Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Моделирование межгеосистемных различий влагопереноса в почве-растительности-атмосфере лесостепи

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Кашутина, Екатерина Александровна, Москва

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ГЕОГРАФИИ

На правах рукописи УДК 911,2:556,5

КАШУТИНА Екатерина Александровна

МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕЖГЕОСИСТЕМНЫХ РАЗЛИЧИЙ ВЛАГОПЕРЕНОСА В ПОЧВЕ - РАСТИТЕЛЬНОСТИ - АТМОСФЕРЕ

ЛЕСОСТЕПИ

11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы» гидрохимия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель доктор географических наук профессор А.Н.Кренке

Москва - 1999

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

Том 1. Текст диссертации.

Введение......................................................................................................................... 3

Глава 1, Основные факторы формирования водного цикла вегетационного

периода в зоне лесостепи................................................................................................ 11

Глава 2. Описание влагопереноса на участках плакорных территорий

лесостепной зоны в период вегетации с использованием модели............................. 57

Глава 3. Оценка переметров модели. Критерии качества. Чувствительность модели к различным факторам. Проверка модели на независимом материале........... 97

Глава 4. Зависимость процессов влагооборота в почве от типа геосистем при

различных метеорологических условиях..................................................................... 168

Глава 5, Попытка реконструкции исторического гидрологического цикла

вегетационного периода лесостепи...............................................................................238

Заключение....................................................................................................................259

Список литературы.........................................................................................................262

Том 2. Приложения

Приложение I.................................................................................................................... 2

Приложение II.................................................................................................................. 33

Приложение III................................................................................................................ 39

Приложение IV................................................................................................................. 196

Приложение У.................................................................................................................. 199

Введение

Обмен теплом и влагой между поверхностью суши и атмосферой - один из основных факторов формирования и изменения климата и речного стока. Его количественная оценка на основе прямых измерений потоков явного и скрытого тепла в атмосфере и их связей с метеорологическими параметрами для различных ландшафтов выполнена в 1940-1960-х годах климатологическими школами М.И.Будыко, А. Р. Константинов а, А.С.Монина, Ю.Л.Раунера в СССР (Будыко, 1955, 1956, Моннн, Обухов, 1954, Раунер, 1960-1, 1960-2, Константинов, 1968), Боуэна, Торнтвейта, Пенмана в США (Bowcn I.S., 1926, Thornthwaite C.W., 1939, 1954, Penman H.L., 1948). Позднее на основе таких работ сделаны оценки вклада природаых зон в формирование климата (Кренке, Золотокрылин, 1984). В это же время в нашей стране интенсивно развивалась ландшафтная гидрология, в первую очередь связанная с именами В.Г.Глушкова (1933) и М,И.Львовича (19э0а |'9'5"0б. 1963). занимающаяся проблемами формирования и изменения водного баланса в различных природных ландшафтах.

Однако в это время в географик существовало некоторое противопоставление между гидрологическими и метеорологическими методами в изучении взаимодействия поверхности суши и атмосферы. Метеорологические оценки не учитывали процессов внутри почвенного и растительного покрова , либо вообще не рассматривая почву, либо определяя ее лишь как пассивную емкость (модель "ведра"), затопляемую или переполняемую избыточной влагой (разностью осадков и испарения), и не различали транширации влаги через растение от ее испарения с поверхности почвы или с капель воды на листьях. В гидрологических работах испарение рассчитывалось либо по простейшим зависимостям типа формулы Дальтона, уравнения Ольдекопа, или как остаточный член уравнения водного баланса.

