книги из ГПНТБ / Будыко, М. И. Изменения климата

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.

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-

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-

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

.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;

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.

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

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

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.