Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Взаимодействие ледника с приледниковым слоем атмосферы и методы оценок гляциометеорологических характеристик

ВАК РФ 11.00.01, Физическая география, геофизика и геохимия ландшафтов

Автореферат диссертации по теме "Взаимодействие ледника с приледниковым слоем атмосферы и методы оценок гляциометеорологических характеристик"

Г^,- с.да-исЛ'ёрвургск;« госуддрсмиши униаггсяги? 6/. ■ -" • 1:3

с '•. I

На правах рукописи

АР/ЛОЗ

л.иш аазоаш

вз.шод^ютшк дзднюн с лриздшоаы стога даос^ч Л НйТОДЦ ОЦЕНОК ГлЯЦЛО«ьТ^ОРОЛОПН£СКЛХ ХЛР.иСЫУМЖ

Специальность: II.00.01 - физическая география, геофизика и геохимия ландпафгоп

11.00.09 - метеорйлогия, климатология, агромегеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Санкт-Петербург 1943

Работа выполнена на кафедре климатологии Санкт-Летербург-ского государственного университета.

04ШР1Ш ОПЛОНШГЦ:

- доктор географических наук В.Н..\ДА1ЬИК0

- доктор географических наук Н.Б.БАРЫШНИКОВ

- доктор географических наук й.Н.РОМАНОВА

ВсДЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Институт географии РАН

Защита диссертации состоится "¡Л'^" /■ ¿л 1993 г. на заседании специализированного совета Д/063.57.42 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора географических наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199178 Санкт-Петербург, 10-я линия, д.33, ауд.74.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета.

Автореферат разослал */}'* . /¿г.А'иг1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат географических наук

с

Г.И.Шсолсша

ОЕЦЛЯ Х.ЛШ'гР;1СТ1И.1 РаБОГЫ При изучении природных взаимодействий возникает ва^н!:;'. вопрос установления прямих и обратите связей мсэду компонентами планетарной климатической систсг.'ц "аткосфсра-океан-суяа-оя-гдечв-

НПО" .

¿¡зьимодействие оледенения с атмосферой, оцгнка роли связей в фор:-яровыми Ерсмзнной и пространственной структур ГЧЯЦЯОС^-ры и климата, их эволюции, климатических услоытй существования снечно-ледовых образован:!;1 на Зояло и обратного их влияния на климат являются объ&ктсм гляциологических ;'Р-сл",угач:-;й. актуальность ;'Р?ср','х особенно пдязана с ггог.гнозои остес?вотп,гс и шп'ро-погеднч'с измояа»и.1 клп-ата.

Гляциосфера.как одна -из самостоятельных частой глобальной прирэдноп системы, играет важную роль а формировании механизма теплообмена ме?вду атмосферой, океаном и сузей, определяя собой наиболее существенные черты как пезо-, таи и микроциркуляции воздушных масс. помимо этого, гляциосфэра представляет собой колоссальные запаси пресной поди, динамика которой является опрз-долявдм фактором для распределения и переноса запасов воды крупных регионов планеты. Это подтверждает научную ценность и практическую значимость гляциологических исследований различных граненных и пространственных масштабов, делает исключительно ва«ным понимание закономерностей динамического равновесия, существующего меяду ледника!« различных типов и приледниковин слоем атмосферы - процессов, сущность которых и определяется термином гляциомвтеорология.

йюическив процессы, протекаюциэ а гляциосфере Земли, свойства ледникового покрова планеты, в значительной степени формируйте климат Земли, еще недостаточно полно изучены.

актуальность проблемы. Созданию физически обоснованной модели взаимодействия ледника и приледникоього слоя атмосферы должен предшествовать этап разработки и апробации приборов и методик для решения гляциометоорологических задач, удовлетворяй?« условия получения достаточно достоверной и полной информации о составляющих этого взаимодействия процессов и явлений. Ваяным этапом при этом становится методика параметризации характеристик отдельных ледников или групп ледников отдельных регионов для

сведения эмпирического материала в единый, сопоставимый банк

ДаПНЬГ/С ГДКЦИОМОТСОрОЛОГИИ.

