книги из ГПНТБ / Будыко, М. И. Изменения климата
.pdf6.1. Изменения местного климата |
191 |
собствует сохранению запасов снега на межполосных сельскохо зяйственных полях.
Существенное значение имеет также уменьшение турбулентного обмена для сохранения запасов влаги в почве в теплое время года.
Величина возможного испарения (испаряемость) в числе ряда других метеорологических факторов зависит от интенсивности тур булентного обмена в приземном слое воздуха. Выполненные рас четы показали (Будыко, 1971), что при уменьшении средних зна чений коэффициента обмена в приземном слое воздуха на 20% испаряемость уменьшается примерно на 10%.
Кроме уменьшения испаряемости, полезащитные лесные полосы способствуют увеличению запасов снега на полях и некоторому увеличению количества выпадающих осадков. Влияние всех этих факторов приводит к значительному повышению влажности почвы на полях, защищенных полезащитными лесными полосами.
Как уже отмечалось выше, многочисленные наблюдения дока зали, что на полях с полезащитными лесными полосами заметно уменьшается сток снеговых вод. Это уменьшение в значительной мере объясняется изменением условий распределения снежного по крова на защищенных полях по сравнению с незащищенными: на полях в системе лесных полос ослабление скорости ветра и тур булентного обмена в приземном слое воздуха создает условия для сравнительно равномерного распределения снежного покрова, тогда как на открытых полях значительная часть снега сносится в овраги и другие углубления рельефа и после таяния в основном расходу ется на сток. Кроме того, повышенная фильтрационная способ ность почвы под лесными полосами обеспечивает несколько боль шее задержание талых вод на полях в системе полос по сравнению с открытыми полями, что также уменьшает весенний сток снего вых вод в условиях полезащитного лесоразведения.
Некоторое влияние на водный баланс почвы в условиях поле защитного лесоразведения может оказать также изменение коли чества осадков, обусловленное изменением вертикальных скоростей в атмосфере над лесными полосами и изменением испарения.
Для оценки общего влияния изменений указанных гидрометео рологических факторов на водный баланс почвы можно использо вать уравнения теплового и водного балансов при учете значений интегрального коэффициента диффузии, стока и осадков, соответ ствующих условиям осуществления полезащитного лесоразведения
(Будыко, 1956).
Выполненные таким методом расчеты показывают, что на по лях, защищенных лесными полосами, значительно увеличивается влажность почвы и несколько возрастает испарение. При этом уве личение влажности почвы имеет различный характер в различные сезоны в соответствии с условиями изменения турбулентного об мена, стока и осадков.
192 Глава 6. Влияние человека на климат
Если наряду с задержанием стока талых вод система лесных полос снижает турбулентный обмен летом и одновременно увели чивает осадки, то влажность почвы возрастает не только в начале вегетационного сезона, но и в его второй половине.
Если же (как это часто бывает) влияние лесных полос прояв ляется главным образом в увеличении снегозапасов и уменьшении весеннего стока («зимний эффект»), то влажность почвы возрас тает только весной и в начале лета.
Достигаемое в этих условиях увеличение количества продук тивной влаги в почве может иметь порядок нескольких десятков процентов от количества влаги на полях, не защищенных лесными полосами, при прочих равных условиях.
Эти выводы хорошо |
подтверждаются данными наблюдений |
в районах с развитыми |
лесными полосами продуваемой конст |
рукции. |
|
Значительное повышение количества свободной влаги в почве и некоторое увеличение общего испарения могут существенно по высить урожай сельскохозяйственных культур в средних климати ческих условиях. Повышение урожаев определяется увеличением продуктивности транспирации растений (чему способствует также уменьшение обмена и скорости ветра в приземном слое воздуха). Кроме того, при повышении влажности почвы заметно возрастает отношение количества воды, расходуемой на транспирацию, к об щему испарению, что при увеличении общего испарения также уве личивает урожайность сельскохозяйственных культур.
Таким образом, применение полезащитного лесоразведения мо жет обеспечить значительное изменение водного баланса почвы и заметно повысить урожайность, что, как известно, подтвержда ется материалом многочисленных опытных работ.
