- •190000, Санкт-Петербург, б. Морская ул., 67
- •6. Метеорология и климатология
- •6.1. Содержание метеорологии и климатологии
- •6.1.1. Погода и климат
- •6.1.2. Атмосфера и Солнце. Климатообразующие процессы
- •6.1.3. Метеорологические наблюдения, метеорологическая сеть и метеорологическая служба
- •6.2. Солнечная радиация в атмосфере
- •6.2.1. Радиация вообще
- •6.2.2. Лучистое и тепловое равновесие Земли
- •6.2.3. Спектральный состав солнечной радиации
- •6.2.4. Прямая солнечная радиация
- •6.2.5. Солнечная постоянная и общий приток солнечной радиации к Земле
- •6.2.6. Изменения солнечной радиации в атмосфере
- •6.2.6.1. Рассеяние солнечной радиации в атмосфере
- •6.2.6.2. Поглощение солнечной радиации в атмосфере
- •6.2.6.3. Суммарная радиация
- •6.2.7. Отражение солнечной радиации. Поглощенная радиация. Альбедо Земли
- •6.2.7.1. Излучение земной поверхности
- •6.2.7.2. Встречное излучение
- •6.2.7.3. Эффективное излучение
- •6.2.7.4. Радиационный баланс земной поверхности
- •6.2.7.5. Тепловой баланс земной поверхности
- •6.3. Свойства воздуха
- •6.3.1. Водяной пар в воздухе
- •6.3.2. Уравнение состояния газа
- •6.3.3. Температура воздуха
- •6.3.4. Плотность воздуха
- •6.3.5. Атмосферное давление
- •6.5. Облака
- •6.5.1. Адиабатические изменения состояния в атмосфере
- •6.5.2. Конденсация в атмосфере
- •6.5.3. Классификация облаков
- •6.5.4. Наблюдения за облаками
- •6.4. Географическое распределение основных характеристик атмосферы
- •6.4.1. Географическое распределение температуры воздуха
- •6.4.2. Географическое распределение приземного атмосферного давления
- •6.4.3. Географическое распределение испарения и влажности
- •6.4.4. Географическое распределение облачности
- •6.6. Барическое поле. Атмосферные фронты. Ветер.
- •6.6.1. Барическое поле. Карты барической топографии
- •6.6.2. Воздушные массы и атмосферные фронты
- •6.6.3. Циклоны и антициклоны
- •6.6.4. Ветер
- •6.6.4.1. Ускорение воздуха под действием барического градиента
- •6.6.4.2. Геострофический ветер
- •6.6.4.3. Градиентный ветер в циклоне и антициклоне
- •6.6.4.4. Сила трения и ветер
- •6.6.4.5. Скорость и направление приземного ветра
- •6.6.4.6. Струйное течение
- •1) Изолинии скорости, м/с; 2) тропопауза в теплом (слева) и холодном (справа) воздухе; 3) фронтальная зона
- •6.6.5. Общая циркуляция атмосферы
- •6.6.5.1. Зональные и меридиональные составляющие общей циркуляции атмосферы
- •6.7. Прогноз погоды
- •6.8. Изменения климата
- •6.9. Микроклимат
- •6.9.1. Методы исследования микроклимата
- •6.9.2. Микроклиматы характерных типов ландшафтов
- •7. Гидрогеология
- •7.1. Происхождение и состав подземных вод
- •7.2. Залегание подземных вод и их классификация.
- •7.3. Взаимодействие подземных и поверхностных вод
- •7.4. Пополнение подземных вод
- •5. Гидрология суши
- •5.1. Содержание гидрологии суши
- •5.2. Круговорот воды на земном шаре
- •5.2.1. Запасы воды на Земле и водообмен
- •5.2.2. Общий круговорот воды
- •5.2.3. Внутриматериковый влагооборот
- •5.2.4. Речная фаза влагооборота
- •5.3. Морфология речных бассейнов
- •5.3.1. Водосборы и водоразделы
- •5.3.2. Морфология речных бассейнов
- •5.3.3. Речная сеть
- •5.3.4. Долина реки
- •5.3.5. Русло реки
- •5.3.6. Продольный профиль реки. Средний уклон русла.
- •5.3.7. Дельты и эстуарии
- •5.4. Источники питания рек. Формирование поверхностных вод суши
- •5.4.1. Атмосферные осадки
- •5.4.2. Снежный покров
- •5.4.3. Ледники
- •5.4.4. Подземные воды
- •5.5. Расходование воды в бассейне рек
- •5.5.1. Испарение
- •5.5.2. Инфильтрация атмосферных осадков
- •5.5.3. Подземные воды
- •5.6. Режим рек
- •5.6.1. Главнейшие характеристики речного стока
- •5.6.2. Основные фазы водного режима рек
- •5.6.3. Наблюдения за режимом рек и использование их на практике
- •5.7. Влияние хозяйственной деятельности на водный режим
- •5.7.1. Орошение
- •5.7.2. Осушение
- •5.7.3. Регулирование стока водохранилищами
- •5.8. Сток речных наносов
- •5.8.1. Взвешенные и влекомые наносы
- •5.8.2. Сток растворенных веществ и химический состав речных вод
- •5.9. Водоемы
- •5.9.1. Озерные котловины и системы. Формирование котловин.
