Общая_климатологияКн1

граммы. Дата, полученная таким образом, является средней датой устойчивого перехода температуры через заданный предел. Крайней датой перехода температуры через этот предел будет самая ранняя за весь имеющийся период наблюдений дата, когда температура оказалась впервые ниже (выше) предела.

Важными характеристиками температурного режима, получаемыми в результате обработки рядов наблюдений за минимальной температурой, являются даты первого мороза осенью и последнего мороза весной. Даты первого и последнего мороза устанавливаются по показаниям минимального термометра в психрометрической будке. Если те же даты установлены по показаниям минимального термометра на почве, то они называются датами заморозка. По датам первого и последнего мороза определяют продолжительность безморозного периода. Если безморозный период наблюдается не ежегодно, то все его характеристики вычисляют без учета лет, в которые морозного периода не было. В случаях, когда безморозный период отсутствовал более чем в половине всех лет, составляющих период обработки, климатические характеристики безморозного периода не вычисляются.

Осадки

Атмосферные осадки так же, как и температура воздуха, относятся к одной из наиболее важных расчетных метеорологических величин, характеризуя режим увлажнения суши и его интенсивность. Осадки формируют и наиболее распространенные в настоящее время катастрофические явления, такие как наводнения, подтопления, заболачивания, а их долгое отсутствие, особенно при высоких температурах и в аридном климате, приводит к засухам, что также является стихийным бедствием. Осадки, как и температура воздуха, представляются большим числом климатических показателей. При обработке рассматриваются следующие климатические характеристики осадков: количество, продолжительность, интенсивность, вид осадков (твердые, жидкие, смешанные), наличие или отсутствие осадков в виде числа дней (в этом случае осадки рассматриваются как явление). В зависимости от вида регистрирующего прибора: плювиограф или осадкомер, осадки обобщаются за разные интервалы времени. Измерения по плювио-

300

графу предназначены для определения интенсивности осадков, т. е. сумм осадков за короткие интервалы времени, и выражаются в мм/мин или мм/час. Осадкомер же позволяет измерять суммарные выпавшие осадки, начиная с суточного интервала времени. Поэтому регистрируемые по осадкомеру осадки представлены в виде обобщений за сутки, пентаду, декаду, месяц, сезон, год. Максимальные в году суточные осадки являются главным фактором определения расчетных максимальных расходов воды дождевого происхождения, а суммы твердых осадков формируют еще одну важную гидрологическую характеристику – слой стока весеннего половодья, который необходимо рассчитывать при проектировании и эксплуатации водохранилищ.

Для осадков, как и для температуры воздуха, также проводится полный комплекс обработки информации с определением расчетных характеристик осадков при аппроксимации эмпирического распределения аналитическим.

В рядах наблюдений за осадками, по крайней мере, два раза произошло крупное массовое нарушение однородности. Первое нарушение относится к 1930-м гг., когда станции переносились на открытое место, репрезентативное для большей части метеорологических величин, но не для осадков, особенно твердых. В 1952– 1954 гг. на сети станций перешли к новому прибору – осадкомеру с защитой Третьякова, который заменил дождемер с защитой Нифера. Первое нарушение устранено методом построения корреляционных графиков на соседних станциях (переносимой и реперной). Для устранения второго нарушения были определены поправки на основании ряда параллельных наблюдений по дождемеру и осадкомеру. Они зависят от вида осадков, типа защищенности местоположения установки прибора, скорости ветра и имеют фи- зико-географическую дифференциацию. Выделено 12 крупных районов, по которым составлены таблицы поправочных коэффициентов. Коэффициенты, тип защищенности и даты замены прибора по каждой станции опубликованы в приложении к разделу «Атмосферные осадки» Справочника по климату. Коэффициенты относятся только к твердым, а смешанные осадки исправляются на половину его значения.

