Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Методы расчета температуры почвы и закономерности ее пространственно-временного распределения на территории умеренных широт северного полушария

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Методы расчета температуры почвы и закономерности ее пространственно-временного распределения на территории умеренных широт северного полушария"

федеральная служба россии

^ ^ Б ¡й Гидрометеорологии и мониторингу

. - •■". ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Главная геофизическая обсерватория им.А.И.Воейкова

на правах рукописи удк 551.525.4

разова елена николаевна

методы расчета температуры почш и закономерности ее пространственно-временного распределения на территории умеренных широт северного полушария

ii.00.09 - метеорология,климатология,агрометеорология

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

санкт-петербург 1994

Работа выполнена в Главной геофизической обсерватории им.А.И.Воейкова.

Научный руководитель - доктор географических наук

И.Д.Копанев

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор Л.Т.Матвеев .;

- доктор географических наук А.Б.Мещерская

Ведущая организация - Агрофизический институт

Защита диссертации состоится в ^^ часов на заседании Специализированного совета Д.024.Об.01 при Главной геофизической обсерватории им.А.И.Воейкова по адресу: 194018, Санкт-Петербург, ул.Карбышева, 7, ГШ.

С диссертацией нояко ознакомиться в библиотеке Главной геофизической обсерватории им.А.И.?оейкова. ,

Автореферат разослан " Я&" ¡д,

Ученый секретарь

Специализированного совета, '

доктор географических наук,

профессор Н.В.Кобышева

*

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш исследования. Один из важнейших метеорологических параметров - температура почвы в климатологическом плане является наименее изученным. Если для территории России и ближнего зарубежья имеются систематические сведения об уровне и рассеивании месячных и суточных характеристик температуры почвы, то для зарубежной территории такие сведения в масштабе материков или частей материков отсутствуют. Отдельные, малосравнимые данные по тем или иным государствам не позволяют составить целостной картины пространственно-временного распределения климатических характеристик температуры'почвы. Между тем последние необходимы для решения многих проблем в различных областях экономики: в сельском хозяйстве, строительном проектировании, военном деле и некоторые из них входят в важнейшие нормативные документы, например, в СНиП.

Б данной работе сделана попытка ликвидировать данный пробел, составив, насколько это возможно, достаточно полную климатическую характеристику термического режима почвы умеренных широт Северного полушария.

Цель и задачи работы. Основная цель исследования состояла в разработке методики обобщения и пополнения разрозненной климатической информации о температуре почвы, картирования информации по территории уморенных широт Северного полушария и анализа пространственно-временных закономерностей распределения температуры почвы на глубине 0,05 м (под оголенной поверхностью). В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- систематизировать режимную информацию По температуре почвы для зарубежной территории умеренных широт Северного полушария ;

- разработ;1 ь методику расчета статистических характеристик распределен!' . температуры почвы на глубине 0,05 ы (под оголенной поверхностью) различного временного разрешения;

- для освещения слабоизученной территории исследовать связь характеристик температуры почвы и температуры воздуха, которую использовать в дальнейшем для расчета характеристик почвы по характеристикам температуры воздуха;

- ынолнить анализ характера распределения "срочной" температуры почвы на глубине 0,05 и (под оголенной поверхностью) в различных районах России и ближайшего зарубежья и установить законы распределения, преобладающие в каадом раАтонв;

- построить карты характеристик распределения температуры почвы на глубине 0,05 и (под оголенной поверхность») месячного разрешения на территории умеренных цирот Северного полушария и срочного разрешения ка территории России и ближнего зарубежья.

Научная новизна. Впервые представлена целостная картина распределения климатических характеристик температуры почвы в уиерешшх-широтах Северного полуаария. Построены карты характеристик распределения средней месячной температуры почвы на глубине 0,С5 а (под оголенной поверхностью).

Выполнено районирование равнинной территории России и ближнего зарубежья по характеру'распределения "срочной" температуры почвы ка глубине 0,05 и (под оголенной поверхностью).