а изязи с зтй>.1 назрела необходимость нового подхода в производство метеорологических измерений ¡¡а горних леднпких, поскольку 1:х особенности но позволяет примзлягь ыотодчку к агшарыгусу, которая детально разработана и применяется з равнинных условиях. Специфичность |/згоорологачоских усговиЗ лзднихокгх раЯОНОВ определяет налривдзпие систеии планомерных наблюдений, сцоиок и прогноза состояния объектов (ледник -атмосфера), количества пара-ыатр31>, методы их и.'ыерешй, т.о. формирование гляцнометеороло-гаческого мошегорпы-а.

актуальность данной проблемы очевидна, поскольку роль оледенен.т и формировании клшшшчзсбих услопнй различии/. масштабов и водных ресурсов общеиаьестна.

Известно, что ледники чутко реагируют ¡¡а изменения внешних факторов. Однако характер проявления ото!1 реакции в зависимости от физико-хчзографячиских условии, типа ледянка с учетом всей совокупности костних орографических и микрометеорологических условий сильно различаются. Это обстоятельство определило для нас задачу проведения гляциоыстсорологичвских исследований в различных географических района;: с цели) получения статистически достоверного экспериментального материала. Ям стали в период с 1957 по 1933 г. ледники Центральной .чзии, Арктики к ¿нтарктидц: Фздченко (1967-1959 гг.), Зораваепский (1950 г.), Парах (1901г.), Петрова (1970 г.), Храмова (1971-1931 гг.), Голубика (1032 г.), Тукжсу (19® г.), Вавилова (1933-1981 гг.), Академии Наук (1936г) архипелаг Северная Земля; Антарктида - станция Восток (19371988 гг.).

Ваяшу является и решение проблемы унификации нарастаицего объема гллциоыетеорологическоЯ информации в оценке изменчивости компонентов баланса мисси ледников и составляй.",;« теплового баланса поверхности, их вклада в массо-энергообмен ледника с атмосферой.

Определяющий Методом, полошенным в основу исследования, является комплексный подход к изучению взаимодействия ледникового покрова с приладликовым слоем атмосферы. Программа полевых исслодований на ледниках включала: метеорологические наблюдения,

комплекс теплобалансогых измерения, аэрологические нсследги'лния (температурно-ветровое зондирование прилвдникозого слоя aT'wie-ри с использованием различим типов аппаратуры), специальное ви-ди гляциологических ноЗледений. Заверзасцри этаном чгого :<с«л-лексного гляцнометеорологпчзского исследования явился анаглз эмпирического материала на ссноие численной реализации общепринятых математических моделей, часть из которых получила определенное развитие. Это относится, а частности, к детализации структуры пограничного слоя етасс^сра а четырехмерном пространстве, ;с новым способам оценок энерго-балачсовых параметров приледн'/кового слоя атмосферы и ледника.

Цельи исследопш к:я нвляетсп развитие основных положений гдяцизмотооралогии на основе решения объема и повгпения качества экспериментального .материала о состоянии лриледкнкового слоя атмосфера и о его взаимодействии с ледником а раэличч'-jx Физико-географических условиях. Эта цель также достигаете;: путем применения I! развития численных методов в изучении структура лрнлед-пикового слоя атмосферп, определения составляла* теплового баланса поверхности ледников независимыми способами, аппроксимацией универсальными функциями вертикального профиля основных метеорологических величин, влияния окружающей среды на динамику ледника и влияния ледника на мезо- и микроклимат района расположения ледника.