- •5.9.2. Строение озерных систем
- •5.9.3. Водный баланс водоемов
- •5.9.4. Внешний водообмен водоемов
- •5.9.5. Химический состав вод озер и водохранилищ
- •5.9.6. Трофический статус водоемов
- •5.9.7. Донные отложения и заиление водоемов
6.9.1. Методы исследования микроклимата
Ясно, что обычная сеть метеорологических станций слишком редка для микроклиматических исследований. Поэтому микроклиматические исследования проводятся путем организации густой сети наблюдений на небольших расстояниях хотя бы на короткие промежутки времени. Наблюдения за ветром, температурой и влажностью при этом производятся на разных уровнях над почвой, начиная от нескольких сантиметров. Поскольку с помощью таких наблюдений определяются вертикальные градиенты метеорологических величин в приземном слое воздуха, то сами наблюдения называются градиентными.
Для микроклиматических наблюдений применяют переносные походные приборы, в особенности психрометр Ассмана, ручной анемометр, а также электрические термометры и переносные актинометрические приборы. Практикуют микроклиматические съемки с одновременными наблюдениями в ряде точек на местности. Применяют также автомобиль, с которого делаются наблюдения походными приборами в различных точках выбранной трассы или самопишущими приборами непрерывно на всей трассе.
Очевидно, что микроклиматические наблюдения невозможно проводить длительно, на протяжении многих лет, в одном и том же месте, как обычные метеорологические наблюдения – это стоило бы непомерно дорого и было бы неудобным. Задача исследования заключается здесь не в определении многолетнего режима, а в выявлении разностей между условиями в различных пунктах исследуемой местности и в сравнении наблюдений в отдельных точках с показаниями опорной, постоянно действующей станции в данном районе.
6.9.2. Микроклиматы характерных типов ландшафтов
Рассмотрим типичные микроклиматические условия для характерных типов ландшафтов, а именно - для пересеченной местности, леса и города.
Микроклимат пересеченной местности. Мезо- и микрорельеф земной поверхности, т. е. неровности поверхности с разностями высот порядка метров или десятков метров, влияет на микроклимат (и местный климат) в основном так же, как крупномасштабный рельеф влияет на общий климат. Однако есть и различия, обусловленные тем, что разности высот в данном случае малы и потому высота над уровнем моря не имеет существенного значения.
Основная роль в микроклимате пересеченной местности принадлежит экспозиции, т. е. ориентировке склонов относительно стран света, а также формам рельефа. Приток солнечной радиации на ориентированные по-разному склоны холмов существенно различен. Поэтому склоны разной экспозиции прогреваются по-разному, что в свою очередь сказывается на температуре воздуха и может отразиться на характере растительности. Разности температур на южных и северных склонах холмов в ясную погоду днем могут достигать у земной поверхности нескольких градусов.
Колебания температуры в вогнутых формах рельефа (низины, лощины) больше, чем на выпуклых (вершины холмов): дневные температуры повышаются, а ночные понижаются. В связи с увеличением суточной амплитуды температуры в низких местах увеличивается на несколько процентов и суточная амплитуда относительной влажности; увеличивается повторяемость росы, инея, поземных туманов.
Воздух обтекает препятствия. Поэтому перед холмом и на боковых его склонах скорость ветра возрастает, а за холмом убывает. Чем неустойчивее стратификация в приземном слое, тем больше возможность для воздуха перетекать через препятствие сверху.
Через ветер рельеф местности влияет на распределение снежного покрова. На вершинах холмов и отчасти на наветренных склонах покров уменьшен, в низинах же откладываются сугробы. Весеннее таяние снега происходит быстрее всего на вершинах холмов и на южных склонах, где увеличен приток солнечной радиации.
Микроклимат леса. Под пологом леса создается свой микроклимат или местный климат, существенно отличный от условий в окружающей открытой местности. Сквозь кроны леса солнечная радиация проникает в ослабленной степени; в густом почти вся радиация будет рассеянной, а интенсивность ее - малой. Соответственно, убывает и освещенность под пологом леса.
Роль деятельной поверхности в лесу переходит к кронам. Температура днем будет максимальной непосредственно над кронами леса. Здесь она значительно выше, чем на том же уровне в открытой местности. Внутри леса днем (в летнее время) температура значительно ниже, чем над кронами. Ночью же кроны сильно охлаждаются излучением, и потому максимум температуры по вертикали наблюдается в это время на высоте 1 - 2 м над ними. Минимум температуры наблюдается не на уровне крон, а внутри леса, так как холодный воздух стекает с высоты крон вниз.
