УДК 551.525.4:551.583.13(470.311)
Температура почвы и грунта в Москве и ее современные изменения
И. А. Корнева*, М. А. Локощенго*
Приведены результаты непрерывных ежедневных измерений температуры грунта на глубине до 320 см в МГУ под естественным покровом и на специальном участке под оголенной поверхностью за период с 1955 по 2013 г. Выявлено статистически достоверное потепление грунта как в Москве, так и в сельской местности (на примере станции Подмосковная) на всех уровнях за последние шесть десятилетий, причем под оголенной поверхностью в МГУ оно происходило существенно быстрее (со средней скоростью 0,04°С/ год), нежели под естественным покровом в обоих местах (0,02°С/год). Получены статистически значимые связи среднегодовой температуры грунта с температурой воздуха и высотой снежного покрова (на участке под естественным покровом). В ходе проведенных экспериментов обнаружены значительные микроклиматические различия (до 1,3°С на разных горизонтах) в температурном режиме грунта на расстоянии 50 м, связанные с разной освещенностью отдельных участков и возможным отепляющим влиянием в крупном городе подземных коммуникаций. Температура грунта в среднем за год под естественным покровом остается почти постоянной с глубиной (до уровня 320 см).
Ключевые слова: температура грунта, изменения климата, вытяжные почвенно-глубин-ные термометры, городской остров тепла.
1. Введение
Современное потепление климата, отмечающееся на большей части земного шара, исследуется в основном по данным о температуре воздуха Т на высоте 2 м над подстилающей поверхностью. Как известно, наиболее интенсивное повышение температуры воздуха происходило в последние десятилетия, особенно в крупных городах ([16, 19] и др.). Для более полного исследования происходящих изменений климата необходим также анализ других климатических показателей, включая температуру поверхности почвы и грунта на разной глубине. Помимо научного значения данные о динамике температуры почвы и грунта важны и для решения многих прикладных задач (сельское хозяйство, строительство и т. д.).
В связи с прикладной значимостью изменчивость температуры почвы и грунта Тг в XX в. и в начале XXI в. в России исследуется в основном для территорий, покрытых вечной мерзлотой [3, 10, 11, 20]. Так, устойчивое потепление грунтов на глубине 1,6 и 10 м отмечено на севере Европейской России, в Сибири и на Дальнем Востоке со скоростью от 0,008 до 0,060°С/год за период 1961—2005 гг. [10]. Работ по изучению температурного режима почв и грунтов
* Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова; e-mail: loko@geogr.msu.su.
в Центральной России крайне мало. Так, например, в [15] рассмотрены изменения температуры грунта только для одной станции Центрального региона — Костромы, где ее повышение на глубине 1,6 м составило в среднем 0,019°С/год. Вероятно, аналогичное потепление (возможно, даже более быстрое) происходит и в Московском регионе. В связи с этим целью данной работы явились анализ многолетних изменений температуры на разной глубине почвы и грунта в Москве (по данным Метеорологической обсерватории МГУ — МО МГУ) и выявление их микроклиматических различий в сравнении условий естественного покрова и оголенной поверхности. Интересным аспектом в рамках общей задачи явилось также сравнение многолетней динамики температуры почвы и грунта в крупном городе (Москва) с ее фоновыми изменениями в сельской местности.
2. Измерения температуры почвы и грунта
Регулярные измерения температуры почвы и грунта Тг проводят в России с конца XIX в. [1, 2], самые первые результаты в справочных изданиях приведены за 1890-е годы [13]. Так, в Московском регионе на старейшей ныне действующей станции Обсерватория им. Михельсона (бывшая ТСХА) такие измерения были начаты в 1898 г., а на станции Никольское-Горушки — в 1894 г. с применением еще термометров в деревянной оправе [13].
В настоящее время на сети метеорологических станций используют традиционные методы измерений температуры почвы и грунта. Прежде всего в стандартные метеорологические сроки измеряют срочную и максимальную температуру поверхности с помощью ртутных термометров и минимальную — с помощью спиртового термометра. Кроме того, в верхнем пахотном слое в теплое время года проводят измерения температуры на глубине 5, 10, 15 и 20 см с помощью коленчатых ртутных термометров Савинова [9].
На более глубоких горизонтах (начиная с 20 см) используют вытяжные почвенно-глубинные термометры ТПВ-50. В отличие от савиновских эти термометры оснащены защитной трубкой для уменьшения теплопередачи по вертикали, а также медными или латунными опилками вокруг резервуара для увеличения их инерции [12]. В настоящее время материалом трубок служит как эбонит (рис. 1в), так и полиэтилен низкого давления (ПНД, рис. 1г). Погрешность измерения температуры с помощью термометров ТМ-10 в диапазоне от 0 до 40°С составляет ±0,2°С, а в диапазоне отрицательных значений температуры от 0 до -20°С: ±0,3°С [12]. Другие приборы для измерения температуры почвы и грунта (например, термометры сопротивления) пока не нашли широкого и повсеместного применения.
