УДК 551.584.3
СВЯЗЬ ДИНАМИКИ АЛЬБЕДО И ТЕМПЕРАТУРЫ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ С ИЗМЕНЕНИЕМ ФАКТОРОВ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ ЮГА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
Н. Н. Безуглова, с. н. с., к. ф.-м. н.,
bezuglovan@gmail.com,
Г. С. Зинченко, с. н. с.,
zings@iwep.ru,
А. В. Пузанов, зам. директора по НР,
д. б. н., проф.,
puzanov@iwep.ru,
К. Ю. Суковатов, м. н. с., к. ф.-м. н., skonstantiny@gmail.com Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения РАН, Россия
Выполнен анализ динамики многолетних рядов (1979—2013 гг.) температуры подстилающей поверхности и альбедо территории сухо-степной подзоны Западной Сибири (координатная область 51—53 N и 76—80 E) для мая—июня (первая половина летнего сезона) и июля— августа (вторая половина).
Показано, что изменения температуры подстилающей поверхности в первой и второй половинах летних сезонов за анализируемый 35-летний период происходили, практически, однонаправлено, тогда как кривые изменения альбедо в мае—июне и июле—августе находятся скорее в противофазе: коэффициенты корреляции исследуемых временных рядов для первой и второй половины летнего сезона составили R = -0,57 и R = 0,67 соответственно.
Из анализа составляющих теплового баланса следует, что при увеличении альбедо в июле—августе повышение температуры подстилающей поверхности обеспечивается за счет снижения эвапот-ранспирации и доли энергии, затрачиваемой на прогрев воздуха и значительного уменьшения тепловых потоков в почву.
Совместный анализ рядов температуры подстилающей поверхности и альбедо показал, что в первой половине летних сезонов на исследуемой территории преобладало радиационное регулирование температуры подстилающей поверхности, а во второй — эвапотран-спирационное в сочетании с аэродинамическим.
The analysis of the dynamics of surface temperature and albedo long-term series (1979—2013) of the Western Siberia dry steppe subzone (51—53 N 76—80 E) for May—June (the first half of the summer season) and July—August (the second half of the summer season) was made.
The paper shows that changes in surface temperature during both parts of summer seasons for the period under study were practically unidirectional, whereas the albedo changes in May—June and July—August were rather in opposition. The correlation coefficients of the time series under study for the first and second halves of the summer season are R = -0,57 and R = 0,67 respectively.
In July—August there is an increase in surface temperature with increasing albedo. The analysis of some components of the heat balance showed that in the second part of the summer season we observe reducing evapotranspiration, as well as the proportion of energy used for heating air, and a significant reduction in ground heat flow.
Joint analysis of the surface temperature and albedo time series showed that in May—June in the area under study the radiation temperature control factor predominated, while in July—August the evapotranspiration temperature control factor combined with aerodynamic one prevailed.
Ключевые слова: альбедо, тепловой баланс, температура подстилающей поверхности, факторы терморегуляции, аридные территории Западной Сибири.
Keywords: albedo, heat balance, underlying surface temperature, temperature control factors, arid territory of Western Siberia.
Введение. Климатическое опустынивание — результат взаимодействия изменений климата и засушливых земель, характеризующийся (во временном масштабе п*10 лет): а) обратимой утратой части растительного потенциала земель и б) деградацией растительного потенциала с низкой способностью его восстановления.
Засушливые земли — это аридные, семи-аридные и сухие субгумидные районы, в которых коэффициент увлажнения (отношение средней годовой суммы осадков к потенциальной эвапотранспирации по Торнтвейту [1]) колеблется от 0,05 до 0,65 [2]. На засушливых землях наблюдаются три основных фактора регулирования температуры подстилающей поверхности [3]:
1. Радиационное регулирование: если альбедо поверхности увеличивается, то поглощенная поверхностью радиационная энергия уменьшается, вызывая уменьшение температуры поверхности, и наоборот.
2. Эвапотранспирационное регулирование: если альбедо поверхности увеличивается, что часто бывает при угнетении и изреживании растительного покрова в период длительного дефицита осадков или при антропогенном воздействии, величина эвапотранспирации уменьшается и соответственно повышается температура поверхности, и наоборот. Эвапо-транспирационное регулирование температуры поверхности тесно связано с аэродинамическим регулированием через параметр шероховатости.
3. Аэродинамическое регулирование: если плотность низкого растительного покрова (травостой, кустарники) уменьшается, то поверхность становится ровнее (снижается параметр шероховатости), уменьшается передача поверх-
Рис. 1. Временной ход температуры подстилающей поверхности для сухостепной подзоны в мае—июне (черная сплошная), июле—августе (серая) и их полиномиальные тренды
ностью атмосфере вертикального турбулентного потока тепла и влаги, что повышает температуру поверхности в дневные часы.