Новизна исследования и личннй вклад автора:

- обобщены выполненные экспериментальные и теоретические исследования за период с I9Ö7 по 1983 гг. на 7 горних ледниках Центральной Азии, покровном леднике Вавилова, в Арктике и в Антарктиде на станции Восток, логически связанные иеаду собой идеей формирования гляциокзтеорологического мониторинга ледниковых районов, как специфического типа природного массоэнергообма-на;

- систематизированы технические сведения о разработанной и усовершенствованной серии приборов контактных и неконтактных, дистанционных и регистрирующих устройств с обоснованием методов измерений гляциометеорологических характеристик. Это позволило расиирить объемы информации и повысить ее точность;

- проанализированы существующие методы измерений и обра-

ботк'.! гляциоиетсорологичоскп:: параметров, оценены их возможно noi'pei-jiiocru и показаны границы примечания в условиях ледников;

разработаны и реализованы численные подели праледпикоБО-го слоя ьсносфорц, доягслыюго слоя и поверхности снеано-ледо-вого покрова (совместно с А.:,1.Крпгелем);

- исследована структура пограничного слоя атмосферы (ПСЛ) и предложена модель строения i!CA над горними и покровными лед-пиками, установлена корреляционная связь меж,ду профилки ьот-ра и температуры воздуха в суточном и сезонном ходе, оценено охли.удищае слияние ледника.

практическая ценность работы обусловлена все возрастающей необходимостью использования гляцмомегеорологичоской ин\>op'-k.--цан в оценке климатических изменений для решения задач краткосрочного и долгосрочного прогноза изменений родима ледников, особенно с учетом антропогенных факторов, влияхгцих нц них, и также- в различных водохозяйственных расчетах для оптимальной организации водопользования ни региональном уровне, внедрением в практику гляциомотеорологических исследований специальных и модернизированных приборов и оборудования.

апробация работы и публикации. Основные положения диссертации докладывались на симпозиумах и семинарах с Mil р., в то» числе международных в октябре 19во г. в г.-ыма-Ате, в апреле 1990 г. в г.Санкт-Петербурге. i!o теме диссертации опубликовано 23 работы,в том числе две коллективные монографии.

Структура и объпи работ. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложений и списка литературы. Работа изложена на 330 страницах, включает 71 рисунок , 23 таблицы. Список литературы содержит 231 наименования.

КРАТКОЕ СОДсРлЫйК РАБОТЫ И ООШШК голсшш, даадег/иаящи^ дадая ЗАЦЛШ

Работа является результатом многолетних исследований автора метеорологического релиыи, радиационного и теплового балансов ледников и приледникового слоя атмосферы во многих ледниковых районах Земли, прлшх измерений всех составляюцих теплового баланса с применением стандартной и специальной аппаратуры, обобщений большого экспериментального материала, собран-

ного автором совместно с сотрудниками к&федрп климатологии СЛЗГУ, б особенности и периоды проведения ие-эдунзродлих исследовательских программ - ;,!ГГ, мГД н МГП.

формулируется основные направления работы, анализ состояния проблемы исследования процессов взаимодействия ледников с приледниковим слоем атмосфера. Обосновывается целесообразность комплексного подхода к репсмип задач, шслачаяцаго расширенно программ патуршох измерений с использованием специальной аппаратур!» к ч'.'хлошмх методов исследования.

й пз1!са_1!_глаче "Состояние и некоториз современные проблема исследования ледников" излагаются об^по сведения о современных проблемах изучения ледников, особое внимание уделено анализу литератур* по исследований пзпимодействия атмосфер« с поверхность» ледников г конкретных физико-географических условиях, й глава последовательно рассматрнпапгся;оснопц современно:! методики определения составляющих теплового баланса поверхности лздянкоп;

- чнеленниа мотодц оценок тепло- и влагообмена в приземном слое атмосферы;

- пограничная слои атмосфера, его свойства и особенности строения нпд ледники.»!;

- обобщение н коррекция методов определения составлявших теплового баланса: комплексное темлзратурно-эотроиое зондирование атмосфера; актпмомотрическиа измерения, определение турбулент-1их потоков скрытого и явного тепла з приледниковом слое атмсо-фврл, оценка точности определения влажности воздуха психрометрическим матодоц, методика градуировки психрометров с термоэлектрическими датчиками, пряиио измерения потерь цаеен с поверхности ледлина, г.рямао измерения потоков тепла в деятельном слое ледникового покрова, измерения температуры поверхности ледника.