В Метеорологической обсерватории МГУ с 1954 г. ведут непрерывные наблюдения за температурой поверхности почвы и грунта на двенадцати горизонтах (включая поверхность) от 0 до 320 см. Отсчеты по вытяжным термометрам производят в дневной срок раз в сутки, кроме горизонтов 20 и 40 см, на которых измерения осуществляют в стандартные метеорологические сроки (восемь раз в сутки на участке под естественным покровом и четыре раза — на участке с оголенной поверхностью). В теплое время года так бывает всегда, однако при значительной высоте снежного покрова (более 15 см при его увеличении в начале зимы и более 5 см при сходе весной) наблюдения по всем восьми вытяжным термометрам производят только раз в сутки. Заметим, что до 1966 г. наблюде-
Рис. 1. Измерения температуры почвы и грунта в МГУ
а) спутниковый снимок территории Метеорологической обсерватории МГУ (1 — здание обсерватории; 2 — участок с оголенной поверхностью; 3 — участок под естественной поверхностью с 1955 по 1964 г.; 4 — участок под естественной поверхностью с 1965 г. по настоящее время); б) синхронные измерения на глубине 160 см под естественным покровом; в, г) термометры ТПВ-50 в футлярах из эбонита (в) и ПНД (г); д, е) участок с оголенной поверхностью зимой (д) и летом (е).
ния за температурой почвы и грунта проводили на станциях четыре раза в сутки на трех горизонтах — не только на глубине 20 и 40 см, но и на горизонте 60 см.
Измерения температуры почвы и грунта в слое 20—320 см осуществляют в МГУ одновременно на двух участках: на стандартном участке под естественным покровом (рис. 1б) и на дополнительном участке с оголенной поверхностью (рис. 1д, е). Участок с оголенной поверхностью размером 12 х 20 м не предусмотрен Наставлениями ни Госкомгидромета СССР [9] в прошлом, ни Росгидромета ныне и является долгосрочным научным экспериментом, начатым еще в 1954 г., со времени основания Метеорологической обсерватории МГУ Температурный режим здесь воспроизводит условия городских поверх-
ностей, очищаемых зимой от снега: тротуаров, дорожных покрытий и т. п. Ныне участки с оголенной поверхностью, насколько известно авторам, используют в измерениях лишь на двух метеостанциях России: в МГУ и на станции Иркутск ОГМС. Сведения о нескольких подобных участках, организованных в XIX в., содержатся в работе [2]. Данные о Тг в МГУ на всех глубинах (до 320 см) в среднем за период 1955—1965 гг. приведены в [4], за период 1977—2000 гг. — в [14], только в пахотном слое до 20 см за период 1966—1980 гг. — в [5]. Предварительные результаты нашего анализа данных о температуре почвы и грунта за весь период 1955—2012 гг. опубликованы в работах [6, 7, 17, 18].
3. Исследование микроклиматических различий температуры почвы и грунта в МГУ
Как сказано выше, регулярные измерения температуры почвы и грунта в Метеорологической обсерватории МГУ были начаты в 1954 г. одновременно на двух участках: под естественной и под оголенной поверхностью. Вплоть до настоящего времени участок под оголенной поверхностью находится на том же месте. Участок под естественным покровом в 1964 г. был перенесен на 50 м к северо-востоку, однако старая площадка сохранилась (рис. 1а). В период с февраля 2012 г. по октябрь 2013 г. авторами был проведен эксперимент по синхронным одновременным измерениям температуры почвы и грунта на обеих площадках — старой и новой. Задачей эксперимента явилось определение поправочных коэффициентов к результатам измерений на старой площадке в 1954—1964 гг. для получения однородного ряда данных за весь период. Измерения проводили на трех горизонтах (20, 160 и 320 см), всего в течение 20 месяцев было получено 75 серий одновременных отсчетов. Для исключения возможных неточностей в инструментальных поправках термометров ТМ-10 измерения проводили одними и теми же термометрами с их одновременной перестановкой с одной площадки на другую и обратно. В результате в каждой из серий на всех трех горизонтах были получены три пары перекрестных отсчетов — попеременно на каждой из площадок.
Сначала отсчеты производили и на старой, и на новой площадке, после чего термометры меняли местами (переносили с одной площадки на другую) и приблизительно через час (летом — через 40 мин, зимой — через 90 мин) Тг измеряли в обоих местах повторно. Столь долгая выдержка обеспечивала установление показаний термометров в новых местах с учетом их большой инерции. В то же время Тг на большой глубине меняется медленно, и в среднем даже за полтора часа возможные изменения значений находятся в пределах точности их измерений. Затем термометры возвращали обратно на свои исходные места и спустя еще час синхронные отсчеты брали для контроля в третий раз.
Оказалось, что значения Тг на старой и новой площадках значительно различаются, причем на глубине 20 см их разность на обеих площадках даже меняет знак в зависимости от сезона. В холодный сезон Тг на старой площадке практически всегда была больше, чем на новой, в среднем на 0,3°С. В т
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.