301

Введение осадкомера уменьшило, но не устранило недоучет осадков и поэтому разработано еще несколько видов поправок к измеряемым осадкомером осадкам. Прежде всего – это ветровой коэффициент, зависящий от скорости ветра на уровне приемного отверстия осадкомера и от размера дождевых капель (параметра структуры жидких осадков – доля мелкокапельных дождей с интенсивностью не более 0,03 мм/мин от месячного количества), а для твердых и смешанных осадков – еще и от температуры воздуха. Для периода выпадения твердых осадков умножают ветровой коэффициент на количество снега дефляционного происхождения, проходящего сверху вниз через горизонтальную поверхность на уровне осадкомера, и получают метелевую поправку. Обе эти поправки определяются наименее надежно и вводятся только в случае включения осадков в воднобалансовые расчеты. Во избежание потерь небольшого количества воды, остающейся на стенках дождемерного ведра при выливании осадков в мерный стакан, вводится поправка «на смачивание», которая составляет примерно 0,1– 0,2 мм. Эта поправка в последние годы вводится в данные при первичной обработке наблюдений. За прежние годы ее необходимо вводить в погодичные данные, чтобы сделать ряд однородным. Поправка на смачивание единственная из поправок, которая вводится при климатологической обработке во всех случаях, независимо от решаемой задачи. Установлена еще поправка «на испарение». Она составляет 2–8 %, но в переходные месяцы года, когда температура воздуха уже сравнительно высока, а накладной воронки в осадкомере еще нет, может достигать 15 и даже 20 %. В суммы осадков данную поправку вносят также при балансовых расчетах.

Разделение месячного и годового количества осадков на жидкие, твердые и смешанные проводится в соответствии с установленными ранее для каждого географического района долями их от общей суммы. Доли указаны в «Справочнике по климату СССР». Число дней с осадками не менее 0,1; 0,5; 1,0; 5,0; 10,0; 20,0; 30,0 мм позволяет судить не только о частоте осадков, но и о повторяемости их интенсивности. Прежде чем рассчитывать число дней с осадками, следует ввести поправки на смачивание. Введение этих поправок, существенных для числа дней с осадками не

302

менее 0,1 и 0,5 мм, может заметно изменить соотношение числа дней с осадками различных градаций.

Распределение значений интенсивности в мм/ч можно получить, только обрабатывая плювиограммы. Средняя интенсивность осадков определяется как отношение средней месячной (годовой) суммы осадков к средней месячной продолжительности осадков.

Обработка продолжительности осадков осложняется тем обстоятельством, что до 1959 г. в таблицах ТМ-1 записывалась продолжительность только измеряемых осадков (0,1 мм и более), а позднее осадки фиксировались как явление, и поэтому из таблиц ТМ-1 можно определить только продолжительность явления дождя (при этом отмечались и такие дожди, когда количество осадков было меньше 0,1 мм). Одновременно с указанным изменением был введен и новый способ округления данных о продолжительности до целого часа. С 1959 г. округлялась не итоговая месячная продолжительность осадков, а продолжительность каждого дождя. Объединение данных за период до 1959 г. и после него потребовало корректировки данных на основе сравнения по опорным станциям продолжительности осадков, определенной разными способами за 5 лет, предшествующих 1959 г.

Кроме продолжительности осадков определяется продолжительность бездождного периода в днях. Днем без дождя в теплую половину года считают тот день, когда суточное количество осадков было менее 0,1 мм, в холодную – день с количеством осадков за сутки 0,0 мм. Если бездождный период начался в одном месяце, а закончился в другом, весь период относится к тому месяцу, в который входит большая часть этого периода.

Температура почвы

Климатические характеристики температуры почвы в целом аналогичны таковым по температуре воздуха. Главные отличия методики их расчета от методики расчета характеристик воздуха заключаются в использовании более коротких рядов, исключении

внекоторых случаях из обработки данных за холодное полугодие,

впривязке к типу почвы, на которой ведутся наблюдения. Использование сравнительно коротких рядов объясняется тем, что методика наблюдений за температурой почвы несколько раз менялась

303

коренным образом и в ранние годы была ненадежной. Принято считать, что началом доброкачественных наблюдений является 1947 г, с данных за который и начинают обычно обработку. Вид почвы обычно отмечают непосредственно в таблицах климатических характеристик. Используются следующие стандартные наименования: суглинистая, супесчаная и другие.