Наряду с влиянием на водный баланс почвы лесные полосы играют большую роль в ослаблении пыльных бурь, которые в от дельные годы сильно повреждают почвенный покров в засушли вых районах. Значение лесных полос как фактора защиты от пыль ных бурь наглядно проявилось зимой 1968/69 г., когда в южной части Европейской территории СССР прошли сильные пыльные бури. Как показало проведенное обследование, повреждение ози мых на полях, защищенных лесными полосами, было в несколько раз меньше по сравнению с полями без лесных полос.
Лесные полосы применяются также и в районах достаточного увлажнения, где они, ослабляя турбулентное перемешивание, по вышают среднюю температуру земной поверхности в теплое время года. В таких условиях лесные полосы оказывают благоприятное влияние на развитие теплолюбивых культур и ускоряют сроки соз ревания многих сельскохозяйственных растений (Гольцберг, 1952).
Не останавливаясь на других путях изменения метеорологиче ского режима посредством регулирования растительного покрова, отметим, что воздействие человека на растительный покров явля-
6.1. Изменения местного климата |
193 |
ется фактором, позволяющим в известных пределах изменять кли матические условия в приземном слое воздуха.
Воздействие на водный режим. Один из путей влияния человека на климат связан с применением искусственного орошения. В за сушливых районах орошение используется в течение многих ты сячелетий, начиная с эпохи древнейших цивилизаций, возникших в долине Нила и в междуречье Тигра и Евфрата.
Применение орошения резко изменяет микроклимат орошаемых полей. Из-за значительного увеличения затраты тепла на испарение снижается температура земной поверхности, что приводит к пони жению температуры и повышению относительной влажности ниж него слоя воздуха. Такое изменение метеорологического режима, однако, быстро затухает за пределами орошаемых полей. Поэтому орошение приводит только к изменениям местного климата и мало влияет на метеорологические процессы большого масштаба.
Остановимся подробнее на физическом механизме изменений метеорологического режима при орошении (Будыко, 1956).
При орошении в условиях климата сухих степей, полупустынь и пустынь происходит существенное увеличение радиационного ба ланса, которое может достигать нескольких десятков процентов и более от его первоначальной величины.
Увеличение радиационного баланса объясняется, с одной сто роны, увеличением количества поглощенной коротковолновой ра диации вследствие уменьшения величины альбедо, которая для влажной почвы, покрытой более или менее обильной раститель ностью, заметно меньше обычных значений альбедо поверхности пустыни и полупустыни.
С другой стороны, снижение температуры подстилающей по верхности и повышение влажности нижнего слоя воздуха при оро шении обеспечивают уменьшение эффективного излучения, что также увеличивает радиационный баланс.
Орошение в условиях сухого климата приводит к резкому уве личению затраты тепла на испарение, величина которого опреде ляется главным образом нормами орошения. При обычных ороси тельных нормах повышение затраты тепла на испарение, как пра вило, превышает увеличение радиационного баланса. Вследствие этого величина турбулентной теплоотдачи, заметно уменьшаясь, до стигает при достаточно больших нормах орошения отрицательных значений, соответствующих направлению среднего турбулентного' потока тепла от атмосферы к подстилающей поверхности. Это про является в возникновении дневных температурных инверсий.
Таким образом, орошение в условиях сухого климата значи тельно уменьшает как турбулентный поток тепла (который может даже переменить знак), так и поток тепла, переносимого длинно волновым излучением. При орошении достаточно больших площа дей это может привести к заметным изменениям условий трансфор мации воздушных масс на данной территории.
13 Зак. № 397
194 |
Глава 6. Влияние человека на климат |
Изменения составляющих теплового баланса при орошении можно оценить по данным наблюдений в Пахта-Арале (Средняя Азия). Результаты этих наблюдений, представленные на рис. 30, позволяют сравнить составляющие теплового баланса орошенного оазиса и окружающей его полупустыни для летних условий.
Данные рис. 30 показывают заметное увеличение радиацион ного баланса R в оазисе по сравнению с полупустыней, а также большую затрату тепла на испарение с орошенных полей (в полу-
11кал1(см!-мин) |
калием1-мин) |
. gg |
Рис. 30. Суточный ход составляющих теплового баланса в орошенном оазисе (1) и полупустыне (2).