В 1960-е годы появляются работы, рассматривающие физические и биологические процессы в системе "подстилающая поверхность - атмосфера" в виде континуума почва-растение-атмосфера (Будаговский, 1964, Philip, 1966). В зарубежной терминологии такие модели получили наименование SVAT (Soil-Vegetation-Atmosphere). В нашей стране разработкой данного подхода в 1970-80-е годы занимались С.В.Нерхшн, А.Ф.Чудновский (1975), И.И.Судницын (1979), О.Д.Сиротенко (1981), Лаборатория гидрологического цикла суши Института Водных Проблем АН (Кучмент и др., 1989, Мотовилов, Старцева, 1985, Старцева, 1992). За

границей наибольшее развитие получил подход, предложенный Дирдорфом (Deardorff J.W., 1978). Детализация описания гидрометеорологических процессов в таких моделях различна и зависит в том числе от поставленной задачи. Однако построение единых моделей SVAT тормозится различием скорости процессов и точности (быстроты) их измерений в почве и атмосфере. Гидрология поверхностного стока и верхних почвенных слоев имеет типичный временной масштаб порядка 1-10 дней, а метеорологические процессы характеризуются временным масштабом около 1 часа (Andre et al., 1986), Турбулентные потоки являются нелинейными функциями от статического состояния нижнего атмосферного слоя, почвенной влажности, температуры поверхности. Поэтому, по мнению Дшсинсона (Dickinson et al., 1986), для расчетов диффузионных потоков (например, испарения) нельзя привлекать среднесуточные значения метеорологических элементов, тогда как в гидрологических моделях формирования влажности почвы наиболее часто использующийся шаг по времени - 1 сутки. Вследствие этого к стыковке гидрологических и метеорологических блоков следует подходить с особой аккуратностью.

Примерно в последнее десятилетие исследования в области параметризации моделей типа SVAT получили значительное распространение из-за быстрого развития глобальных моделей климата, требовавших данных о влиянии на вертикальный влагоперенос неодаородностей свойств подстилающей поверхности суши. Применению моделей типа SVAT в рамках моделей климата посвящена работа одного из комитетов Международной Гидрологической Ассоциации - ICASVR (Int. Commitee on Atmosphere-Soil-Vegetation Relations). Глобальные модели климата имеют значительный пространственный масштаб (2.5x2.5°, в последнее время 1.0x1.0°, что в средних широтах примерно соответствует территории в 10000 кв.км). Свойства поверхности и гидрологические процессы сейчас в подобных моделях учитываются достаточно грубо: климатической ячейке присваиваются однородные свойства растительности и почвы, как правило, по доминирующему на этой территории типам почвенно-растительного покрова (модели BATS Дикинсона (Dickinson et al., 1986), SiB - Селлерса (Sellers et al., 1986), модель И.А.Розинкиной (1991) и другие). Свойства почв в подобных расчетах либо вообще не учитываются, либо используется только грубая классификация по механическому составу (песок, гравий, глина и т.д.) (Cuerna, Mahrt, 1995).

Между тем реальные поверхности неоднородны не только для масштабов 2.5x2.5°, но и для гораздо меньших. Они представляют наборы геосистем с размерами порядка сотен метров или первых километров - посевы различных сельскохозяйственных культур, леса, водоемы, болота, селитебные территории. Набор и соотношение

площадей геосистем меняются в результате антропогенной деятельности вместе с изменением землепользования, что может служить важным фактором изменений климата (Кренке, 1989). Здесь существует важнейшая проблема - как распространить данные о процессах на участке малого масштаба (около 10-* м-) на размеры климатической ячейки глобальной климатической модели, принимая во внимание значительную пространственную изменчивость физических и биологических характеристик почвенного и растительного покрова (Andre, 1986), В недавних исследованиях выявлена значительная нелинейная реакция атмосферных процессов на пространственную изменчивость характеристик подстилающей поверхности в ячейке климата (Avissar, 1995). Поэтому проблема влияния неоднородности территории на ее суммарный обмен теплом и влагой с атмосферой является одним го основных фокусов ключевого проекта биосферно - геосферной программы "Глобальные изменения" -Биосферные аспекты гидрологического цикла (ВАНЮ). Согласно этой Программе выполнена серия полевых экспериментов в разных странах и природных зонах, в том числе КУРЭКС-88 и КУРЭКС-91 в лесостепной зоне Европейской России (рис.В.1 и В. 2) с участием автора, Для оценки значений пространственной изменчивости потоков необходимо их независимое моделирование для различных геосистем, входящих, в ту или иную природную зону. Модели для отдельных геосистем важны не только для последующего интегрирования подсеточных процессов, но и для расчетов режимов каждой из геосистем самой по себе, что дает возможность оценил» распространение корневой системы, предсказать почвенные засухи или переувлажнение почв, оценить наличие или отсутствие поверхностного стока и подпитку грунтовых вод. Такие модели могут быть использованы в цепях реконструкции или прогноза гидрологического цикла территории при изменении структуры землепользования или климатических параметров в некоторых пределах. Эти исследования важны также дая создания современных многомерных мезомасштабных моделей стока с водосборов (Кучмент и др., 1986), где необходимо задание информации об изменчивости свойств подстилающей поверхности.

