Лекция 8. Антропогенное воздействие на динамику климата
Антропогенные факторы включают в себя деятельность человека, которая изменяет окружающую среду и влияет на климат.
Виды деятельности человека (в истории):
-собирательство,
-охота и рыболовство,
-земледелие,
-добыча полезных ископаемых,
-промышленность,
-урбанизация,
-освоение космоса,
-загрязнение (химическое, биологическое, радиационное,
шумовое и др.).
Виды воздействия на климат:
-влияние на парниковый эффект и газовый состав атмосферы,
-изменение радиационного и теплового баланса,
-изменение альбедо поверхности,
-изменение характера деятельной поверхности,
-воздействие на ветровой режим и турбулентный обмен,
-воздействие на режим увлажнения,
-изменение микроклимата.
Типы практических воздействий:
-непреднамеренные,
-преднамеренные с локальными последствиями,
-преднамеренные с глобальными последствиями.
I. Изменение локального климата |
тепло на |
|
|
P тепло на |
|
|
испарение |
|
|
нагревание |
|
1.Изменение теплового баланса земной поверхности |
|
R |
воздуха |
||
R = LE + Р + A |
|
LE |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
R — радиационный баланс земной поверхности, |
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
тепло на |
|
LE — затрата тепла на испарение (приток тепла от конденсации), |
|
||||
|
|
нагревание |
|||
L — скрытая теплота парообразования, Е — испарение, |
|
|
|
|
почвы и воды |
Р — турбулентный теплообмен между земной поверхностью и атмосферой, А — теплообмен между поверхностью суши или водоема и нижележащими слоями.
Где уравнение радиационного баланса: R = Q(1-α) – I0 И при совместном решении:
R - 4δσT3(Tw-T) = ρcpD(Tw-T)+LE+А
Q – суммарная коротковолновая радиация, приходящая на земную поверхность, α — альбедо земной поверхности,
I0 – эффективное излучение, определяемое по температуре воздуха,
4δσT3(Tw-T) – разность между эффективным излучением, определенным по температуре земной поверхности (Tw) и воздуха (T), δ – коэффициент, характеризующий отличие свойств излучающей поверхности от свойств черного тела, σ – постоянная Стефана-Больцмана,
– турбулентный поток тепла от земной поверхности к атмосфере, ρ – плотность воздуха, ср – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, D – интегральный коэффициент турбулентной диффузии.
А) Изменение альбедо
Вид поверхности |
Альбедо |
Снег и лед |
|
Свежий сухой снег |
0.85 – 0.95 |
Чистый влажный снег |
0.60 – 0.70 |
Загрязненный снег |
0.40 – 0.50 |
Морской лед |
0.30 – 0.40 |
Открытая почва |
|
Темные почвы |
0.05 – 0.15 |
Влажные серые почвы |
0.10 – 0.20 |
Сухие глинистые или серые почвы |
0.20 – 0.35 |
Сухие светлые песчаные почвы |
0.35 – 0.40 |
Пустыня |
0.28 |
Вид поверхности |
Альбедо |
Поля, луга, тундра |
|
Поля ржи и пшеницы |
0.10 – 0.25 |
Картофельные поля |
0.15 – 0.25 |
Хлопковые поля |
0.20 – 0.25 |
Луга |
0.15 – 0.25 |
Сухая степь |
0.20 – 0.30 |
Тундра |
0.15 – 0.20 |
Древесная растительность |
|
Хвойные леса |
0.10 – 0.15 |
Лиственные леса |
0.15 – 0.20 |
Лес при неустойчивом снежном покрове |
0.25 – 0.30 |
Лес при устойчивом снежном покрове |
0.40 – 0.45 |
При изменении альбедо на несколько % изменение температуры нижнего слоя воздуха – до нескольких 0С.
Б) Изменение затрат тепла на испарение, зависящее от увлажнения почвы.
E=E0 при w≥w0 и E=E0(w/w0) при w<w0
E0 – возможное испарение при полном влагонасыщении почвы (испаряемость),
w — влажность верхнего слоя почвы, w0 - критическое значение влажности почвы.
Т.к. w изменяется в широких пределах, то существенно влияет на E, на LE и на климат нижнего слоя воздуха.
В) Изменение аэродинамической шероховатости земной поверхности.
-η= 10-3 – 10-2 см для гладкой поверхности льда,
-η=0.1 -1 см для ровного луга с невысокой травой, -η=1- 10 см для сельхозрастений (картофель и др.),
-η =10-100 см над кустарниковой растительностью и лесом.
Изменяет скорость ветра и коэффициент турбулентной диффузии D (возрастает с шероховатостью).
Г) Изменение теплообмена между поверхностью и нижележащими слоями (А).
Хотя термические свойства почвы значительно изменяются, но поток тепла в почву меньше других составляющих баланса. Может быть влияние только на микроклимат.
Способы воздействия человека на радиационный и тепловой режим. Практика
1.Защита от заморозков за счет нагрева участка или уменьшения эффективного излучения (обсаживание садов древесной изгородью с севера, посадка кустарника на склонах , повышение ночных температур и замедление быстрого роста температур утром, отопление, интенсивный полив).
