Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Объекты и методика исследований 12
1.1. Краткое физико-географическое описание района исследования 12
1.2. Характеристика экспериментальных площадок 17
1.3. Методика полевых экспериментов и обработки результатов измерений 20
Глава 2. Радиационный баланс естественной поверхности . 30
2.1. Особенности формирования радиационного баланса лесных, болотных и луговых геосистем 30
2.1.1. Лесные геосистемы 30
2.1.2. Болотные геосистемы 47
2.1.3. Луговые геосистемы 51
2.2. Различия меяду радиационным балансом лесных и болот-но-луговых геосистем 55
2.3. Радиационный баланс лесопокрытой территории . 61
Глава 3. Структура теплового баланса основных геосистем . 65
3.1. Лесные геосистемы 65
3.2. Болотные геосистемы
3.3. Луговые геосистемы
Глава 4. Испарение в условиях неоднородной подстилающей поверхности 92
4.1. Испарение основных типов геосистем 92
4.1.1. Лесные геосистемы 92
4.1.2. Болотные геосистемы 96
4.1.3. Луговые геосистемы 100
4.2. Зональное изменение соотношения между испарением. леса и поля 104
4.3. Влияние неоднородности подстилающей поверхности на формирования суілмарного испарения 111
4.4. Оценки изменения норм испарения в связи с мелиорацией заболоченных территорий 122
Заключение 134
Литература 138
- Методика полевых экспериментов и обработки результатов измерений
- Различия меяду радиационным балансом лесных и болот-но-луговых геосистем
- Зональное изменение соотношения между испарением. леса и поля
- Влияние неоднородности подстилающей поверхности на формирования суілмарного испарения
Введение к работе
Изучение обмена теплом и влагой между земной поверхностью и атмосферой имеет важное значение для познания закономерностей формирования климата и его изменений, В связи с большой пространственной изменчивостью свойств земной поверхности, детальное описание радиационно-тепловых процессов, ее взаимодействия с атмосферой остается одной из наиболее трудных проблем современной климатологии.
Широкомасштабное антропогенное преобразование природной среды оказывает значительное влияние на радиационно-тепловые процессы на поверхности суши, учет которых становится необходимым при составлении прогноза изменения микроклимата как составной части регионального географического прогноза.
Интенсивное освоение Западной Сибири, особенно осуществление мелиорации заболоченной территории, приведет к изменению всего комплекса природных условий, в том числе теплового и водного баланса. Оценить эти изменения актуально и в связи с проектами переброски стока сибирских рек Оби и Иртыша на юг для обеспечения водой засушливых районов Казахстана и Средней Азии. Если испарение возрастет, а сток уменьшится, то это усугубит для Западной Сибири последствия изъятия части стока. Если испарение в результате мелиорации уменьшится, а сток возрастет, то это компенсирует послед -ствия отъема воды из рек Западной Сибири /83,157/.
Прогноз возможных изменений тепло- и влагообмена в таежной и лесостепной зонах Западной Сибири требует всестороннего изучения радиационно-теплового режима основных природных геосистем исследуемой территории.
В отделе климатологии Института географии АН СССР в последние
годы разрабатываются методические основы нового направления, коротко обозначаемого понятием "геосистемная климатология" /68/. Этот раздел современного учения о климате объединяет исследования и каталогизацию важнейших характеристик системи атмосфера - земная поверхность на основе геофизического натурного эксперимента и географического обобщения полученных данных. Вместе с тем он базируется на ландшафтно-географической основе, поскольку его объектом являются природные и преобразованные человеком геосистемы. С помощью каталога клшлатических характеристик геосистем в будущем возможен переход к интегральным характеристикам условий тепло- и влагообмена на обширной территории.
Целью настоящей работы является исследование структуры теплового баланса ведущих природных геосистем и определение на этой основе возможного изменения испарения на территории Западной Сибири в связи с антропогенными преобразованиями природной среды.