Зимой почва замерзает, и наблюдения по коленчатым термометрам не проводятся. Естественно, что за этот период года климатические характеристики почвы на глубинах 5, 10, 15, 20 см не вычисляются. На глубинах расположения вытяжных термометров 0,4; 0,8; 1,6 и 3,2 м температура почвы определяется в течение всего года. Для этих глубин вычисляется среднее число дней, в течение которых в данном месяце и за год наблюдается температура почвы не выше 0°С.

Важное практическое использование находят сведения о глубине проникновения температуры 0°С в почву. Глубина, на которой наблюдается 0°С, определяется за каждый год методом интерполяции. Из ряда таких глубин находится среднее, а также наибольшее и наименьшее ее значения. Глубина проникновения температуры 0°С в почву позволяет судить о толщине промерзаемого слоя почвы, хотя она обычно бывает несколько больше глубины промерзания почвы. Дело в том, что вода, содержащаяся в почве, в большинстве случаев замерзает при температуре ниже 0°С в зависимости от концентрации солей в почвенной влаге и размеров почвенных капилляров.

При обработке данных наблюдений по вытяжным термометрам следует помнить, что по ряду станций в 1970-е годы вытяжные термометры были заменены на термометры сопротивления М-54. Проработав некоторое время, термометры сопротивления вышли из строя, и на всей сети станций вновь были установлены вытяжные термометры. Данные за период работы М-54 следует исключать из исходного ряда.

Ветер

В отличие от других метеорологических характеристик ветер является векторной величиной и характеризуется как направлением, так и скоростью. Поэтому климатологическую обработку ветра

304

можно вести двумя способами: обрабатывать раздельно каждую из его составляющих или рассматривать скорость и направление совместно. Большая часть характеристик ветра получена первым способом. В качестве базовых характеристик скорости вычисляются средняя месячная скорость ветра, коэффициенты вариации и асимметрии для суток в целом и по срокам, месячный и годовой максимумы скорости, повторяемость различных градаций скорости ветра, а также число дней со скоростью ветра, равной или превышающей заданное значение. Направление ветра характеризуется повторяемостью различных румбов как по каждому из сроков, так и для всех сроков вместе. Климатическими характеристиками ветра как вектора служат модуль среднего вектора скорости ветра, который вычисляют только для решения прикладных задач, и повторяемость различных сочетаний скорости и направления ветра.

Особенностью климатической обработки направления ветра является очень сильная зависимость от местоположения метеорологической площадки и прибора, особенно при измерении по флюгеру. Поэтому следует до начала обработки составить розу открытости станции по горизонту, пользуясь классификацией степени открытости и условными обозначениями, введенными В.Ю. Милевским. Для каждого из восьми румбов, согласно данной классификации, проставляется соответствующий класс закрытости. Повторяемость различных направлений ветра вычисляют для каждого из восьми румбов и выражают в процентах к общему числу случаев, когда отмечался ветер. При измерении по флюгеру штили в это число не включают. Их вычисляют отдельно и выражают в процентах от общего числа наблюдений. Такая особенность обработки направления ветра связана с сильной зависимостью повторяемости штилей от качества установки флюгера и ухода за ним. Близость высоких деревьев, зданий и плохая смазка флюгера могут привести к резкому увеличению числа штилей. При регистрации по анемометру необходимость в выделении штилей при обработке направления ветра отпадет. Разница в сроках наблюдений заметно сказывается на рядах данных по направлению ветра. В районах, где хорошо выражен суточный ход ветра (особенно при бризах и горно-долинных ветрах), это вносит неод-

305

нородность в ряды данных, и поэтому в таких районах объединять ряды четырех- и восьмисрочных наблюдений не следует.