2.Покрытие почвы (мульчирование, П.Ф.Бирюков, конец 19 в.)
зависит от цветовых свойств и теплопроводности почвы: при покрытии пленкой дополнительный нагрев до 6-200С, повышение влажности и отсутствие сорняков, повышение урожайности в 2-3 раза.
2. Воздействие на растительный покров
-лесные и степные пожары для охоты, расширения пастбищ и их удобрений;
-вырубка лесов для получения древесины;
-выпас сельскохозяйственных животных, особенно в
сухих степях и саваннах.
- увеличение скорости ветра у земной поверхности, |
Подсечно-огневое земледелие. Суматра. |
|
|
- изменение режима температуры (повышение) и влажности нижнего слоя воздуха; |
|
- изменение режима влажности почвы, испарения, речного стока; |
|
- усиление пыльных бурь и разрушение почвенного покрова; |
|
- смыв почвы на склонах гор, формирование лавин, селей; - несколько изменяется режим осадков, т.к. относительная влажность воздуха уменьшается;
- замена леса сухой степью повышает альбедо на 0.1, пустыней – еще на 0.1;
- перемещение мерзлоты в низкие горизонты.
Уничтожение растительного покрова на больших территориях приводит к уменьшение радиационного баланса системы Земля – атмосфера (похолодание).
Практика. Насаждение лесов
- полезащитные полосы приводят к уменьшению скорости ветра и к уменьшению
интенсивности турбулентного обмена, уменьшение испаряемости, увеличение запасов снега, влажности почвы, задерживание стока талых вод, защита от пыльных бурь
Мезоклимат леса
R’=Q’(1-α’)-Bп+γ’Bа+ γ”Bк
R’ - радиационный баланс почвы под кронами деревьев; Q’ – суммарная радиация, поступающая на почву сквозь кроны деревьев; α’ – альбедо поверхности почвы в лесу;
Вп,Ва,Вк – потоки длинноволнового излучения почвы, атмосферы и кроны; γ’, γ” – доля поступающего излучения к поверхности.
верх крон |
R=Q(1-α)+Bа- Bк |
поверхность |
R’=Q’(1-α’)+B’К- B’П |
ΔR=R-R’
поглощение
радиации
лесом
Результаты поглощения радиации: |
|
|
|
- поверхность почвы под кронами прогревается |
ux u0e |
( / ) x Ux – скорость ветра на расстоянии x от |
|
на несколько градусов меньше, чем на полянах; |
|||
опушки с наветренной стороны, U0 – |
|||
- зимой почва теплее, чем в поле, меньше промерзает; |
|
скорость ветра на опушке леса, β/δ- |
|
- суточный и годовой ход температуры меньше |
|
||
|
эмпирический коэффициент (0.02-0.06) |
||
(на 2-3 до 60С в суточном, на 0.7-1.60С – отличие |
|
|
|
ср. месячных тем-р); |
|
|
|
- зимой лиственный лес оказывает меньшее |
|
|
|
влияние на суточную амплитуду, чем хвойный, а |
|
|
амплитуда в лесу выше, чем в поле, летом - обратное;
-суммарное испарение в лесу выше, чем в поле;
-осадки увеличиваются за счет шероховатости (на
1-3% на каждые 10% площади леса), задержива- ются кронами (от 10-14% до 65-68% в тропиках);
-высота снега и запасы воды больше, чем в поле;
-продолжительное снеготаяние (2-3 раза), сток меньше;
-в кронах – макс. относительно влажности,
-формирование местной циркуляции между
лесом и полями (днем ветер от леса к полю внизу, |
Средние часовые профили температуры (T), парциального |
|
вверху – к кронам деревьев, ночью – обратная с |
||
давления водяного пара (е), скорости ветра (u) в еловом лесу в |
||
большей интенсивностью. |
полдень, где: h- средняя высота деревьев, s – плотность листвы. |
3. Воздействие на водный режим
- орошение (Нил, Тигр и Евфрат)
Изменение микроклимата только на орошаемых полях
-снижение температуры поверхности за счет
увеличения затрат тепла на испарение; -- повышение относительной влажности нижнего слоя
воздуха;
-существенное увеличение радиационного баланса (на десятки %) за счет увеличения поглощенной радиации при уменьшении альбедо для влажной почвы и за счет уменьшения эффективного излучения;
-резкое увеличение затрат тепла на испарение;
-уменьшение турбулентного потока тепла.
Суточный ход составляющих теплового баланса в орошаемом оазисе (1) и полупустыне (2): а) – радиационный баланс, б) – составляющие в Пахта-Арале (Средняя Азия).
-увеличение радиационного баланса в оазисе; -- увеличение затрат тепла на
испарение (в полупустыне испарение = 0);
-- турбулентный поток тепла P
днем в пустыне больше, чем в оазисе и имеет противоположенный знак;
-теплооборот в почве изменяется мало.