Разработана методика расчета максимальной температуры почвы ка глубине 0,05 и (под оголенной поверхностью), измерение которой нигде не производится.

Практическая значимость работы. Проведенные исследования легли в основу раздела "Температура почвы" Атласа гидрометеорологических данных, том П - Европейского /В/ и Северо-Аыерикан-ского регионов.

Построенные карты характеристик температуры почвы па глубина 0,05 и (под оголенной поверхностью) могут использоваться в ряде нормативных документов,в частности,» главах СНиП 2.05.06-85 2.08.01-83, 2.02.02-83.

Апробация работы. По теме диссертации опубликованы 3 работы Основные результаты диссертации докладывались на научньх семинара* Отдела прикладной климатологии и объединенном семинаре Методического отдела и Отдела динамической метеорологии.

Структура а объеи работы. Диссертация состоит из виедокия, четырех глкь, заключения и списка литературы, содержащего 196 наимвног-аний, из них 101 иностранное. . - -

Работа изложена на 141 стр. машинописного текста, иллюстрирована рисунками и 20 таблицами.

Содержание диссертационной.работы. Во введении приводите« эбоснование актуальности исследований, сформулированы цель и задачи работы, ее научная новизна и практическое значение. Да-да краткая характеристика изученности рассматриваемого вопроса.

В первой главе дается оценка исходных материалов по температуре почвы для зарубежной территории.

В отличие от измерений температуры поверхности почвы, измерения на глубине 0,05 м под оголенной поверхностью прсводят-;я регулярно во всех странах Западной Европы (кроне Швеции и Италии) и Канаде. Так как данные о температуре почвы на глуби-

0,05 м не только наиболее многочисленны и регулярны, но и 5олее надежны, они взяты за основу при выполнении данной рабо-си. На зарубежной территории умеренных широт Северного полушария (кроме Румынии) наблюдения температуры почвы на глубине 3,05 м проводятся круглый год, в России и ближнем зарубежье -сольно в теплое время года. Для представления климатических сарактеристик температуры почвы по всей рассматриваемой территории расчеты проводятся для месяцев теплого полугодия.

Анализ почв с точки зрения их механического состава показал, что более 75$ всех почв умеренных широт рассматриваемой территории занимают суглинистые почвы, поэтому основные раэра-5отки проводятся для почв данного механического состава.

Ряды наблюдений за температурой почвы на глубине 0,05-м з разных странах имеют неодинаковую длину. Для получения по шеющимся рядам сравнимых характеристик используется корреля-деонная связь данного элемента с температурой воздуха на уров-ю 2 м. Одновременно оценивается возможность использования . :равнительно коротких рядов по температуре почвы. Для этой цехи выполняется экстраполяция коротких рядов известным регрес-монным методом приведения. Различие между средними месячными гемпературами почвы на глубине 0,05 м фактического и удлинен-юго рядов оценивается с помощью критериев Стьюдента и Фишера.

Вероятностные характеристики по температуре почвы определится разными методами, в зависимости от характера исходного (атериала. На станциях, где есть только средние месячные темпе->атуры почвы на глубине 0,05 м, используются косвенные способы ¡асчета, в частности, средние месячные температуры почвы на

глубине 0,05 м заданной обеспеченности определяются по номограммам, составленным для подобных расчетов по температуре воздуха. Входной характеристикой в номограммы является средняя месячная температура почвы.

Во второй главе представлены методика расчета и оценка точности статистических характеристик температуры ночбы на глубине 0,05.м на территории России и стран ближнего зарубежья различного временного разрешения.

Для определения основных климатических характеристик, отражающих статистическую структуру срочных данных по температуре почвы'на глубине 0,05 м, применяется косвенный способ расчета климатических характеристик объединенной за все сроки совокупности метеорологических данных на основании материала о статистических характеристиках по срокам за период с 1566 по 80 гг.

Дается оценка погрешностей расчета статистических характеристик всей совокупности срочных значений температуры почвы на глубине 0,05 ы, связанных с длиной обрабатываемого периода.