Рассчитывая характеристики скорости ветра, прежде всего, следует считаться с имеющейся на всех станциях неоднородностью рядов за счет изменения приборов и методики наблюдения. Интервал осреднения флюгера составляет всего 2 мин, а анеморумбометр М-63М дает 10-минутный интервал осреднения. Различия в скоростях ветра, определенных по флюгеру и анеморумбометру, связаны еще и с тем, что большие скорости флюгером завышаются вследствие нелинейности его шкалы. Поэтому ежедневные данные о скоростях ветра, измеренных флюгером, начиная с 10 м/с, умножаются на коэффициент 0,88. Исправление ежедневных флюгерных данных необходимо при расчетах максимальных скоростей ветра и повторяемости скоростей. Средняя скорость ветра может рассчитываться без введения поправок, если она не превышает 7 м/с.

Основными климатическими показателями скорости ветра служат: средняя скорость, среднее квадратическое отклонение, коэффициенты вариации, асимметрии, а также повторяемость различных градаций скорости ветра, среднее число дней с большими скоростями ветра, максимальная скорость ветра (наблюденный максимум и расчетные максимумы различной вероятности), повторяемость коэффициентов порывистости при различных скоростях ветра.

Среднюю скорость ветра следует считать по ряду данных, начинающемуся с 1936 г. До этого года средние скорости ветра занижены из-за отсутствия ночного срока, когда обычно наблюдается слабый ветер. Среднее квадратическое отклонение, коэффициент вариации средней суточной скорости ветра также рассчитываются, начиная с 1936 г. Для расчета повторяемости обычно принимаются неравные градации: 0,1, 2–3, 4–5, 6–7, ..., 16–17, 18–21, 22–24, 25–28, 29–34, 35–40, 40–45, ... . Такие градации выбраны с учетом точности наблюдений, обеспечиваемой флюгером. Скорость ветра относится к тем немногим метеорологическим величинам, повторяемость значений которой целесообразно вычислять непосредственным подсчетом по ежедневным данным.

306

Максимумы, рассчитанные по четырехсрочным наблюдениям, следует увеличивать на 10–15 %. Наряду с расчетными максимумами скорости ветра определяют наблюденный максимум ветра, который чаще всего соответствует расчетной скорости ветра, возможной один раз в 25 лет. Режим максимальных скоростей ветра характеризует также число дней с сильным ветром. Принято определять число дней со скоростью ветра более 15 м/с. Такая характеристика приводится в климатических справочниках. Днем с максимальной скоростью ветра называется день, когда скорость более 15 м/с наблюдалась хотя бы один раз в срок наблюдений или между сроками. Не рекомендуется вычислять эту характеристику по ряду, в котором соединены флюгерные и анемометрические данные, так как при переходе от флюгера к анемометру изменился способ фиксации сильного ветра между сроками наблюдений.

Еще одной важной характеристикой скорости ветра является коэффициент порывистости, вычисляемый совместно со скоростью ветра, при которой он наблюдается. Коэффициентом порывистости называется отношение скорости ветра в порыве за 10минутный интервал к средней скорости за тот же интервал. Рассчитать такой коэффициент можно только за период анемометрических наблюдений. Исходные данные для расчетов надо извлекать даже не из таблиц ТМ-1, а из самих первичных записей наблюдений, книжек КМ-1. По совокупности синхронных данных о порывах и скоростях ветра в срок наблюдения составляется двумерное распределение коэффициентов порывистости и скорости ветра. Градации коэффициента порывистости обычно задают равными 0,5 в границах 0,0–0,5; 0,5–1,0 и т. д.; градации скорости ветра: 0–5; 6–9; 10–13; 14–17; 18–21 и т. д.