Научная потребность данного исследования диктуется недостаточной экспериментальной изученностью процессов тепло- и влагообмена в южнотаежных и лесостепных геосистемах Западной Сибири. Комплексные теплобалансовые исследования, охватывающие основные типы геосистем на данной территории, практически не проводились и представлены в основном измерениями составляющих радиационного баланса, испарения в болотных и луговых геосистемах. Расчеты испарения с поверхности Западно-Сибирской низменности проводились с помощью метода водного баланса /54,77,108/ или по уравнению связи между элементами водного и теплового балансов /86/. При этом использовались данные наблюдений метеостанций, которые в основном отражают метеорологические условия открытого места. Отсутствие надежных данных о структуре теплового баланса лесных геосистем в южной тайге и лесостепи затрудняет расчеты возможного изменения тепло- и влагообмена на территории Западной Сибири в связи с антропогенны-
-6-ми преобразованиями природной среды.
Для достижения указанной выше цели необходимо было решить следующие задачи:
I. Выявить особенности формирования радиационного баланса лесных, болотных и луговых геосистем.
Охарактеризовать радиационный баланс лесопокрытой территории.
Провести каталогизацию элементов теплового баланса основных природных геосистем.
Исследовать влияние неоднородности земной поверхности на процеес испарения.
Оценить возможные изменения величин суммарного испарения при разных вариантах осушения заболоченных территорий.
Ниже следует краткий анализ современного состояния экспериментального изучения составляющих теплового баланса в различных геосистемах таежной и лесостепной зон исследуемого региона.
В таежной зоне комплексные исследования теплового баланса верховых, переходных и низинных болот проводились в 1964-1968 гг. сотрудниками Института географии АН ССОР /59,109,115/ в районе Васюганья и в бассейне реки Таз, а в отдельные годы 1959-1972 гг." сотрудниками Государственного гидрологического института /13,17, 96-97/ в Тюмени, Урае, Нижневартовске, Тазовском, Пангоде.
Как следует из работы В.М.Жукова /59// на переходном болоте ( Восточное Васюганье ) основная часть радиационного тепла расходовалась на процессы испарения ( более 70% ), а на суходоле - в четыре раза меньше ( 21-2% ). В результате автор пришел к выводу, что "в засушливый год условия погоды и местного климата всех заболоченных территорий ( за исключением низинных болот ) несколько приближаются к условиям, создаваемым при осушении болот. Поэтому при промышленном освоении верховых болот ( например, Бакчаро-Ик-
синского ), и сельскохозяйственном использовании переходных болот должно произойти изменение структуры теплового баланса в сторону увеличения турбулентной отдачи тепла подстилающей поверхностью воздуха за счет уменьшения затрат тепла на испарение, а также увеличения теплообмена в почве" /59,с.43/.
Как показали исследования Л.С.Потаповой /109/, в структуре теплового баланса различных болотных и луговых геосистем, расположенных в среднем течении реки Таз, затраты тепла на испарение влаги с подстилающей поверхности составляют 50-56%, причем, средняя величина испарения с болот несколько больше ( на 8% ) по сравнению с хорошо дренированными террасами;
По данным метеорологических станций, а также учитывая результаты экспедиционных теплобалансовых наблюдений ІТИ, К.Е.Харченко /153/ были построены карты месячных величин радиационного баланса болот Западной Сибири за апрель-октябрь месяцы. Автор пришел к выводу, что на севере территории радиационный баланс болот несколько меньше радиационного баланса суходолов, а в южной части Западно-Сибирской равнины наблюдается обратное соотношение. В целом для данного региона расхождения между годовыми величинами радиационного баланса болот и суходолов не превышают 12%, а для периода с апреля по октябрь не выходят за пределы і 4%.
Используя карты К.Е.Харченко /153/, а также данные метеорологических и актинометрических станций, Л.Г.Бавина /17/ по методу теплового баланса рассчитала месячные суммы испарения за период май-сентябрь в зоне выпуклых олиготрофных болот. Оказалось,что величина испарения с поверхности болот ( в пределах таежной зоны ) за май-сентябрь с севера на юг увеличивается от 320 ( Северо-Сосьвинский р-н ) до 430 мм ( Туртас-Иртышский р-н ).
Л.Л.Журиной /61,62/, И.Е.Трофимовой /147,148/ и Н.Л.Линевич /78,79/ тепловой баланс различных геосистем изучался в условиях
комплексных стационаров Института,географии Сибири и Дальнего Востока СО АН СССР.