Накопленный огромный эмпирический материал, его анализ, вилолноннкЯ отечестоенныаа и зарубежными учеными (А.Н.Кренке, А.Л.Вэлояина и др.) создал предпосылки к разработке физически достоверной модели пространственно-временной динамики существования и эволюции лздника как объекта географической среды. Однако нерешенность ряда проблем еще ограничивает полноту научных представлений о жизнедеятельности ледника. К ним, в частности,

можно отнести:

- недостаточно изучены особенности строения пограничного слоя атмосферы над ледниками к его взаимодействие с ледниковым покровом;

- надежных способов определения потерь массы с поверхности ледников за короткие промежутки времени по существу нет; общепринятые метода определения таяния ледников дают удовлетворительные результаты лизь за длительные периоды времени - не менее суток;

- процессы испарения (конденсации) на поверхности ледников, особенно горных, сложны, а их закономерности изучены недостаточно. При этом мнения различных исследователей о роли испарения в потере массы ледника не совпадают;

- имеющиеся существенные расхождения в оценке потоков тепла и влаги в приледниковом слое атмосферы, полученные па различным методам при одинаковых условиях, вызывают сомнения в достоверности этих оценок и требуют проверки независимыми способами.

Различия районов оледенения, проявляющиеся в радиационном и температурном режимах, количестве выпадающих осадков, особенностях атмосферной циркуляции и. изменчивость этих факторов от года к году существенно влияют на особенности и условия существования ледников. Поэтому установить связь между изменениями во времени тех или иных метеорологических параметров непосредственно с колебаниями ледников невозможно без знания обцего направления в изменении климата.

На первом зтапе исследований был получен уникальный исходный материал натурных измерений на горных и покровных ледниках для последующей статистической обработки и теоретического анализа. Анализ его позволил выделить основные положения, прод-. ставлятие предает заддати:

- Концепция гляциоиетеорологического мониторинга ледникового района, достаточно сложной системы наблюдений, количественных оценок параметров его отдельных объектов, определявших взаимодействие ледникового покрова с атмосферой на локальном и региональном уровнях в зависимости от задач и целей исследования.

- Поскольку взаимодсйстше ледника с атмосферой наиболее интенсивно в непосредственной близости от поверхности контакта и

ослабевает по мере удаления от этой поверхности, для получения более полной и точной информации использовалась специально разработанная аппаратура, апробированная на ледниках разного типа в различных географических районах, которая дала обнадеяивавдио результаты. Это - сне:хно-ледовый испаритель для оценки испарения к таяния в суточном ходе прямым методом ; тепломеры, позволяющие измерять малые тепловые потоки в сне:кно-ледовой толща; уэкополосный радиометр для измерения температуры поверхности неконтактным способом; градиентная система с дистанционными термоэлектрическими психрометрами; комплекс нестандартного оборудования для температурно-ветрового зондирования an.iooi.epu я др.

Предлагаемая методика полевых наблюдений на ледниках позволяла наиболее корректно определить все компоненты теплового баланса поверхности ледника независимыми способами. Очевидно, что без таких экспериментальных данных, все получаемые оценки компонентов теплового баланса поверхности ледников являятся относительными, они сопряжены со значительными ошибками, порядок которых не всегда легко рассчитать. При этом необходимость дальнейшего совершенствования' методов измерений и обработки данных, унификации приборного Парка, поЕыпения точности датчиков приборов и регистрирующих устройств остается актуальной.

