5.6 Ледово-термический режим

5.6.1 Радиационный баланс озер

Радиационный баланс и особенности поглощения и распространения солнечной радиации в озерах необходимы для решения проблем теплового баланса земной поверхности, оценки теплового режима озер. Атериалы многолетних стационарных наблюдений на рейдовых вертикалях за температурой воды и другими гидрометеорологическими элементами. Для анализа исследовались разнотипные озера в северной умеренно теплой влажной климатической области: Потех, Волос Южной, Струсто, Дривяты, лкомское; в центральной тепло-умеренной влажной климатической - водохранилища Заславское, Осиповичске Чигиринское; в южной теплой неусточиво влажной климатической области – Червоное, Выгонощанское.

Актинометрические наблюдения на метеостанциях озер Беларуси явились основой для количественной оценки процессов изменения во времени взаимосвязанных поступающей и отраженной солнечной радиации, излучения атмосферы, поглощения и отражения радиации поверхностью деятельного слоя методом баланса, который был рассчитан за безледный период (4-10 месяцы) по среднемноголетним данным (1960 -1990), Базыленко,1996:

В = Q (1 – A) – E_эф,

где, В – радиационный баланс, Q – суммарная солнечная радиация, А – альбедо водной поверхности; У – эффективное излучение.

Радиация выражается в МДж/м² горизонтальной поверхности; ее суммы в шкале МРЭ (мировой радиометрический эталон).

Суммарная солнечная радиация. В связи с чем, что на территории Беларуси актинометрические наблюдения ведутся более 50-и лет на трех опорных метеостанциях (Минск, Василевичи, Полесская), выполнен расчет среднемноголет них месячных сумм радиации по осредненной за многолетие облачности для 23 метеостанций, которые вместе с тремя опорными актинометрическими образуют сеть, до­статочно густо покрывающую территорию республики {Материалы..., Минск 1977, 1982). Для исследуемых водоемов Q на водную поверхность определена по ближайшим метеостанциям, расположенным в пределах до 50 км от водоемов.

Альбедо водной поверхности как отношение интенсивности отра­женной к падающей радиации рассчитано для средних погодных условий без учета рассеяния и волнения в зависимости от широты положения водоемов (Кириллова, 1970) и принято в частях единицы.

Из выражения баланса приходную часть радиационного баланса составляет поглощенная водой суммарная солнечная радиация Q = Q (I — А) — основной источник тепла, поступающего в водную массу — расс­читана в зависимости от среднемесячных значений А для суммарной радиации водоемов соответствующей широты (табл. 5.6).

Таблица 5.6

Среднемноголетние (1960-1990) месячные величины составляющих радиационного баланса водоемов за безледоставный период, МДж/м²

Расходная часть радиационного баланса — эффективное излучение (Е_эф) определяется разностью потоков восходящей Т⁴_П + (1 - ) Е_а) и нисходящей (E_а радиации; Е_эф рассчитано в зависимости от абсолютной влажности воздуха (е₂₀₀), общей (N₀) и нижней (N_н) облачности, измеренных температур воздуха над поверхностью на высоте 2 м (Т₂₀₀) и поверхности воды (Т_п) по следующей методике:

E_эф = 5trT⁴_П + (I - 8) E_а -Е_а , (2)

где:

5 = 0,95 — коэффициент излучительной способности водной поверхности;

а — постоянная Стефана Больцмана, равная 4,898-10~⁹ МДж/м. сут. °С⁴);

Е — встречное излучение атмосферы (Браславский, 1966):

^Еа = ^ff7T⁴₂₀₀ + (b₁ + b₂).

Отсюда из выражения (2)

Ё_эф = ЬаТ⁴_п – ЬаТ⁴₂₀₀ (b₁ + b₂,)

или (3)

E = <5[^T⁴_П-^T₂₀₀(b₁ + b₂)],

где параметры оТ⁴_П, Т⁴₂₀₀, b₁ =f(e₂₀₀, N₀), b₂ =f(T_200, N₀, N_H) определены по таблицам (Браславский, 1966).

Радиационный баланс (остаточная радиация, задерживаемая в дея­тельном слое водоемов) получен как разность между Q_n и Е_эф.

Анализ обобщений по радиационному балансу водоемов в трех климатических областях Беларуси позволил сделать выводы о законо­мерностях распределения В и его составляющих.

Суммы средних месячных величин суммарной солнечной радиации с апреля по октябрь увеличиваются с севера на юг и в районе водоемов составляют, например, для оз. Потех (север Беларуси) 3035 МДж/м , для оз. Выгоновское (на юге) — 3328 МДж/м². Для всех водоемов Беларуси максимума Q достигает в июне (587—652 МДж/м²), минимума — в ок­тябре (143—189 МДж/м²); за май—август Q составляет 72% безледного периода.

Поглощенная водой суммарная солнечная радиация в основном зависит от альбедо, поэтому в Q_П водоемов прослеживаются же изменения как и Q. В целом за безледный период на оз. Потех Q_n — 2789 МДж/м² (максимум в июне — июле: 573 и 535), на оз. Выгоновское Q_u — 3091 МДж/м² (в июне—июле: 613 и 588). Из суммы средних месячных величин Q за безледный период 92% поглощается водой озер и водохранилищ.

Средние месячные суммы эффективного излучения наибольшие в июне—августе (см. табл. 1); в этот период разница Е_эф в водоемах составляет 5—15 МДж/м²; абсолютный максимум Е_эф =155 МДж/м² — июле (оз. Лукомское). Поскольку месячная сумма эффективного излучения водной поверхности зависит не только от метеорологических условий текущего месяца, но и от температуры воды, обладающей значительной инерцией, естественно ожидать, что экстремальные величины не всегда согласуются с характером атмосферной циркуляции за данный месяц. Наибольших значений Е_эф достигает на всех водоемах в июле, снижаясь в октябре в 1, 5—1,8 раза. Разница месячных значений Е_эф между водоемами различных климатических областей не превышает 12—38 МДж/м². Доля Е_эф по отношению к величине Q_n в целом за безледный период для водоемов Беларуси составляет 26—30%, в мае—июле почти не меняется (в среднем 21—24% ), в октябре увеличивается: для водоемов северной области в 2,7 раза, южной — в 2,4 раза, характеризуя начало интенсивного охлаждения водных масс.

Радиационный баланс водоемов через свои составляющие зависит от высоты солнца, прозрачности атмосферы, облачности, температуры воздуха и воды, влажности воздуха. Все эти факторы повлияли на распределение В водоемов Беларуси различных климатических областей. Если внутри северной области различие величин В за IV—X месяцы достигает 50 МДж/м², в центральной — 90 МДж/м², в южной — всего 6 МДж/м², то значение В в южной климатической области на 229 МДж/м² больше, чем в северной. Для всех водоемов республики в расчетном режиме средний многолетний максимум В приходитяся на июнь, уменьшаясь в октябре на севере и центре в 8—10 раз, на юге в 7 раз. Сумма В за период интенсивного нагревания (май—июль) всех водоемов составляет 60—62% суммы за безледный период. Отношение B/Q за безледный период для водоемов Беларуси равно 0,67.

Полученные величины составляющих радиационного баланса могут быть использованы в расчете теплового режима водоемов. Значения коэффициентов d можно рекомендовать для определения среднемноголетних месячных величин Е_эф и В любого другого водоема (соответственно в пределах климатических областей), для которого известны величины поглощенной солнечной радиации.