Влияние орошения на термический режим
В пустынях и степях из-за малых затрат тепла на испарение поглощенная радиация расходуется в основном на нагревание атмосферы турбулентной теплопередачей, что приводит к очень высоким температурам поверхности:
T T |
R LE A |
|
|
w |
cp D 4 T 3 |
|
При малых LE и А и при больших R разность температур в дневное время может достигать 10-200С.
Поток тепла идет от земной поверхности, нагревает воздух, уменьшает его относительную влажность.
При орошении происходит изменение баланса почвы: испарение резко возрастает, увеличивается LE и существенно понижается температура поверхности.
Изменение температуры поверхности при орошении (штрих – орошаемый участок):
T |
T ' |
|
(R R' ) (LE LE ' ) |
учитывая, что: |
│A-A’│<<│LE’-LE│ |
|
|||||
w |
w |
|
cp D 4 T 3 |
|
|
|
|
|
|
|
Изменение температуры и влажности воздуха при орошении зависит от:
-нормы полива и времени между поливами (чем больше воды, тем больше различие от неорошаемого участка); -скорости ветра и коэффициента турбулентного обмена, определяющие толщину слоя воздуха, где
происходят изменения;
-радиационных свойств подстилающей поверхности (альбедо).
Влияние орошения на метеорологический режим
Разность (температура и абс. влажность) |
|
IV |
V |
VI |
VII |
VIII |
IX |
X |
XI |
|
Т-Т’ в малом оазисе (до 3 км) и пустыне, 0C |
0.0 |
-0.5 |
-1.6 |
-2.4 |
-2.5 |
-1.7 |
-1.4 |
-0.4 |
||
Т-Т’ в большом оазисе и пустыне |
|
|
-0.6 |
-1.1 |
-2.2 |
-3.1 |
-2.8 |
-2.3 |
-1.7 |
-0.8 |
d-d’ в малом оазисе и пустыне (мбар) |
|
|
1.1 |
1.8 |
3.4 |
3.6 |
3.7 |
2.5 |
1.2 |
0.4 |
d-d’ в большом оазисе и пустыне (мбар) |
|
0.4 |
1.8 |
4.2 |
5.4 |
5.4 |
3.6 |
1.6 |
0.8 |
|
Избыточное орошение ведет к значительному снижению температур, засолению |
дождевание |
|||||||||
Страна |
Орошаемые земли (км кв.) |
|
|
|
|
|
||||
Весь мир |
|
2 714 320.00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Индия |
|
|
590 000.00 |
|
|
|
|
|
|
|
Китай |
|
|
525 800.00 |
|
|
|
|
|
|
|
США |
|
|
214 000.00 |
|
|
|
|
|
|
|
Пакистан |
|
180 000.00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Иран |
|
|
75 620.00 |
|
|
|
|
|
|
|
Мексика |
|
|
65 000.00 |
|
|
|
|
|
|
|
Индонезия |
|
|
48 150.00 |
|
|
|
|
|
|
|
Таиланд |
|
|
47 490.00 |
|
|
|
|
|
|
|
Россия |
|
|
46 630.00 |
|
|
|
|
|
|
|
Узбекистан |
|
42 810.00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Турция |
|
42 000.00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Бангладеш |
|
38 440.00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Испания |
|
36 400.00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ирак |
|
35 250.00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Египет |
|
33 000.00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Вьетнам |
|
30 000.00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Румыния |
|
28 800.00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Италия |
|
26 980.00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Япония |
|
26 790.00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
4. Создание водохранилищ |
Микроклимат водоемов и прибрежных территорий |
|
Основная причина: разная структура теплового баланса воды и суши (90% |
Морской бриз |
|
баланса расходуется на нагревание водных масс и испарение и 10% - на турбулентный поток тепла в атмосферу).
День
Нагревание воздуха небольшое, суточный ход меньше, в среднем водоемы теплее суши (за исключением сухого жаркого климата, где отсутствует испарение с суши), местная циркуляция (бризы: дневной 5-6 м/c, ночной 3-4 м/c).
Скорости ветра при бризовой циркуляции ( над водоемами всегда больше, чем над сушей) от 1-2 до 7 м/с, влияние на сушу до 100 км.
Береговой бриз Ночь
Каспий
Баренцево
море
Изменение средней Т в июле (dT) от расстояния
от водоема (L км) День
Ночь
Азовское море
Байкал
Выводы:
-дневные температуры вблизи южных морей занижены на
3-70С, ночные температуры повышены на 3-50С;
-на побережье холодных морей (озер) занижены как дневные, так и ночные температуры (до 7-80С);
-на реках у берегов дневные Т понижаются на 1-20С, ночные повышаются также на 1-20С.
-длительность безморозного периода на берегах увеличива-
ется на 10-20 дней;
-осенью ночью в вогнутых котловинах образование тума- нов увеличивает Т до 70С;
-при бризах имеет место суточный ход скорости и направления ветра (затишье утром, макс. в 13-15 час., смена в 19-21 час), уменьшается суточный ход Т;
-относительная влажность больше на 5-10%;
-осадки выпадают или рано утром (до дневного бриза) или поздно вечером – ночью.