Сравниваются значения средней месячной температуры почвы на глубине 0,05 м, рассчитанные за два различных периода. Пари-од с 1947 по 1960 гг'. положен в основу "Справочника по климату СССР", период с 1947 по 1980 гг. использовался при составлении "Научно-прикладного справочника СССР". Проведенный анализ пока-'ываон, что расхождение средних месячных температур почш на Iтубине 0,05 м, рассчитанных за различные периоды, в 76% случаев но превышает + 0,6°С. Следовательно, учет данных за последние ЕО лет не приводит к существенному изыонекиа карт географического распределения температуры почвы." Такие карты температуры почвы на глубине 0,05 и под ч&ршы паром были построены Е.П.Архиповой для "Климатического атласа СССР" (том I).

Они используются й третьей главе данной работы при анализе пространственно-временного распределения сродной месячной температуры почвы в умеренных широтах Северного полушария. Для зарубежной территории умеренных пярот карты климатических характеристик температуры почвы на глубина 0,05 и построены впер-кгв при подготовка данной работы. На картах представлены полу-ченпыо расчетные данные средней месячной гсчшо[,ш;урЫ суглинистой почвы на глубине 0,05 и для грех месяцев теплого полугодия:

мая, июля и сентября.

Для восточной части полуострова Лабрадор, для данов частя Великобритании и Скандинавии, западного побережья Пиренейского полуострова и юго-востока Италии карты построены для супесчаной почвы, так кап в этих районах преобладают супесчаные почвы, а станций с суглинистой почвой почти нет. Приводится зависимость средней месячной температуры песчаной и супесчаной почвы от температуры суглинистой почвы 'на глубине 0,05 ы.

Данные карты являются, естественно, схематичными, но они. позволяют установить основное закономерности пространственного распределения средней месячной температуры почвы. Эти закономерности как на территории Севаро-Американского материка, так и па территории Евразии в целом одинаковы. Изолинии имеют широтную направленность з соответствии с распределением прихода коротковолновой радиации< особенно четко выроненную в мае и сентябре. В июле некоторые нарушения в широтное распределение изолиний внооит влияние особенностей подстилающей поверхности. Максимум температуры почвы з сезонном хода на глубина 0,05 и на большинстве станций приходится на паль. Средняя месячная температура почвы в июле на указанной глубине колеблется 02 Ю-120С в Северной Канаде, 14-16° в странах Скандинавии и северных районах России до 24-26°С Везде на юге умеренной зоны Северного полушария (рис.1 и 2).

Карты средних квадратических отклонений средней месячной температуры почвы на глубине 0,05 и построена по тому яв набору исходных данных, что' и карты средних месячных температур почвы. Эти карты можно считать менее схематичными, гак как характеристики изменчивости значительно иеньие, чем характеристики уровня значений температуры почвы меняются по территории.

Так, б месячных температур почвы в мае находятся в пределах от 1.0 до 2.0°С на юге Канады и практически по всей территории Западной Европы, за исключением районов СреднедунайскоЯ низменности, где значения б увеличиваются до 2.5°С. В диапазоне температур от 2.0 до 3.0°С среднее квадратическов отклонение средних месячных температур почвы на глубине 0,05 ы. на территории Канады наблюдается яа Лаврентийском плоскогорье, Внутренних равнинах и низменностях Гудзонова залива, увели-

Рис.1 Средняя месячная температура суглинистой почвы на глубине 0.05м. Июль.

=====] - средняя месячная температура супесчаной почвы на глубине 0.05м.

чиваясь до 3.5°С на Северо-Западных территориях. На больней части России и стран ближнего зарубежья ¿>" в мае меняется в диапазоне 2.0 - 2.5°0, уменьшаясь к югу до 1.0 - 2.0°С.

В июле о" средних месячных значений температуры почвы на глубине 0,05 м меньше, чем в мае, и для большей части территории умеренных широт Северного полушария их значения изменяются от 0.9°С до 1.5°С.