В работах /61,62/ приведен сравнительный анализ сезонной динамики структуры радиационного и теплового баланса темнохвойного леса и вырубки в условиях средней тайги. В результате исследований установлено, что в летний период затраты тепла на испарение в лесу более чем в три раза превышают испарение на вырубке. Большие различия отмечались и в структуре теплового баланса: отношение затрат тепла на испарение к радиационному балансу составляет 90% для леса и 56% для вырубки.
И.Е.Трофимовой /147,148/ приведены результаты стационарных исследований режима испарения в различных геосистемах средней тайги ( Сосьвинского Приобья ): лес ( под пологом ), болото и луг. Испарение болот в засушливые годы и в годы со средними метеорологическими условиями превышает величину испарения с луга за летний период - на 75-100 мм. В переувлажненные сезоны эти различия менее значительны и составляют 15-30 мм. Автор считает, что скорость испарения на болотах и на лугах лимитируется общим количеством тепловой энергии, а для луга кроме того количеством выпавших осадков.
Н.Л.Линевич /78,79/ были проведены теплобалансовые измерения под пологом леса на болотах, лугах и над водной поверхностью южной тайги ( Уватский район Тюменской области ). Однако, результаты исследований приведены лишь за экстремально-теплый месяц -июль. В пойме, на первой надпойменной террасе и на болотах величина испарения составила около 80%, а на луговине - 76-77% от величины радиационного баланса.
В отличие от южной тайги, в лесостепи ведущими геосистемами являются луговые ( более 60% ), преимущественно сельскохозяйственного назначения ( выпасные и сенокосные луга ).
Экспериментальные теплобалансовые исследования на юге лесо-
-9-.
степной зоны проводились Л.Л.Ворониной /34/ в течение I965-1970гг. на луговых геосистемах с целью изучения теплового и водного режимов различных районов Северной Кулунды. Уменьшение отношения
2ч Е/ R происходит с северо-востока на юго-запад. В Кочковском районе 69/с количества радиационного тепла расходуется на испарение и 23% на турбулентный теплообмен, В Западно-Кулундинском, Аж-булатском, Прииртышском районах на испарение и турбулентное прогревание воздуха тратится соответственно 47 и 44% от количества радиационного тепла.
По данным учета лесного фонда ( Министерства лесного хозяйства РСФСР, 1978 ), степень облесенности территории Курганской, Тюменской (южная часть ), Омской и Новосибирской областей колеблется в пределах 20-30%. Леса в лесостепной зоне Западной Сибири в основном состоят из мелколиственных пород, которые образуют березовые и осиново-березовые леса в виде колков ( 60-65% ).
В публикациях /63,110,114,116 и др. /, посвященных изучению природных условий березовых колков, экспериментальные данные о структуре теплового баланса колковых лесов отсутствуют.
Из краткого анализа указанных работ следует, что в лесных геосистемах южной тайги и лесостепи теплобалансовые исследования не проводились, а имеющиеся данные, характеризующие структуру теплового баланса болотных и луговых геосистем в разных временных масштабах, неполны. Такшл образом, для получения усредненных во времени и пространстве характеристик тепло- и влагообмена в условиях южной тайги и лесостепи Западной Сибири возникает необходимость проведения теплобалансовых наблюдений в основных природных геосистемах.
В настоящем исследовании автором впервые:
- определены оптические свойства растительного компонента лесных ( сосновых, березовых, колковых ) геосистем Западной Сибири;
- выявлены масштабы различий между составляющими теплового
баланса лесных и болотно-луговых геосистем;
- вычислены интегральные характеристики ( месячные и годовые ) радиационного баланса и испарения лесопокрытой территории таежной и лесостепной зон Западной Сибири;
составлен каталог структуры радиационного и теплового балансов лесных геосистем в лесной и лесостепной зонах Советского Союза;
установлены масштабы влияния неоднородности поверхности Западно-Сибирской низменности на процесс испарения ( на мезокли-матическом уровне );
получены количественные оценки влияния структуры лесов и ее динамики на годовую норму испарения и определены возможные изменения испарения при разных вариантах осушения заболоченной территории Западной Сибири.
Практическая ценность работы заключается в разработке принципов расчета возможных изменений испарения при осушении заболоченных территорий. Полученные результаты могут служить исходным материалом для проектных гидромелиоративных изысканий и оценки изменения гидрологического режима районов Западной Сибири под влиянием лесохозяйственных и сельскохозяйственных мероприятий.