Во этор£й_глам "Методы количественных сценок гляциометео-рологических характеристик системы "ледник - приледниковый слой атмосферы" изложены современные способы определения метеорологических параметров приземного слоя атмосфера, предложены физические и численные подели, глкцкомэтеорологмеских характеристик. 3 главе рассматриваются: количественные методы определения характеристик приледникового слоя атмосферы; сценка точшости определения характеристик приледникового слоя атмосферы; физическая модель формирования' аномального вертикального профиля влатаости воздуха над ледником; возможный численный метод определения турбулентных потоков тепла и влаги в условиях горизонтально-неоднородного пограничного слоя атмосферы;

- численная модель переноса тепла в снсжно-ледоЕси деятельном слое ледника, включащая: краткий обзор методов оценок поглощенной солнечной радиации снегом, фирном и льдом; приборы, применяемые для измерения проникающей солнечной радиа-

ции в тощу льда, снега и фирна; осла6лен;:е солнечной радиации в толцз снега, фирна и льда; постановка задачи численного моделирования переноса тепла и деятельном слое ледникового покрова; особенности аэродинамических свойств ледниковой поверхности.

На динамику приземного слоя атмосферы оказывает существенное влияние разнообразные внешшо факторы. Учет их совместного действия был бы непосильной задачей, если бы свойства приземного слоя не описывались простыми законами. Пути установления зтих законов были предложены Л.П.Обуховым и развиты в работах А.С.Конина и А.Л.Обухова, А.Б.Казанского и А.С..'.Ьнина. Законы подобия неоднократно проверялись в самых разнообразных условиях. Наиболее тщательная эмпирическая проверка теории подобия подтвердила ее справедливость. Известии отклонения от теории подобия, но эти отклонения всякий раз связаны с наруаекием условий горизонтальной однородности поверхности ледника, либо горизонтальной термической неоднородностью и нестационарностью пограничного слоя атмосферы.

На втором этапе исследования, по расширенной программ, получен дополнительный экспериментальный материал по горным и покровным ледникам. При изучении метеорологического режима при-ледникового слоя атмосфера были выявлены определенные эмпирические зависимости, обладащне достаточной статистической обеспеченностью относительно вертикального распределения температура, влажности воздуха и Скорости ветра над ледниками.

Параметризация приледникового слоя воздуха в двух координатах С 3 1 £ ) предполагала определенную изотропность его свойств как над поверхностью ледника, так и в области его границ. Полученная параметризация метеовеличин в координатих ( % , , ЗС , £ ) на основе анализа результатов усовершенствованных гллциометеоролсгичаских измерений позволили выявить особенности структуры 1Юл и перейти к разработке численной модели приледникового слоя атмосферы.

За исходную численную модель приледникового слоя атмосферы нами был принят квазистационарный приземный слой, основанный на известной теории Монина-Обухова. Методика определения характеристик приземного слоя атмосферы градиентным методом состоит в том, что по данным вертикальных профилей скорости ветра и(Х)

температуры ' и массовой доли водяного пара <?[%) , измеренных на нескольких уровнях по известным формулам, находятся универсальные змлирические функции , V!, и , соответственно зависящие от безразмерного параметра , гдэ -маептаб "ош:на-0бухооа с учетом влияния турбулентного потока водяного пара. Затем определяются параметры изменения скорости ветра £4, , температур!» Т» , влаааюстя воз пуха <?« и /-„ и по формам: р^-рСгхиХ (I)

1Е = (2)

о л

где )' - средняя плотность воздуха, Ьр - удельная теплоемкость при постоянном дивл«и|;»и, - постоянная Кармана, рассчитываются вер гик альт я турбулентные потоки явного тепла Р и скрытого тепла

Исследования многих авторов при различных условиях подтвердили справедливость теории подобия и излеченной схемы определения турбулентных потоков тепла при условиях горизонтальной однородности подстилающей поверхности и отсутствия фазовых переходов воды в приземном слое атмосферы. Однако, в условиях сильных ледниковых инверсий з приледниковом слое'воздуха, часто встречаются аномальные вертикальнее профили платности воздуха, обусловленные действием,по крайней мере, двух механизмов. Во-первых, при достаточно сильном ветре мзльчай'лие скотинки (или капольки воды) могут быть подняты с поверхности ледника и испариться в более сухом теплом воздухе. Во-вторых, при высокой влажности и инверсии температуры непосредственно у поверхности ледника возникают условия для конденсации водяного пара в тонком слоо воздуха до I м нал ледниковой поверхностью. В результате влияния фазовых переходов воды в приледниковом слое воздуха профили Т(£) 11 Ч (•?) искажаются , и это может вносить существенную ошибку п оценке величин турбулентных тепловых потоков. На результаты определения турбулентных потоков заметно влияет горизонтальная неоднородность поверхности. Установлено, что дачее при незначительной неоднородности поверхности ледника, турбулентные потоки непостоянны с высотой и уелопня теории подобия нарушаются. Ошибки п количественных оценках тепловых потоков возможны и из-за

выбора места градиентных наблюдении.