В сентябре величины б средних месячных температур почвы на глубине 0,05 м находятся в тех не пределах, что и в мае. Однако территория со значениями о" больше 2.0°С сокращается и занимает на территории Западной Европы лишь район долины Дуная, на территории России - район Средней Волги и Южного Урала. На Североамериканском материке значения а- , равные и превышающие 2.0°С, захватывают территории Лавреитийского плоскогорья и низменности Гудзонова залива.

В четвертой главе рассматриваются пространственно-временные закономерности распределения статистических характеристик температуры почвы, рассчитанных по всей совокупности срочных значений температуры почвы на глубине 0,05 м.

Карты средней месячной температуры суглинистой почвы, построенные для контроля по расчетным данным полной совокупности срочных значений за период 1966-1980 гг., полностью повторяют карты средней месячной температуры почвы, рассчитанные непосредственно по средним месячным значениям за период 19^5-1958 гг, что подтверждает стабильность температурного режима почвы на глубине 0,05 и с 1945 по 1980 гг.

Среднее квадратическое отклонение срочных значений температуры почвы характеризует весь диапазон возможных значений и представляет интерес для прикладных целей.

В мае наименьшая изменчивость срочной температуры почвы на глубине 0,05 м ( б< 5°) отмечается в западных районах европейской территории России, в кавказских субтропиках, в юго-восточной части Хабаровского края. На большей части .России и стран ближнего зарубежья в мае значения & составляют 5-6°С, достигая максимума на юге Средней Азии. Летом наблюдается уменьшение изменчивости срочной температуры почвы на всей территории, кроме районов Средней Азии, где б" резко возрастает

до 8-9°С. В сентябре продолжается уменьшение изменчивости на всей рассматриваемой территории, включая и крайние южные районы. '

В работе предложена методика расчета экстремальных температур почвы на глубине 0,05 м, измерения которых нигде не производятся.

По данным сезонных карт »..рассчитанных коэффициентов. -асимметрии выделены районы с нормальным распределением срочной температуры почвы на глубине 0,05. и как в различные сезоны, так и з течение всего теплого полугодия и районы с асимметричными распределениями (рис.3). Полученное районирование легло з основу подбора функций распределения для аппроксимации рядов данной характеристики и дало возможность рассчитать температуру почвы на глубине 0,05 м редкой повторяемости. Расчеты проводятся по нормальному (I) и логнормальному (2) распределениям:

- +

О/ щ»

А,

ло* О/ > уЪгГ °

0,05

¿ п с

где ^ о 05 ~ сРеДП0° значение гемлорах^ры ,;счви на глубине 0,05 м; '

^¿0 05 ~ сР3Днео квадратическое отклонение температуры почвы на глубине 0,05 м.

Используя аппроксимацию рядов данной характеристики описанными выше функциями, рассчитывается максимальная температура почвы на глубине 0,05 м, возможная I раз в 100 лет (рисЛ).

ч Рчйптгоование тавнинной территории России я стран ближнего зарубенья по характер 'Ии*3 сЙчюй ?1мп1р^™очвн ш глубине 0.05м. Дсловнке обозначения см. на рис.ЗаЛ

о о

ООО

^нормальное распределение срочной температуры ■почвы на щубийе 0.05м в точение всего теплого лолугодкя

» 9

о *

лохпир.мильиое 'распределен:;^ срочной температуры дочзаг на глубине' 0.05м в июле

V7

- лог нормальное распределение срочной температуры почеы на глубине О.ио.м в мае

логнормадькое распределение срочной температуры аош^ на глубине О.ОЬм е мае и июле

логно^.юльное распределение срочной температуры почш ни гЗ^бине О.ОЬм в сентябре

- логноркальное. распределение.срочной температуры! почвы ни глубине 0.05м в мае и сентябре

4- + +

логнормбльиое распределение срочной температуры почьы на глубине и.05м в течение всего теплого полугодия

Рис.За Условные обозначения к рисунку 3.

Я 4» И 19 1С9 126 1« 159 1И

Рис.4 Расчетные максимумы температуры почвы на глубине 0.05м, возможные 1 раз и 100 лет.