Прогнозные оценки суммарного испарения используются при рассмотрении географических аспектов проблемы переброски стока в Срединном регионе ( в научном отчете Института географий АН СССР по теме ГКНТ 0.85.05.01.14. НЕ ).
В основе диссертации лежат материалу полученные автором во время летних полевых теплобалансовых наблюдений, проведенных на территории Нижнетавдинского и Заводоуковского районов Тюменской области в I978-I98I гг. Помимо этого, в соответствующих разделах диссертации обобщены фондовые материалы Управления лесоустройства
- II -
Шнистерства лесного хозяйства PCSCP и Управления гидрометеорологической службы Тюменской области, а также данные Справочников по климату СССР /143,144/.
Работа выполнена в отделе климатологии Института географии АН СССР как раздел плановой темы по АН СССР 3.5.1.5.1 ( ГКНТ 0.85.06.01.14 HI ) "Прогноз последствий изменения природной среды при межбассейновой переброске стока".
Тема и основное направление настоящего исследования были предложены первым научным руководителем доктором географических наук Ю.Л.Раунером. Считаю своим долгом почтить светлую память Юрия Львовича Раунера.
Хочу выразить глубокую благодарность научному руководителю, кандидату географических наук, старшему научному сотруднику А.Н.Золотокрылину за постоянное внимание и помощь в выполнении данной работы.
Выражаю искреннюю признательность ведущему инженеру И.П. Ананьеву, старшему инженеру Г,И.Гудковой, А.А.Токаренко, а также инженеру Г.М.Подольской, оказавшим мне большую помощь при проведении полевых исследований.
Методика полевых экспериментов и обработки результатов измерений
Как известно, существуют два основных способа измерений вертикальных турбулентных потоков тепла и влаги в приземном слое воздуха: пульсационный и градиентный. Пульсационным способом потоки измеряются непосредственно и при этом не нужно учитывать аэродинамические характеристики земной повехнооти и стратификацию приземной атмосферы. Из-за сложности аппаратуры,этот способ остается чисто физическим методом исследования атмосферы. Во втором способе выделяется метод, основанный на использовании уравнения теплового баланса,и аэродинамический метод. Расчеты по аэродинамическому методу требуют достаточно точных измерений разности скоростей ветра, градиентов температуры и влажности воздуха в одном и том лее интервале высот, определения безразмерных функций, описывающих стратификацию приземной атмосферы, и аэродинамических свойств земной поверхности. В отделе климатологии Института географии АН СССР с конца 50-х годов вертикальные потоки тепла и влаги в разных типах геосистем определяются по методу теплового баланса, который имеет ряд практических преимуществ по сравнению с аэродинамическим /52/. Для расчетов потоков,тепла и влаги по методу теплового баланса необходимо знать только величину радиационного баланса, величину потока тепла в почву и градиенты температуры и влажности воздуха. Б;Л. Дзердзеевским и Ю.ЛЦРаунером /52/ были разработаны различные варианты метода теплового баланса применительно к разным типам растительного покрова, которые и были применены нами в условиях Западной Сибири.
На лесных площадках вертикальные профили составляющих радиационного баланса, температуры и влажности воздуха, ветра определялись в 19-и метровом слое приземного воздуха при средней высоте древостоя в точках измерений равной примерно 15 м. Метеорологические приборы устанавливались на металлической мачте высотой 20 м ( рис, 2 ).
Актинометрические измерения на лесных площадках включали в себя определение приходящей и отраженной коротковолновой солнечной радиации , радиационного баланса с помощью стандартной аппаратуры. Пиранометр, альбедометр и балансомер были смонтированы на каретке, которая перемещалась вдоль мачты ( рис. 3 ), Под пологом леса на высоте 1,5 м над почвой устанавливался дополнительный комплекс актинометрических приборов.