Нами подобная модшь влагопереноса построена для репрезентативных геосистем лесостепи бассейна р.Сейм до г.Курска (площадь водосбора около 7500 KB.KM.). Выбор территории определялся наличием исходной информации, непосредственным участием автора в полевых экспериментах серии КУРЭКС, проводившихся на базе Курской биосферной станции Института Географии РАН, и относительной однородностью почвенного покрова этого района. Построение модели состояло в комбинировании и стыковке между собой традиционных блоков -модели диффузии почвенной влаги, для которой нами предложены некоторые новые

Рис.В.1. Схема полигона "КУРЭКС-88"

Б

Л

- экспериментальные объекты

- точки наблюдений

Схема полигона "КУРЭКС-91"

дороги

границы объектов реки

точки наблюдений

маршруты полетов ТУ-134:

на высоте 10 км на высоте 5 км

-7

и

критерии оптимизации эмпирических параметров, модели испарения и транспнращш А.И.Будаговского с некоторыми дополнениями, привязывающими испарение к процессам влагопереноса в почве, модели поглощения почвенной влаги корнями растений Молза, модифицированного нами подхода к расчету перехвата осадков, разработанного Руттером. Отличия нашего подхода от традиционных моделей ЗУАТ определялись 1)наличием в модели А.И.Будаговского большого эмпирического материала практически для всех геосистем лесостепи, как впрочем и для ряда других зон, и отсутствием в них необходимости измерений других параметров растительного покрова, кроме его высоты и листового индекса. Прочие, как правило, трудно поддающиеся измерениям характеристики в подходе Будаговекого заменены эшшрическими функциями, детерминированными для определенных видов и фазовых состояний растительных геосистем; 2)возможностью применения модели испарения для суточного шага по времени и таким образом совпадением временных масштабов дня гидрологического (формирования влагосодержания почвы) и метеорологического (испарения) блоков; 3) наличием массовых расчетов потоков тепла и влаги для больших территорий СНГ по модели А. И,Будаговекого.

Целями работы являются:

1. оценка для разных условий величин межгеосистемных неоднородностей составляющих испарения, движения и накопления влаги в почве в теплый период года на основе модели вертикального влагопереноса в системе почва-растительность-атмосфера с привлечением детального описания почвенно-растительных свойств геосистем лесостепи;

2. получение для разных исторических срезов интегральных характеристик элементов гидрологического цикла рассматриваемой территории с учетом их мезомасшабной неоднородности.

Достижение этих целей потребовало решения следующих задач:

1) на основе сведении о главных факторах формирования гидрологического цикла вегетационного периода лесостепи составление и параметризация для репрезентативных геосистем исследуемой территории модели, описывающей основные гидрологические процессы;

2) оценка по модели элементов гидрологического цикла геосистем лесостепи за разные временные интервалы в различных метеорологических условиях;

3) реконструкция исторических изменений водного цикла территории в связи с изменением землепользования в лесостепи с учетом мезомасштабной неоднородности поверхности.