Географическое распределение средней и максимальной температур аналогично, ко численные значения максимальной температуры почвы на глубине 0,05 м существенно различаются. Так, максимальная температура почвы изменяется от 26-28°С на севере России до 36-38°С и более на юге. В Западной Сибири она меняется от 26 до ')0°С, з Северном Казахстане - от 38 до На юго

Казахстана ее значения лехат в интервале 48-52°С, достигая 52-«0°С на юге Средне!! Азии. На Украине, в Молдавии и Белоруссии максимальная температура почвы на глубине 0,05 м изменяется б интервале Зб-40°С.

3 заключении приводятся основные результаты, полученные па основе обобщения прозеденного исследования, и делаются следующие вывода:

1. Впервые собрана и систематизирована режимная информация по теипературо почвы для зарубежной территории умеренных иирот Северного полушария.

2. В связи с недостаточностью и неоднородностью собранной климатологической. информации .по зарубежной территории для ее обобщения.били проведены специальные исследования, позволившие создать достаточно объективную картину пространственного распределения климатических характеристик температуры почвы на глубине 0,05 м (под оголенной поверхностью). В частности:

- установлена и использована корреляционная связь климатических характеристик температуры почвы на глубине 0,05 л л гозду:«;

- проведено сравнение средней месячной температуры почвы на глубино 0,05 п, рассчитанной за разные периоды (19^7-60 п Ш7-80 гг.), показавшие, что з 76,%случаов различия температуры за эти периоды не-превышают 0.6°С.

Бто позволяем использовать для построения карт по зарубежной территории глриода с границами неполностью совладающшяг.

3. Впервые построенные карты средних месячных и средних кзадратических отклонений температуры почвы нь глубине 0,05 и для умеренных шк;от Соверпого полушария позволили выявить основные пространств8]шо-вре?5ешше закономерности ■ распределения статистических :гара?.герксх1ЕК средних месячных значений температуры почвы на глубине 0,05 и (под оголенной ловорхггоегга).

4. Для решения прикладных задач для территории России и ближнего зарубежья, требующих более подробных климатических данных, была разработана методика косвенного расчета климатических характеристик срочного разрешения, позволяющая получить дополнительную, информацию о термическом режиме почвы на глубине 0,05 ы (под оголенной поверхностью). Точность косвенных расчетов составляет 0Л-0.6°С для средней температуры почвы и 0.1-0.3°С для среднего квадратического отклонения распределения срочных значений.

5. Впервые составлена карта районирования территории России и ближнего зарубежья по характеру преобладания того или иного закона распределения срочной температуры почвы на глубине 0,05 и (под оголенной поверхностью). На большей части территории России распределение близко к нормальному и в течение всего теплого полугодия. Лишь на юго-западе страны распределение близко к логнормальному. В странах ближнего зарубежья чаще наблюдается логнормальное распределение, хотя в отдельные сезоны может также преобладать нормальное распределение.

6. Разработана методика расчета максимальной температуры почвы на глубине 0,05 м на основе использования данных всей совокупности срочных значений. Впервые с помощью разработанной методики построена карта расчетных максимумов температуры почвы на глубине 0,05 м (под оголенной поверхностью), где измерение экстремальных температур почвы не производится.

Основные результаты диссертации представлены в работах:

1. Анализ связи между средними п вероятностными характеристика:«! температуры почвы на территории Канады. - Деп. в

ПЦ - ЕНШГШЬВД, К» 1173-гм94. Обнинск, 1994. - с.б

2. Пространственно-временное распределение средней месячной температуры почвы на глубина 0,05 и в теплое полугодие

длп территории Западной Европы и Канады. - Деп. в ИЦ - ВНКИШЛ-ЩД, й И74-гм94 - Обнинск, 1Э94. - с.9

3. Статистические характеристики распределения средней месячной температуры по^вы па глубине 0,05 м. - Деп. в ИЦ -ВНШ1ГМИ-МЦЦ, К! П75-ГМ94 - Обнинск, 1994. - с.4