Температура сухого и смоченного термометров определялась тер-мисторами. Как над лесом, так и внутри полога леса во время наблюдений смоченный термистр поддерживался в увлажненном состоянии и взнтилировался В приземном двухметровом слое градиенты температуры и влажности воздуха определялись по показаниям психрометра. Измерение скорости ветра над лесом и внутри полога производилось контактными анемометрами на высотах 12, 14, 16 и 19 метров Температура, влажность воздуха, ветер на открытом месте, (болото, луг, с/х утодье)измерялись на высотах 0,5 и 2 м. Там же на высоте 1,5 м был установлен комплекс актинометрических приборов для регистрации составляющих радиационного баланса, Термометрические измерения в почве на лесных и на открытых площадках включали в себя определение температуры поверхности почвы и на глубинах 5, 10, 15 и 20 см. Температура поверхности почвы определялась термопауком кШ ( рис. 4 ). Одновременно непосредственно измерялись потоки тепла в почву тепломерами АФИ. Дополнительно велись наблюдения за осадками и влажностью почвы. Пробы почвы на влажность брались четыре раза в течение полевого сезона на лесном и открытом участках до глубины I - 1,5 м.
Поверка стандартных актинометрических приборов производи лась по общепринятой методике путем сверки данного прибора с контрольной парой актинометр - гальванометр ГСА-І по методу Солнце - тень при открытом диске Солнца.
Градиентно-актинометрические измерения проводились в июле-августе I978-I98I гг. в светлое время суток ( 6-20 часов ) через каждые два часа. Дневные измерения периодически дополнялись ночными сериями. Средние значения градиентов температуры и влажности воздуха вычислялись по серии измерений, длившейся 20 минут и состоящей из четырех независимых отсчетов. По средним значениям градиентов температуры и влажности воздуха определялись средние часовые значения турбулентных потоков тепла и влаги.
Составляющие турбулентного тепло- и влагообмена вычислялись по формулам теплового баланса. Эти формулы выведены при условии, что коэффициенты турбулентности для потока тепла и влаги принимаются равными. Предполагается при этом сохранение условий баланса на любом уровне внутри полога и на внешней границе растительности. На верхней границе леса уравнение теплового баланса можно записать в виде: где RR - измеренный радиационный баланс на верхней границе леса. Последняя определяется по средней высоте древостоя; Р „ суммарный турбулентный поток тепла между лесом и атмосферой, слагающийся из турбулентного теплообмена между пологом и приземной атмосферой и из турбулентного теплообмена между пологом и почвой; 4 Е -затраты тепла на суммарное испарение всего насаждения, включающее транспирацию растений, испарение почвы, испарение осадков, перехваченных растительностью; L - скрытая теплота фазовых переходов воды; Вх - тепловой поток через верхнюю границу леса, состоящий из потоков тепла в лесной подстилке и в верхнем горизонте почвы под пологом леса. По аналогии с ( I ) можно записать уравнения теплового баланса на любом уровне внутри насаждений, а также для безлесных участков.
Расчет потоков турбулентного тепла и затрат тепла на испарение производился по формулам: где ді и дб «- градиенты соответственно температуры и влажности воздуха.
Для вычисления суммарного испарения в отдельные годы использовалось следующее отношение /140/: где оС І-оС дТ/дТ +І бу ;"1; ц = de / ±Т , причем АТ и дТ - разности показаний соответственно по сухому и смоченному термометрам между высотами 14 и 19 метров в ле-су, а в безлесных участках 0,5 и 2 метра; Коэффициент cL находится по специальному графику связи между температурой смоченного термометра и S? Определение /Е по формуле ( 4 ) при проведении градиентных измерений по сравнению с ( 3 ) является предпочтительнее, поскольку при этом используются невычисленные значения ( Дб ), а непосредственно измеренные характеристик (лТсм ), Величина Р вычислялась по замыканию уравнения теплового баланса
Различия меяду радиационным балансом лесных и болот-но-луговых геосистем
Разность в величинах радиационного баланса ( Д R ) лесных и безлесных геосистем при одинаковом приходе суммарной радиации определяется различиями в альбедо (А ,% ), поглощенной коротковолновой радиации ( RK ) и длинноволнового баланса деятельной поверхности ( RA ). Некоторую роль оказывают также различия в излучательной способности ( коэффициент серости ) oob их геосистем. В работе Т.Р. Оке /100/ приводятся обобщенные данные для различных типов поверхностей. Величина в период вегетации для лиственного и хвойного лесов составляет 0,98-0,99, а для травы и сельскохозяйственных культур меняется в пределах 0,90-0,99. Различия между средними значениями альбедо лесных и безлесных геосистем южной тайги и лесостепной зоны Западной Сибири варьируют в значительных пределах ( рис. 10 ). Наибольшие различия в величинах альбедо отмечаются между сосновым лесом и суходольным лугом ( 9-10% ), а минимальные - между березовыми лесами и низинным болотом. Указанные разности средних значений альбедо,согласно структуре радиационного баланса сказываются на величинах поглощенной коротковолновой радиации ( см, табл. 12 ). Средняя величина RK для деятельного слоя соснового леса оказалась в июле на 52 -58 Щд»м-2 больше, чем на заливном и суходольном лугах, а между сосновой и болотной геосистемами разности ( Л RK ) уменьшаются до 42 Щж»м , т.е. в 1,5-2 раза, вследствие уменьшения на 5-6$ различий в альбедо между ними ( рис. "10). Другим фактором, обусловливающим различия в радиационном балансе между лесными и безлесными геосистемами, являются разности в величинах их эффективного излучения.