Неоднозначность влияния теплового баланса, в частности, типа регулирования температуры подстилающей поверхности на параметры (температуру, влажность, альбедо и т. п.) засушливых земель является одним из важных аспектов динамики климатического опустынивания региональной климатической системы.
Исследование факторов терморегулирования верхнего слоя почвы позволяет выявить обратные связи, влияющие по-разному на опустынивание территорий [4, 5].
Установлено, что радиационный фактор начинает преобладать в условиях деградации растительного покрова (антропогенной или природной), в результате которой альбедо возрастает, а температура подстилающей поверхности понижается (отрицательная корреляция) [6].
При исследовании пространственного и сезонного изменения типов регулирования температуры подстилающей поверхности в зависимости от изменения ее альбедо, вызванного изменением фитомассы и антропогенным опустыниванием, рядом авторов [4, 7] установлено, что факторы терморегулирования соответствуют зональному распределению растительности.
Кроме того, исследования показали, что тип регулирования температуры для одной и той же территории может меняться в течение одного сезона, так как изменение увлажнения подстилающей поверхности ведет к изменению ее температуры и альбедо. В свою очередь, соотношение температуры и осадков для одной и той же территории, меняясь в течение летнего сезона, обусловливает изменение индекса засушливости данной территории [8].
Цель данной работы — анализ временной динамики температуры и альбедо подстилаю-
щей поверхности сухостепной природно-климатической подзоны Западной Сибири для установления преобладающих типов терморегулирования исследуемой территории в летний сезон.
Данные и методы. В работе использовались данные о температуре поверхности почвы, альбедо, эвапотранспирации, тепловых потоках (потоки тепла в почву, поток скрытого тепла), размещенные на портале DICCE, созданного в NASA, с разрешением 2/3 градуса по долготе и 1/2 градуса по широте, характеризующие месячное количество анализируемых параметров.
К анализу были привлечены данные летних сезонов (май—август) за 1979—2013 гг. При этом сезоны были разделены на два периода, примерно соответствующих естественно-синоптическим сезонам (ЕСС) первой и второй половины лета [9]: май—июнь и июль—август. Внутри указанных ЕСС наблюдаются, как правило, однородные циркуляционные условия, ответственные за формирование характера погоды.
Для определения типа терморегулирования исследуемой территории проведен с использованием статистических методов (корреляционного анализа, построения полиномиальных трендов) совместный анализ временных рядов температуры подстилающей поверхности и альбедо.
Результаты и обсуждение. Особенности соотношения между альбедо и температурой подстилающей поверхности рассматривались для территории сухостепной подзоны Западной Сибири, ограниченной координатами 51—53 N и 76—80 E.
На рис. 1, 2 представлен временной ход температуры подстилающей поверхности и альбедо исследуемой территории в мае—июне и
июле—августе и их сглаженные с помощью полинома 6-й степени кривые.
Анализ сглаженных кривых показал, что изменения температуры подстилающей поверхности в первой и второй половинах летних сезонов за анализируемый 35-летний период происходили, практически, однонаправлено (рис. 1).
При этом кривые изменения альбедо в мае— июне и июле—августе находятся скорее в про-тивофазе (рис. 2). Поэтому можно предполо-
жить, что типы терморегулирования внутри летних сезонов менялись.
Для определения типов терморегуляции выполнен совместный анализ кривых альбедо и температуры подстилающей поверхности для мая—июня и июля—августа (рис. 3, а, б).
Качественный (визуальный) анализ графиков показывает, что температура подстилающей поверхности и альбедо первой половины лета в течение всего анализируемого периода находились скорее в противофазе: корреляция
0,159
1975
1980
1985
1990
1995 б)
2000
2005 2010 2015 Годы
Рис. 3. Временной ход температуры поверхности почвы (сплошная черная), альбедо (серая) и их сглаженных кривых (температура почвы — пунктир, альбедо — сплошная тонкая) для территории сухой степи. а) Май—июнь, б) июль—август. 1979—2013 гг.
Таблица
Средние величины некоторых характеристик теплового баланса для территории сухостепной подзоны юга Западной Сибири, 1979—2013 гг.
Месяцы Альбедо (б.в.) Температура поверхности почвы [°С] Эвапотранспирация (кг/м2 - с) Поток тепла в почву (Вт/м2) Поток скрытого тепла [^/ш2]
V—VI 0,154 19 2,65-10-5 15,8 53
VII—VIII 0,159 23 2,28-10-5 4,9 49
исследуемых временных рядов — отрицательная (И = -0,57, уровень значимости р = 0,05). Это говорит о том, что в первой половине летнего сезона на исследуемой территории преобладало радиационное регулирование температуры подстилающей поверхности.
В июле—августе наблюдаются практически синхронные колебания в р
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.