а — суточный ход радиационного баланса, б — суточный ход затраты тепла на испа рение, турбулентного потока тепла и теплообмена в почве.
пустыне испарение за рассматриваемый период практически равнялось нулю). В соответствии с этим, как видно из рис. 30 б, тур булентный поток тепла Р в пустыне днем гораздо больше потока в оазисе и имеет противоположный знак. Теплооборот в почве для данных условий под влиянием орошения изменяется сравнительно мало.
Как отмечено выше, орошение оказывает существенное влияние на термический режим. В пустынях и сухих степях из-за малых величин затраты тепла на испарение поглощенная земной поверх ностью солнечная радиация в основном расходуется на нагревание атмосферы путем турбулентной теплоотдачи и длинноволнового из лучения. В таких условиях наблюдаются очень высокие темпера туры земной поверхности. Для определения этих температур мо жно использовать уравнение теплового баланса в форме
Ro~ АЪоТ3(Tw~ T)=pcpD {Tw- T )+ L E + A , |
( 6. 1) |
6.1. Изменения местного климата |
195 |
где Ro — радиационный баланс земной поверхности, определенный при вычислении эффективного излучения по температуре воздуха; 46oT3(Tw—Т) — разность между эффективным излучением, опре деленным по температуре земной поверхности Tw и по темпе ратуре воздуха Т (6 — коэффициент, характеризующий отличие свойств излучающей поверхности от свойств черного тела, о — по стоянная Стефана); рcpD(Tw—Т) — турбулентный поток тепла от земной поверхности к атмосфере (р — плотность воздуха, ср — теп лоемкость воздуха при постоянном давлении, D — интегральный коэффициент турбулентной диффузии); LE — затрата тепла на ис
парение |
(L — скрытая теплота |
парообразования, Е — испарение); |
|
А — поток тепла в почву. |
|
|
|
Из формулы (6.1) следует, что |
|
||
|
Т1 W — Т•* |
R o - L E - А |
(6.2) |
|
? C p D -f- 45а Г3 |
||
|
|
|
|
Так |
как величины ЕЕ и Л |
в рассматриваемых условиях го |
раздо меньше Ro, то величина Тю—Т в дневное время может дости гать больших значений. Расчеты по формуле (6.2) показывают, что она может быть равна 10—20° С.
Большие разности Tw—Т соответствуют большим потокам тепла от земной поверхности к атмосфере. В результате нагревания ниж него слоя воздуха температура в нем повышается, а относительная влажность падает. Понижение относительной влажности в свою очередь способствует уменьшению количества выпадающих осад ков.
При орошении засушливых территорий происходит существен ное изменение водного баланса почвы. Величины испарения в ре зультате орошения резко возрастают, причем их увеличение равно нормам орошения за вычетом потерь оросительной воды на ин фильтрацию. Соответственно значительно увеличивается затрата тепла на испарение, что приводит к существенному понижению тем пературы земной поверхности.
Учитывая, что наблюдаемые при орошении изменения темпера туры воздуха значительно меньше изменений температуры земной поверхности, можно получить формулу для определения измене ний температуры земной поверхности при орошении:
^ |
- г ' |
( Ro - R' o ) - ( L E- LE' ) |
(6.3) |
|
Iw |
lw |
?cpD + 45s73 |
||
|
где величины, относящиеся к условиям орошаемого участка, обоз начены штрихом, а величины для условий неорошаемой террито рии— без штрихов. При выводе формулы (6.3) учитывается, что
\А—Л ' | < \ЬЕ'—ЬЕ\.
Как указано выше, хотя при орошении заметно возрастает радиационный баланс земной поверхности из-за уменьшения
13*
.196 Глава 6. Влияние человека на климат
величины альбедо, при обычных оросительных нормах повышение затраты тепла на испарение значительно превышает увеличение ра диационного баланса.
