосредственно с метеостанций. В зависимости от густоты метеостанций на иссле­дуемой территории и требуемой точности расчетов средний слой осадков для конкретного региона можно вычислить одним из сле­дующих способов: среднего арифметического, изогнет, квадратов или взвешенных площадей.

Рассмотрим эти способы по отношению к водосбору реки.

Способ среднего арифметического наиболее простой, его приме­няют в основном для предварительной оценки слоя осадков в слу­чае однородного равнинного рельефа и при достаточно густой сети метеостанций. Согласно этому способу наблюденные осадки суммируют на всех находящихся в пределах водосбора метеостан­циях и делят на их число.

Способ изогиет (линии равных осадков) заключается в следу­ющем. На карте водосбора у пунктов наблюдений выписывают наблюденные значения выпавших осадков и по этим данным проводят изогиеты (рис. 6.15). Затем определяют площади меж­ду смежными изогиетами и интерполяцией между ними устанавливают количество осадков для центров тяжести площа­дей . При равномерном рас­пределении изогнет величину можно определить как полу­сумму значений осадков, характе­ризующих смежные изогиеты. Среднее количество осадков для всего водосбора вычисляют как средневзвешенное по формуле

(6.21)

где — число участков, выделенных на во­досборе между смежными изогиетами.

Способ изогнет считают наи­более точным для определения среднего количества осадков при условии достаточно большого чис­ла метеостанций на исследуемой территории.

Рис. 6.15. Карта с изогиетами для оп­ределения среднего количества осад­ков для территории речного бассейна

Способ квадратов заключается в разделении водосбора на ряд равновеликих квадратов. Для каждого из них вычисляют слой осадков как среднеарифметическое значение из наблюденных х, на метеостанциях, попадающих на площадь квадрата, или интер­поляцией между смежными квадратами, если на квадрат не попа­ла ни одна станция. Полученные таким образом значения осадков относят к центрам квадратов и вписывают в них. Суммируя коли­чество осадков всех квадратов и поделив результат на их число , получают слой осадков для всего водосбора:

(6.22)

Способ квадратов дает достаточно точные результаты для боль­ших регионов, и в частности для речных бассейнов.

Способ средневзвешенных площадей применяют, когда на водо­сборе имеется небольшое число метеостанций, что не позволяет достаточно объективно провести изогиеты. На карте водосбора в пунктах расположения метеостанций выписывают наблюденные значения осадков . Все пункты наблюдений соединяют прямыми линиями, образуя сеть треуголь­ников (рис. 6.16). Из середины сторон каждого треугольника про­водят перпендикуляры до их вза­имного пересечения. Таким обра­зом определяют площади для каждой из которых количество осадков объективно характеризу­ется данными метеостанции (пло­щадь, тяготеющая к данной стан­ции), расположенной на этой площади водосбора. Далее сред­нее количество осадков для все­го водосбора вычисляют снова как средневзвешенное значение по формуле

(6.3)

где — наблюденные осадки на конкретной метеостанции; —площадь бассей­на, тяготеющая к данной станции; — число метеостанций.

Рис. 6.16. Схема определения средне­го количества осадков методом сред­невзвешенных площадей