9

Научная новизна. В представленной работе впервые для расчета потоков влаги в почве использована откалиброванная для доминирующих в рассматриваемой зоне видов растительности модель звапотранепирации А. И.Будаговекого. Впервые с учетом видовых особенностей растительного покрова на основе параметризации гидрофизических свойств почв детально описаны гидрологические процессы вегетационного периода в лесостепной зоне. В модели предложены новые критерии качества, позволяющие описать структурные особенности профиля влажности почвы. Получены оценки мезомасштабной неоднородности потоков влаги во всей системе почва-растительность-атмосфера и накопления влага в различных гидрометеорологических условиях для геосистем лесостепи.

Практическая ценность. Результата работы могут быть использованы дай совершенствования мезомасштабных гидрометеорологических моделей, в моделях климата. Расчеты гидрологического режима каждой из геосистем дают возможность оценить распространение корневой системы, улучшить качество прогнозов почвенных засух и переувлажнения почв, оценить наличие или отсутствие поверхностного стока и подпитки грунтовых вод, выполнить начальные этапы расчетов стока, Модель может применяться для прогноза изменения водного цикла в результате природно-антропогенных модификаций, для реконструкции гидрологических процессов территории при историческом изменении структуры землепользования (имитационное моделирование). Подобные исследования важны также для создания современных многомерных мезомасштабных моделей стока с водосборов, требующих информации об изменчивости свойств подстилающей поверхности.

Работа была выполнена в лабораториях Гидрологии и Климатологии Института Географии РАН, В работе использованы материалы базы данных по Проекту международных экспериментов ВАНС на территории лесостепи КУРЭКС-88 и КУРЭКС-91, в которых автор принимала участие, отчеты участников Проекта, материалы многолетних исследований Института Географии в районе Курской биосферной станции, материалы Центрально-Черноземного заповедника, длительные ряды наблюдений Нижнедевицкой воднобалансовой станции, некоторые данные измерений на агрометеорологической и гидрологической сетях Курской области. Я благодарна Л.Н.Былинской за предоставленную возможность работы с авторским макетом карты землепользования Курской области, составленную ею для конца XVIII столетия, Нине Николаевне Самариной и недавно скончавшейся Леонтине Михайловне Ананьевой за предоставленные ими материалы исследований по Курской области.

Я благодарю своего научного руководителя Александра Николаевича Кренке, без научной помощи и моральной поддержки которого данная работа была бы невозможной, Ирину Павловну Милюкову за научную и практическую помощь при создании модели. Хочу высказать большую признательность всем сотрудникам лаборатории Почвенных Вод Института Водных Проблем, которые очень помогли мне в освоении модели испарения, разработанной в их лаборатории. Хочется выразить благодарность Николаю Ивановичу Коронкевичу, Сергею Владимировичу Зонну, Александру Георгиевичу Георги ада, Сергею Владимировичу Ясинскому, Евгению Михайловичу Гусеву, Андрею Борисовичу Шмакнну, Елизавете Анатольевне Денисенко, Светлане Арсентьевне Сычевой, Анатолию Анатольевичу Токаренко за предоставленные консультации, и всем сотрудникам лаборатории гидрологии Института Географии РАН - за их долготерпение. Я хочу с благодарностью вспомнить Елену Александровну Лозинскую, работавшую в лаборатории Почвенных Вод ИВП РАН, и Евгения Петровича Чернышева, с которым мне посчастливилось работать на экспериментах КУРЭКС, а также высказать огромное уважение школам Анатолия Ивановича Будаговского и Льва Самуиловича Кучмента, методики исследований которых широко применялись в данной работе.

Глава 1

Основные факторы формирования водного цикла вегетационного периода в зоне

лесостепи

В общих чертах процесс формирования гидрологического цикла любой территории выглядит следующим образом. Поступающие на поверхность осадки могут задерживаться растительным покровом. Часть из них, не достигая поверхности земли, испаряется с растений, часть стекает на поверхность почвы, насыщая верхние почвенные слои и заполняя микропонижения на поверхности. При попадании осадков на положительные формы рельефа, при заполнении микропонижений на поверхности почвы, в случае