Вследствие этого разность Тю— T'w при достаточно больших
нормах орошения оказывается очень значительной, причем темпе ратура земной поверхности на орошенном участке в дневных условиях приближается к температуре воздуха и при обильном орошении становится меньше температуры воздуха. Выше было от мечено, что при орошении достаточно больших площадей это при водит к существенным изменениям условий трансформации воз душных масс, в результате чего над орошенными территориями меняется режим температуры и влажности нижних слоев воздуха. Поступающий извне теплый сухой воздух при движении над оро шаемой территорией увлажняется и охлаждается.
Изменения температуры и влажности воздуха над орошаемыми участками можно рассматривать как результат трансформации воздуха, приходящего извне с разных сторон при соответствующих направлениях ветра. Величины этих изменений зависят от расстоя ния от границ орошаемого оазиса: изменения тем больше, чем дальше от границ оазиса отстоит рассматриваемый участок. Кроме того, изменения температуры и влажности воздуха при орошении зависят от следующих факторов:
1) нормы полива и промежутков времени между поливами. Чем больше воды получает и испаряет орошаемое поле за задан ный промежуток времени, тем значительнее различия температуры и влажности над орошаемыми и неорошаемыми полями;
2) скорости ветра и коэффициента турбулентного обмена. Эти два фактора, тесно связанные между собой, определяют тол щину слоя воздуха, в котором происходят изменения температуры и влажности. В основном от этих же причин зависит распределе
ние температуры и влажности с высотой внутри нижнего слоя воз духа;
3) радиационных свойств подстилающей |
поверхности — глав |
ным образом ее отражательной способности |
(альбедо); об этом |
факторе уже говорилось выше. |
|
Эмпирическое изучение влияния всех факторов порознь весьма затруднительно, поэтому более целесообразен путь теоретического расчета изменений температуры и влажности с проверкой выводов по данным стационарных и экспедиционных экспериментальных исследований (см. Будыко и др., 1952).
На основе разработанной теории можно с удовлетворительной точностью рассчитать изменения температуры и влажности на раз ных высотах в зависимости от расхода воды на испарение, изме нений альбедо, интенсивности турбулентного обмена, расстояния от края оазиса. Эти расчеты могут быть использованы при про
ектировании оросительных систем на ранее не орошавшихся тер риториях.
6.1. Изменения местного климата |
197 |
Перейдем к рассмотрению некоторых фактических данных. |
(Бу- |
В табл. 16 приводятся обобщенные С. А. Сапожниковой |
дыко и др., 1952) материалы стационарных наблюдений метеоро логических станций, расположенных в пустыне и орошаемых оази сах. Данные приведены к одной широте (42°) и высоте над уров нем моря (100 м). Оазисы, ширина которых не превосходила 3 км, были отнесены к малым, остальные — к большим. Из таблицы видно, что изменения температуры Т и влажности е максимальны по абсолютной величине в летние месяцы, когда расход воды на орошение наибольший. В это время понижение температуры на уровне метеорологической будки, обусловленное увеличением ис парения и транспирации, составляет 2,5—3°, а абсолютная влаж ность в центре большого оазиса возрастает по сравнению с пус тыней примерно на 5 мб. На меньших высотах абсолютные значе ния разностей возрастают.
Таблица 16
Влияние орошения на метеорологический режим
|
IV |
V |
VI |
VII |
VIII |
IX |
X |
XI |
Разность между Т° в |
0,0 |
- 0 , 5 |
— 1,6 |
—2,4 |
- 2 , 5 |
- 1 , 7 |
- 1 , 4 |
- 0 , 4 |
малом оазисе и пу |
|
|
|
|
|
|
|
|
стыне |
|
|
|
|
|
|
|
|
Разность между Т° в —0,6 - 1 , 1 |
- 2 , 2 |
- 3 , 1 |
- 2 , 8 |
- 2 , 3 |
- 1 , 7 |
—0,8 |
||
большом оазисе и пу |
|
|
|
|
|
|
|
|
стыне |
|
|
|
|
|
|
|
|
Разность между в мб в |
1,1 |
1,8 |
3,4 |
3,6 |
3,7 |
2,5 |
1,2 |
0,4 |
малом оазисе и пу |
|
|
|
|
|
|
|
|
стыне |
|
|
|
|
|
|
|
|
Разность между е мб в |
0,4 |
1,8 |
4,2 |
5,4 |
5,4 |
3,6 |
1,6 |
0,8 |
большом оазисе и пу |
|
|
|
|
|
|
|
|
стыне |
|
|
|
|
|
|
|
|
В степной зоне влияние орошения на температуру и влажность воздуха несколько меньше, что в первую очередь связано с мень шим дополнительным расходом воды на испарение.