Для выяснения этих различий нами сопоставлены результаты наземных измерений с самолетными ( табл. 13 ), которые показывают, что безлесные геосистемы по абсолютным величинам восходящего коротковолнового и длинновол нового потока, а также по радиационной температуре подстилающей поверхности превышают лесные геосистемы /129/. Анализ данных табл. 12 и 13 показывают, что превышение значений радиационного баланса лесных геосистем над болотными и луговыми обусловлено в большей степени различиями в отражатаяБной способности сопоставляемых геосистем ( см. рис. 10 ) и в меньшей степени различиями в балансе длинноволнового излучения. В табл. 14 приведены экспериментальные данные радиационного баланса в системе "лес-поле", полученные по методике,разработанной в Институте географии АН СССР для различных регионов Советского Союза за последние 25 лет. Каквидно из табл. 14, наибольшая величина Д R характерна для системы "хвойный лес-луг". По результатам исследовашїй А.В;Пав-лова, А.Н.Прокопьева /104/ величина Д R приближается к максимальному значению, наблюдаемому в условиях Якутска (ДR - 3,4Щд.сут . м ). Отношение ( Rxe-лес / R,?e3./iec. ) на территории Европейской части Союза и Западной Сибири колеблется в пределах от 1,13 ( Валдай ) до 1,30 ( Нагорный Крым ). Меньшие значения имеют отноше-ЕИЯ л / R которые обнаруживаются в системах "лиственный лес-болото" ( ЯЛИС#ЛЄС / R$0/v — If 10 ) и "лиственный лес - луг" ( Клис.лес / RAyr - 1,04-1,23 ) для различных регионов Советского Союза, Последние снижаются до минимума ( КЛІІС.АВС / #ЛУГ - 1,04) особенно в условиях Нагорного Крыма /30,с.65/, где A R составляло ют лишь 0,7 Щж м в сутки. Таким образом, радиационный баланс лесных геосистем ( RA ) по отношению к безлесным ( Rrf ) оказывается существенно больше, причем, RA / Rg наиболее высок в системе "хвойный лес - луг".
Закономерности пространственного распределения радиационного баланса лесопокрытых территорий для равнин Европейской части Союза, Западной Сибири и Северного Казахстана впервые исследованы Ю,Л.Рау-нером /127/. По методике Ю.Л.Раунера подобные исследования проводились позже А.В.Павловым /105/ для равнинных лесопокрытых территорий СССР. При этом в основу изучения распределения радиационного баланса лесопокрытых территорий Ю.Л.Раунером и А.В.Павловым была положена картосхема радиационного баланса, построенная З.Н.Пивова-ровой /106 /. В настоящее время эти картосхемы радиационного баланса лесопокрытых территорий, построенные /105,127/, для территории Западной Сибири требуют определенного согласования с данными экспериментальных исследований. Это вызвано тем, что в те годы данные по радиационному балансу лесных геосистем в публикациях отсутствовали, а по болотам имелись данные только по отдельным районам Западной Сибири за летние месяцы /13,59,96,109,115/. Появление в последние годы ряда работ по радиационному балансу лесных геосистем, проведенных в средней тайге /61,62/, в южной тайге /1-2,7,129/ и в лесостепной зоне /3/, а также значительной объем данных по радиационному балансу болот и лутов Западной Сибири /5,78,148,153/ позволяет уточнить существующие картосхемы лесо-покрытых территорий. В отличие от указанных работ нами впервые рассматриваются разности в величинах радиационного баланса в системе "лес - болото" и "лес - луг" отдельно, а также более детально анализируются различия в величинах Ял между хвойными и лиственными насаждениями в пределах средней, южной тайги и лесостепи Западной Сибири.