¡¡Естественно, чаи ближе к поверхности ледника и чем обширней участок с. однородной поверхностью, тем более полно соответствующий процесс на поверхности ледника отразится на значениях температуры и влажности воздуха л тем достовернее расчетные данные.

В этой связи возникает вазшй вопрос о выборе места градиентных наблюдений в условиях горных ледников. Теоретическая оценка репрезентативности размеров метеорологических площадок мотет быть выполнена по методике,.обоснованной и разработанной Д.Л.Лайх-тмансы (19Б1). Необходимо выяснить, в какой мере ограниченные участки земной поверхности, отличающиеся по своим свойствам от окружающей территории, могут вносить искажения в поле температуры или влажности.

13сли воздуинап масса поступает на подстилающую поверхность - ледник, то в результате трансформации вертикальные профили метеозяеыентов стремятся к стационарному. При этом высота слоя, в котором процесс трансформации можно считать законченным, вертикальный профиль стационарным, мокет определяться из выра-

А

О)

где Я - высота слоя с установившимся профилем, С - параметр устойчивости, /¿/-коэффициент турбулентности, скорость ветра на высоте I м, <Х{ - высота 1м, ОС _ расстояние вглубь площадей с однородными свойствами.

Отметим, что для значений параметра устойчивости £ =0,4 при и 0,5, I и 2 см, теоретическач высота установившегося профиля { /г. ) достигает, соответственно: 0,75 , 1,1 и 1,6 и на расстоянии ( ) 500 м от края площадки маета наблюдений. Для £ = 0,0 при этих ке значениях и ¿X, , величина ( А ), соответственно, равняется: 0,2 , 0,5 и 1,0 м. Для <5 0,2 при = 0,5 си высота ( А ) достигает 2 н на расстоянии -X а 400 !,;, а при X, «• I с.м и = 2 см, соответственно,на расстоянии С Л ) 300 и 200 ы.

Таким образом, для расчета тепло- и влагообмена по градиентным наблюдениям ни один из методов теоретически не може? быть применен на ледниках при использовании в расчетах измерений метеоэлементов на высотах 50 и 200 см над поверхностью ледника, если размеры площадки с однородными свойствами меньше 600 м (расстояние от края площадки).

Минимальные размеры метеорологических площадок с однородными свойствами их поверхности увеличиваются при уменьшении значений параметра шероховатости ( <Х0 ) при тех же условиях устойчивости aTMOcítípu ( £ ). Эти размеры метеорологических площадок должны обеспечивать получение репрезентативных данных градиентных наблюдений для расчетов потоков тепла по общепринятой методике градиентных наблюдений на высотах 50-200 см.

При использовании градиентных измерений метеоэлементов на уменьшенных"против стандартных высотах, например, в слое 25-100 см, минимальные размеры площадок для градиентных наблюдений увеличиваются.

Таким образом, выбор.места градиентных наблюдения определяет теоретически возможную высоту над поверхность!) (ледника), до которой при определенном состоянии приземного слоя воздуха и характере подстилакяцзЯ поверхности считается процесс трансформации законченным, а вертикальный профиль стационарным, то есть исходные данные в этом случае.должки соответствовать условиям и предпосылкам расчетных методов, используем;« для определения тепло-и влагообмена по градиентным наблюдениям.

Следовательно, при применения любого метода расчета потоков тепла допустимая высота верхнего уровня измерений градиентов ограничивается минимальными размерами метеорологической площадки с однородными свойствами поверхности.