Следует отметить, что орошение засушливых территорий, сни жающее температуру на орошаемых полях, повышает среднюю температуру атмосферы. Понижение температуры в орошаемых районах связано с ростом затраты тепла на испарение, но этот рост для Земли в целом компенсируется таким же увеличением прихода тепла от конденсации, которое выделяется в атмосфере других районов, где конденсируется созданный орошением водя ной пар.
198 Глава 6. Влияние человека на климат
Наряду с этим при орошении пустынь и сухих степей заметно уменьшается альбедо земной поверхности, что увеличивает коли чество радиации, поглощенной в системе Земля—атмосфера.
Осушение заболоченных территорий обычно оказывает на кли матические условия действие, обратное орошению: в связи с умень шением влажности почвы повышается температура почвы, умень шается испарение, в более ранние сроки весной может быть на чата обработка почвы, облегчается уборка урожая осенью и т. д. (см. Будыко, Дроздов, Юдин, 1966).
Одним из способов осушения и тем самым отепления переув лажненных почв является гребневая вспашка, применяемая на се вере при недостатке тепла. В результате такой обработки почва в пахотном слое оказывается теплее на 1—1,5° по сравнению с ров ными полями.
Естественное торфяное болото обладает рядом свойств, суще ственно отличающихся от свойств минеральных почв. Торф во влажном состоянии содержит большое количество воды и поэтому обладает большой теплоемкостью при значительной теплопровод ности. В отличие от него, высохший торф и покрывающая его моховая растительность характеризуется малой теплопровод ностью. Сильно прогреваясь днем и охлаждаясь ночью, сухой по верхностный слой торфа пропускает мало тепла в нижележащие слои почвы. Поэтому в начале лета под таким торфяным слоем долго удерживается мерзлота, исчезающая иногда лишь после дождей, увлажняющих почву. Летом торфяные почвы болота от носительно холодны, зимой, наоборот, болото мало промерзает, а под снежным покровом нередко оттаивает в течение зимы. Испа рение с неосушенных болот меняется в широких пределах. Если торф тонок (как бывает обычно на низинных травяных болотах), то болото покрывается летом густой травянистой растительностью, с которой при достаточных запасах влаги испаряется количество воды, близкое к максимально возможному при данных энергети ческих ресурсах. При толстом слое торфа (обычно верховые бо лота) травянистую растительность сменяют мхи. Они хорошо впи тывают воду, но сравнительно мало ее испаряют, особенно если болото покрыто кустарниковой растительностью. Суммарное испа рение с таких болот изменяется в зависимости от степени насы щенности болота влагой. По данным В. В. Романова (1961), бо лота на севере Европейской территории СССР насыщены влагой и испаряют на несколько десятков процентов больше, чем сухо долы. В центральной части этой территории испарение с них в среднем за год не больше испарения с суходолов, а в более сухих районах оно может оказаться меньшим, чем с полей.
В зависимости от того, каким образом и для каких целей про изводится осушение, меняется и климат болот. Так, для целей до бычи торфа производится глубокая осушка болот. Из-за малой капиллярной проводимости торфа при глубокой осушке поверх
6.1. Изменения местного климата |
199 |
ность болота легко пересыхает, растительность на ней погибает и испарение существенно снижается. На поверхности сухого торфа резко возрастают суточные колебания температуры.
Совершенно иначе производится осушение болот для целей превращения их в сельскохозяйственные угодья; соответственно меняется при осушении и микроклиматический режим. Осушение в этом случае захватывает только поверхностные слои. В таких условиях испарение с растительности определяется энергетиче скими ресурсами, а также состоянием и фазой развития расти тельности. В общем в периоды вегетации испарение приближается к испаряемости.