Зональное изменение соотношения ме}эду испарением. леса и поля
Большое число работ посвящено вопросу: не расходуют ли лесные массивы больше влаги, чем низкая раститальность лугов и полей /81,88-90,117,127-128,151,161/. Эти исследования были направлены на установление степени водорегулирующей роли леса.
Узловым вопросом при оценке влияния леса на водный баланс является определение соотношения величин суммарного испарения с леса и поля. Решение этой задачи на Европейской части Союза проводились в ИГ АН СССР /127/, Лаборатории лесоведения АН СССР /88, 89/ и в Государственном гидрологическом Институте во ВНЇЇГЛ . /151/.
По даннвд наших экспериментальных теплобалансовых измерений получены разности между суммарными расходами влаги лесными геосистемами и болотно-луговыми участками южной тайги и лесостепной зоны Западной Сибири и соотношение этих величин. Выявление разности в интенсивностях испарения в дневные часы по данным назем ных и градиентно-актинометрических измерений ( 10-14 часов ) и самолетного зондирования ( 11-14 часов ), а также в суммарном расходе влаги за сутки между основными типами геосистем южной тайге Западной Сибири,
В табл. 28 приведены различия в интенсивности испарения между перечисленныгли геосистемами в полуденные часы и в сумме за сутки. Разность в величинах испарешш особенно заметна между хвойными лесами и болотно-луговыми участками. Величина д достигает максимального значения между сосновым лесом ( хвойный ) и суходольным лутом, поскольку интенсивность испарения первого по данныгл наземных измерений в течение 10-14 часов составляет 0,2 мм/час, а за сутки - 1,6 мм. Существенная разность в испарении обнаруживается также между хвойным лесом и низинным болотом, где величина ДЕ составляет 0,14 мм/час или 1,1 мм/сутки ( табл. 28 ).
Интенсивность испарения лиственного леса по отношению к болоту в среднем за 10-14 часов, по данным наземных измерений на 0,09 мм/час больше, а по сравнению с лугом-суходолом еще более существенна ( Д =0,13 мм/час ). В целом за сутки разность в суммарном расходе влаги лиственным лесом ( березовым ) на 0,5 -0,6 и 1,05 мм больше, чем с болотных и луговых участков южной тайги соответственно. Практический интерес представляет определение разности в испарении между болотом и суходолом, поскольку после осушения болот эти земли могут быть заняты лугами. Согласно полученным нами данныгл, испарение низинных болот превышает испарение с суходолов, соотвественно на 0,1 мм/час и 0,5 мм/сутки ( табл. 28 ).
Интенсивность испарения в дневные часы, в виде разностных оценок контрастных типов подстилающей поверхности, по данныгл наземных градиентно-актинометрических измерений удовлетворительно согласуются с результатами соответствующих данных самолетного зондирования, проведенного И.П.Ананьевым по трассе Тюмень-Тобольск-Вагай-Ялуторовск, в условиях малооблачной погоды в первой декаде августа 1979 года /129-130/.
В лесостепной зоне в отличие от южной тайги Западной Сибири выделяются в основном два контрастных типа подстилающей поверхности: лес и сельскохозяйственные поля. Естественных лугов здесь мало, а лесные участки представлены преимущественно березовыми колками. Ниже, в качестве иллюстрации, рассмотрены микроклиматы кол-кового леса и клеверного поля в районе Заводоуковска Тюменской области за период с 15 июля по II августа 1981 г. ( табл. 29 ). где Т - температура воздуха, d - дефицит влажности, v - скорость ветра. Из таблицы 29 видно , что температура воздуха на верхней границе колкового леса и над клеверным полем ( высота 2 м ) за дневные часы 6-20 часов составляет в среднем 21,1. Различия в величинах других метеорологических факторов,в основном,невелики. Характерно, что дефицит влажности воздуха ( сі , мбар ) над кле верным полем во все дневные часы систематически превышает верхние значения дефицита влажности колкового леса, а скорость ветра, V , наоборот, над колковым лесом больше, чем над полем.1 Это обстоятельство дает основание предположить, что на границе между колковым лесом и полем, поступающий с поля теплый воздух увеличивает дефицит влажности воздуха между листьями и воздухом; В результате, на наветренной гранще колка увеличивается величина испарения и запасы влаги в почве уменьшаются быстрее, чем в его центральной части ( краевой эффект ).