Летом в лесу днем холоднее, чем в поле, ночью теплее. Зимой условия сложнее, но в общем разность температур между лесом и полем почти отсутствует. В среднем за год лес несколько холоднее, чем поле. Годовые амплитуды температуры в лесу немного уменьшены. Относительная влажность в лесу повышена по сравнению с влажностью в поле на несколько процентов. Летом эта разница наибольшая, зимой она почти отсутствует. Как относительная, так и абсолютная влажность летом наибольшая в кронах деревьев.
При встрече ветрового потока с лесом, воздух в большей части обтекает лес сверху. Поэтому над кронами скорость ветра сильнее, чем на той же высоте в открытой местности. Внутри леса, по мере удаления от опушки, скорость ветра уменьшается. В вертикальном направлении скорость ветра особенно сильно убывает в пределах крон. Под кронами ветер равномерно слабый, а в пределах нижнего метра над земной поверхностью скорость убывает до нуля.
Лес испаряет воду, полученную корнями деревьев с достаточно глубоких горизонтов; поэтому верхний слой почвы в лесу влажнее, чем в поле. По-видимому, лес может несколько увеличивать осадки над данным лесным районом и в его окрестностях. Например, увеличивая шероховатость подстилающей поверхности, лес вызывает подъем воздуха, переходящего с поля на лес, увеличивает турбулентность, а тем самым усиливает и конденсацию. По некоторым оценкам, увеличение осадков лесом может составлять десятки миллиметров за год. Вероятно, играет роль не только общая площадь облесенности, но и протяжение лесных опушек. Иными словами, чем пятнистее распределение леса, тем больше его влияние на выпадение осадков.
Снег распределяется в лесу равномернее, чем на открытом месте, и плотность его в лесу меньше вследствие ослабления здесь ветра. Правда, в густых хвойных лесах много снега остается на кронах деревьев, а затем испаряется с них или сносится ветром. Таяние снега в лесу замедлено, а почва под высоким и рыхлым снежным покровом промерзает на меньшую глубину, чем в поле.
Микроклимат города. Большой современный город сильно влияет на климат. Он создает свой местный климат, и даже на отдельных его улицах и площадях создаются разнообразные микроклиматические условия, определяемые городской застройкой, покрытием улиц, распределением зеленых насаждений и прочими факторами.
Большой город, особенно с сильно развитой промышленностью, загрязняет атмосферу над собой, увеличивает ее мутность и тем самым уменьшает приток солнечной радиации. За счет увеличения мутности может теряться до 20% солнечной радиации. Это снижение усиливается высокой застройкой в узких улицах. Вследствие пелены дыма и пыли на территории города снижено эффективное излучение, т.е. и ночное выхолаживание. С другой стороны, в городе к рассеянной радиации присоединяется радиация, отраженная стенами и дорогами. Именно в силу этих факторов город теплее пригорода, особенно ночью. Дело не столько в тепле предприятий, домов и транспорта, сколько в искусственном уменьшении эффективного излучения земной поверхности облаком примесей и водяным паром, образующимся при сжигании различного топлива. Сказывается также поглощение солнечной радиации облаком примесей, а также изменение альбедо поверхности снега из-за загрязнения.
Крыши и стены домов, мостовые, поглощая радиацию, нагреваются в течение дня сильнее, чем почва и трава, и отдают тепло воздуху, особенно вечером. Поэтому средние годовые температуры в крупных городах выше на 1 °С и более, чем в окружающей сельской местности. Особенно повышает город минимальные температуры. Разность минимальных температур на городской и загородной станциях может достигать нескольких градусов. Испарение, а стало быть, и влажность в городе уменьшены вследствие покрытия улиц и стока воды в канализацию.
Так как территория города нагрета больше, чем окружающая местность, и обладает большей шероховатостью, над городом усиливается конвекция и больше развиваются облака, что также уменьшает число часов солнечного сияния и количество ясных дней. Характерно и увеличение осадков над городом.
Система городских улиц и площадей приводит к изменениям направления ветра в городе. Ветер преимущественно направляется вдоль улиц. В общем, скорость ветра в городе ослабевает, но в узких улицах, наоборот, согласно уравнению Бернулли, усиливается; на улицах и перекрестках легко возникают пыльные вихри и поземки.
При устойчивой стратификации атмосферы, в особенности при инверсиях температуры, дым может накапливаться в приземном слое атмосферы в таком количестве, что производит вредное физиологическое действие. Углеводороды и азотистые соединения, выбрасываемые в первую очередь автотранспортом, под влиянием облучения солнечной радиацией нередко, особенно в низких широтах, претерпевают химические изменения и приобретают коричневую окраску. Так возникает фотохимический смог, который оказывает особенно вредное воздействие на человека (прежде всего, на глаза), животных и растительность.