Над влажной поверхностью торфа не наблюдается такого уве личения суточных амплитуд температуры, какое отмечается на пересушенном болоте. В то же время температура почвы на осушен ных болотах под густым травостоем оказывается ниже темпера туры суходольных суглинистых почв на 3—6° и песчаных суходоль ных почв на 4—8°.
Создаваемые в процессе строительства гидроэлектростанций крупные водохранилища на реках представляют собой большие по площади, но сравнительно неглубокие водоемы. Поэтому и влия ние таких водохранилищ на изменение климата аналогично влия нию мелких водоемов. Это влияние сводится прежде всего к умень шению шероховатости земной поверхности и к соответствующему усилению ветра. По сравнению с открытой ровной местностью ско рость ветра над водохранилищами возрастает на несколько десят ков процентов. Это возрастание наиболее велико в осеннее время, когда вода теплее воздуха и над водоемами развивается интенсив ный турбулентный обмен, и сравнительно слабо выражено весной как при наличии над водоемами льда, так и сразу после вскрытия водоема, когда водоем сравнительно холоден. В это время увели чение скорости ветра над водохранилищем по сравнению с откры тым ровным местом над сушей почти незаметно. После создания водного бассейна суточные колебания температуры воздуха умень шаются, увеличивается радиационный баланс (вследствие уменьше ния альбедо местности), увеличивается в среднем за год испаре ние, которое в течение года имеет иное распределение по сравне нию с сушей.
В условиях избыточного и достаточного увлажнения измене ние окружающих климатических условий при создании водохра нилищ невелико. Например, в окрестностях Рыбинского водохрани лища трудно заметить какие-нибудь систематические изменения температуры на станциях, расположенных на современных его бе регах.
Существенно большие изменения климата побережий возникают при создании водохранилищ в условиях климата недостаточного увлажнения (Цимлянское, Волгоградское, Бухтарминское и др.). Из-за большого испарения водоема по сравнению с окружающей
200 Глава 6. Влияние человека на климат
сушей (где скорость испарения ограничена низкой влажностью почвы и откуда на прибрежные части водохранилища поступает сухой воздух) температура на берегах водохранилищ в теплое время года оказывается заметно ниже, чем в удаленных от водо хранилища районах (до 2—3°). Понижение температуры воздуха днем способствует развитию довольно сильных (до 3—4 м/с) бри зов, вертикальная протяженность которых составляет несколько со тен метров.
Аналогично орошению создание искусственных водохранилищ приводит к снижению альбедо системы Земля—атмосфера и, сле довательно, к увеличению количества поглощенной радиации. В соответствии с этим водохранилища повышают среднюю темпе ратуру атмосферы. Это повышение, однако, меньше изменения температуры в результате орошения.
Климат города. Климатические условия в городах обычно за метно изменены по сравнению с окружающими районами, причем эти изменения при прочих равных условиях тем больше, чем больше территория города.)
Имеются данные о том, что в крупных городах изменения кли мата возникли сотни лет тому назад. Так, например, Ландсберг (Landsberg, 1956) приводит свидетельство современника о силь ном загрязнении воздуха в Лондоне в XVII в., которое значительно ослабляло солнечную радиацию в городе по сравнению с сельской местностью.
( К числу главных факторов, влияющих на метеорологический рЬким города, относятся:
1) изменение альбедо земной поверхности, которое для застро енных районов обычно меньше альбедо загородной местности;
2)изменение среднего испарения с земной поверхности, кото рое в черте города заметно понижено (хотя сразу же после дож дей испарение с крыш и мостовых может быть больше испарения
взагородной местности);
3)выделение тепла, создаваемого различными видами хозяй ственной деятельности человека, количество которого может быть сравнимо с количеством солнечной энергии, получаемой на терри тории города;
4)увеличение в черте города шероховатостей земной поверх ности по сравнению с загородной местностью;
5)загрязнение атмосферы различными твердыми, жидкими и газообразными примесями, создаваемыми в ходе хозяйственной деятельности.
Одна из главных особенностей городского климата — возник новение в городе «острова тепла», который характеризуется повы шенным^ по сравнению с загородной местностью температурами воздуха. уЭтот эффект исследовался во многих экспериментальных
работах, для его изучения было предложено также несколько чис ленных моделей.