Имел ввиду невысокую точность измерений величин основных метеоэлементоз стандартными приборами, ограниченный объем данных о структуре турбулентного обмена в приледниковом слое воздуха, нами били выполнены дополнительные вычисления потоков тепла и влаги по существующим метода;.! расчета для различных сочетаний высот измерений температуры и влачсности воздуха в двухметровом слое. Различия в оценках теплопотоков по высоте составили от 7% до 2Ь%. /I/

Учитывая вышесказанное, понятно, что в некоторых случаях ь условия): «оцкиков ко сравнению с обычными градиенгни^л измерениями гораздо надежнее прямые (пульсационныо) изменения потоков, или даяга измерения потока влаги с помощью испарителей, а потока тепла - по радиационным измерениям путем замыкания уравнения балинса тепла на поверхности ледника. Тем не менее, в принципе теория внутренних пограничных слоев дает возможность построить адекватную методику оценки турбулентных потоков тепла и влаги по градиентным измерениям.

Разработка подобной методики ь^ребовала би уточнения ряда эмпирических констант, фигурирующих в теории подобия для внутренних пограничных слоев, и создания удобных алгоритмов для оперативного проведения расчетов. Необходимы такие специальны исследования определения границ применения теории подобия, возможных погрешностей и т.д. Ьсе зто нуждается в осуцестилении комплекса экспериментальных работ, включающего детальные градиентный измерения в ниэдем, по-крайней мере, 4-8-метроьоч слое, желательно в нескольких пунктах по длине и тмрине ледника.

В случае применения стандартной методики градиентных наблюдений используюгся для расчетов турбулентных потоков 2 уровня измерений (0,5 и 2,0 м). Очевидно, что больиее количество профильных измерений увеличит точность результата оценок турбулентных потоков тепла, но тогда следует пользоваться ипыми численными методами расчета.

Физически очевидно, что при наличии процессов фазовых преобразований воды в прилодликовом слое воздуха любые методы расчета потоков тепла и влаги по градиентным измерениям требуюг проверки независимыми (прямыми) способами. Однако, надежными, для условий ледников, техническими средствами пульсационных измерений турбулентных погоков тепла пока мы не располагаем.

С учетом изложенных вьпие затруднений в количественных оценках турбулентных потоков явного и скрытого тепла расчетными методами и допуская изменчивость по высоте явного турбулентного потока тепла, вследствие фазовых переходов воды, мы считаем, что сумма потоков явного и скрытого тепла более консервативна к нарушению постоянства с высотой, что соответствует условиям теории подобия. Тогца суммарный турбулентный поток тепла ( Р ) есть сутт явного ( Р ) и скрытого ( Ьь ) потоков, то есть

Г = Р Ь ^ гдо: I. ~ скрытая теплота паросбр'..а-- ..^Ш)1. введем функция Ч" - С* ( Т- X. л) ¿. </ (-)), не- ч:>-

реняюгукся при разовых переходах вода, осла они происходят только я а счет обмена энергией мс"5ду явным и скригмм ту рбулонт-ними потоихми тепла. Тогда /• = /* %Г'\\" (о) с унгон язвзегных форт/л, теория подобия .\Ьнина-С5ухо»а, получше..;

* - * в).

Таким образом, зная ТЙ и („^ , а следовательно,

Ур') мо'ою определить V» » после чего находим р = (7).

Зоэнакзст вопрос - будут ли спр.шедлнги осиоыи» половши теории подобия в условиях фнзоьых перекопов? Нег ошыьлннл считать, что фазовые- переходы ногут нарушить условие постоянства по высоте турбулентного потока количоо-ьа двкчв":«я и,ли суммарного турбулентного потоки тепла. Однако величины «ъного и скрытого ?ур5ул;нгннх пстокоо кам отдельно не останутся строго г.остоян>х;ми по зиготе.