Влияние неоднородности подстилающей поверхности на формирования суілмарного испарения
Расчеты испарения с поверхности суши Западной Сибири проводились методом водного баланса речных водосборов или с помощью уравнения связи элементов водного и теплового балансов. За последние 20 лет появились карты норм испарения для территории Западной Сибири. Особенно интересны работы В.В.Орловой /101/, Н.Н.Дрейер /54/, Е.И.Куприяновой /77/, В.С.Мезенцева и И.ВІКар-нацевича /86/, Г.А.Плиткина /108/. В отличие от указанных работ, нами вычислена средиємноголетняя норма суммарного испарения в пределах таежной и лесостепной зоны Западной Сибири ( за период май - сентябрь ) с учетом данных экспериментальных теплобалансовых измерений и основных типов подстилающей поверхности. Расчеты средиємноголетних месячных сумм испаренияУповЙсности суши проводились по следующей схеме: I. Лесные территории.
Средняя месячная сумма испарения ( Е-ь ) за летний период в условиях южной тайги и лесостепи ( в пределах Тюменской области, где проводились теплобалансовые измерения ) рассчитывалась по формуле /3,с,87/: где t - средняя суточная сумма испарения при ясной погоде или при переменной облачности, Е2 - средняя суточная сумма испарения при пасмурном небе, п, число пасмурных дней за месяц. Для других районов таежной ( Ханты-Мансийский автіокр.Томская обл. ) или лесостепной ( Курганская, Омская, Новосибирская обл. ) зоны величина Еь получена следующим образом: I) по формуле 12 ( см. 2.3, ), используя месячные суммы радиационного баланса, ( tfL ) болот /17/ и лугов /5,143-144/, определялись величины RL для хвойных и лиственных лесов; 2) по отношению IE/ R , полученному в результате проведения теплобалансовых наблюдений в средней тайге /62/, в южной тайге /1-2,7,129/ и лесостепной зоне /3/, была вычислена величина суммарного испарения ( EL ) для летних месяцев ( УІ-УШ ). При пространственном распределении рассчитанных величин EL учитывались разности в испарении между лесными и болотно-луговыми геосистемами, которые получены наземными и самолетными измерениями ( см. табл. 28 ). Согласно Ю;Л.Раунеру /127// в таежной и лесостепной зонах ETC величина L для леса в мае и сентябре составляет соответственно 15 и % от годовой нормы испарения, лесопокрытой территории; Кроме того, по результатам многолетних ( 1955-1973 гг. ) ис- следований С.Ф.Федорова /151/ на Валдае, испарение леса в мае оказалось на 10$ меньше, чем поля. Однако, как указьшает Ю.Л.Рау нер /127-128/, для районов к востоку от Урала, в связи с некоторым сокращением периода вегетации лесной растительности, месячные нормы испарения в весенние ( апрель-май) и осенние (сентябрь-октябрь) месяцы должны быть несколько меньше. Испарение леса в таежной зоне для указанных месяцев ( особенно в мае ) нами было принято на 5-7$ меньше, чем EL с лесов ETC, от годовой нормы испарений; лесопокрытых территорий Западной Сибири.С см. рис. 16 ). Следует отметить, что указанная карта составлена рассчетным путем, согласно гидроклиматической модели Ю.Л.Раунера /128/. В основе модели лежит зависимость между соответствующим переходным коэффициентом р Е и радиационным индексом сухости 3R tхарактеризующим общие радиационные условия и характер увлажнения: причем, J3E =: Ел/Ен » 3 = К /4Х , где л - испарение леса, Еи - норма испарения со всей поверхности бассейна, определяемая по разности "норма осадков минус норма стока"; R - радиационный баланс увлажненной территории, X осадки, фикция jf ( 3R ) представлена в табличном виде