При совместной обработке скорости и направления ветра иногда вычисляют модуль и направление среднего вектора скорости ветра, а также повторяемость векторов ветра, представляемую в виде двумерной таблицы повторяемости различных градаций скорости и направления ветра. Характеристики среднего вектора ветра получают, осредняя индивидуальные векторы ветра за каждый срок наблюдения.

307

Атмосферное давление

Обработка данных атмосферного давления во многих отношениях аналогична обработке данных температуры воздуха, однако имеет и существенные особенности. Суточный ход атмосферного давления хотя и существует, но очень слабо выражен. Вследствие этого можно:

-объединять трех-, четырех- и восьмисрочные наблюдения, не вводя никаких поправок;

-не вычислять значения за каждый срок, а ограничиться расчетом характеристик средних суточных значений давления;

-выбирать только два экстремальных значения, максимальное и минимальное (а не шесть, как для температуры воздуха).

Важной особенностью обработки давления является необходимость приводить значения давления при осреднении ежегодных данных к одной высоте барометра, т. к. на протяжении многолетних наблюдений высота барометра обычно изменялась много раз. Поэтому подготавливаемый для обработки ряд погодичных данных должен иметь параллельный ряд исторических сведений о состоянии барометра. Данные барометра за различные отрезки времени, в течение которых высота барометра не менялась, приводятся к единой, последней высоте. Приведение облегчается, если, выполнив эту операцию по одному году и построив график связи давления на двух разных высотах (по 12 точкам, соответствующим данным за 12 месяцев), в дальнейшем пользоваться этим графиком для других лет. Среднее многолетнее значение давления, рассчитанное на уровне станции, приводится аналогичным образом и к уровню моря. Характеристики структуры атмосферного давления вычисляются только на уровне станции.

Влажность

Климатические характеристики влажности (парциального давления, относительной влажности, дефицита насыщения) аналогичны характеристикам температуры воздуха и вычисляются примерно также. Ряды, по которым рассчитываются характеристики влажности месячного разрешения, обычно начинаются с 1936 года. Это избавляет от необходимости вводить поправки к данным, полученным по трехсрочным наблюдениям. Без введения попра-

308

вок объединение данных этих наблюдений с данными четырех- и восьмисрочных наблюдений приводит к значительной неоднородности рядов, устранять которую трудно, а главное, нецелесообразно. Хотя изменения влажности вообще следуют за изменениями температуры воздуха, но вековые изменения влажности и циклические колебания выражены слабее. Кроме того, ряды влажности являются как бы производными от температуры воздуха и почвы и поэтому редко исследуются самостоятельно при изучении изменения и колебаний климата.

Исходным данным для расчета влажности свойственны довольно значительные ошибки наблюдений. В зимнее время при отрицательных температурах воздуха единственным прибором для измерения влажности является волосной гигрометр, который имеет очень большую инерцию (до суток и даже более). По этой причине для влажности не выполняется полный цикл обработки и расчетов. Чаще всего вычисляют число дней с большими и малыми значениями влажности: среднее число дней с относительной влажностью не более 30 % и не менее 80%. Днем с относительной влажностью не более 30 % называется такой день, когда относительная влажность ни в один из сроков не превышала 30 %. Относительная влажность не менее 80 % должна наблюдаться в срок с наименьшей за сутки влажностью (примерно в 13 ч по среднему солнечному времени).

Снежный покров

Снежный покров наблюдается по установленным стационарно (постоянным) рейкам и с помощью снегосъемок. Информация, полученная этими двумя способами, различается и используется в разных целях. Результаты снегосъемок, прежде всего, необходимы гидрологам, а также проектировщикам при выборе места строительства. Для нагрузочных расчетов и в исследованиях климатических изменений чаще используются данные постоянных реек. Климатические характеристики плотности и запаса воды в снежном покрове обычно определяют по данным снегосъемок, а характеристики высоты снежного покрова – по постоянной рейке и по снегосъемкам; число дней со снежным покровом, даты появления, схода, образования и разрушения снежного покрова, средние

309