По материалам экспедиционных измерений, проведенных нами на леднике с од-..родной поверхностью "Купол Вавилова" в сентяэ-р-з 1933 г., искажения в профиле массовой доли водяного пара не превышали значения < 10""'. Тогда, считая, что затраты

тепла на фазовые переходы используются только из явного турбулентного потока тепла, получаем, что соответствующая аномалия н профиле температуры д. Т оценивается величиной

(В).

Лоскольку ~/Ср " 2,0 Ю3^, то ^ < 0,ЗХ. Учитывая, что для ледников «• I мм, -¿п (•*/£) я 10, получаем, что аномалия в профиле температуры ведет к погрешности а определении величины 77 , равной л'К «0,1 0,03:(. Считая, что

в типичных условиях К» ■« 0,2 м/с, имеем оценку величины не-консерпативности турбулентного потока тепла

лр~ - Ср и,, < з Этд величина, как правило,

не превосходит 03» от значения вертикального турбулентного потока теша. Нарушения условия постоянства по высоте турбулентного потока тепла в таких пределах ечит«м»гся допустимым«. 3 секли с

тем, что величины X и . входят в масштаб Ионина-Обухова в линейной комбинации Т» + 0,608Т"^ „ , более консервативной, чем кмд а л из величин Т„ и , погрешности в определении параметра > связанные с фазовыми переходами будут незначительными..

Рассмотрены механизмы формирования аномалий в профиле влажности воздуха э слое 0-2 и над поверхностью ледника, сзя-эанные с фазовыми переходами воды / 12 /.

Реализация предложенного метода определения суммарного (скрытого и явного) турбулентного потока тепла по данным градиентных наблюдений показала, что среднемесячная его величина, за сентябрь 1983 г. на леднике Вавилова расходится на 13? по сравнение с расчетными турбулентными потоками тепла и влаги, по тем жо исходный дашшч, но раздельно. За отдельные сутки различия в оценках турбулентного потока тепла ( Р ), влаги { ¿-Е. ) и суммарного потока Р становятся более существенными / 13 /.

Таким образом, предлагаемая методика определения суммарного (явного'и скрытого) турбулентного потока тепла дает выигрыш в точности оценки и расширяет возможности применения теории подобия на случай умеренных аномалий в профилях температуры и влажности воздуха, связанных с фазовыми переходами воды в при-ледниковом слое атмосферы.

Существенные трудности представляют собой оценки точности градиентных измерений как исходных расчетных данных на пут1» по-вшяения точности определения турбулентшк потоков явного и скрытого тепла градиентные методом.

Датчики используемых а гляцадметеорологии приборов инерционны, а чувствительность их недостаточна, что делает неизбежный отход от физической модели, испольэущо¡1 поняггио пульсация и вносят искажения в роплышо профили Т , ^ , К и т.д. Проведенные оценки точности определения турбулентных потоков в зависимости от количества уровней, их высот я числа градиентных измерений в рассчитанный на их основе параметр устойчивости, приводят к выводу об ограничении использования стандартных мо-тодов обработки градиентных измерений в условиях ледников и расширении использования предлагаемого метода статистической обработки, особенно при сильных инверсиях и фазовых переходах воды в приледниковом слое воздуха, когда величина турбулентных по-

токов особенно изменчива по высоте.Рассмотрены особенности аэродинамических свойств ледниковой поверхности по результатам исследований на Северной Земле и в Антарктида / 14 /.

С точки зрения аэродинамики, структура подстилающей поверхности И приземного слоя атмосферы характеризуется параметром шероховатости, зависящим в первую очередь от средней.высоты неровностей, и такяс от плотности их расположения, формы, коэффициента сопротивления, определяемого микрорельефом. По изменению параметра шероховатости можно судить об изменении аэродинамических свойств снежной поверхности, обусловливавших характер вертикальных профилей скорости ветра, и , температуры воздуха Т , и массовой доли водяного пара в приземном слое атмосферы.

Полученный значительный суточный ход параметра шероховатости в полярннх районах представляется несколько неожиданным поскольку суточные изменения основных метеорологических характеристик - температуры, давления, массовой доли водяного пара и радиационного баланса - имеют небольиуо амплитуду.

Динамическая скорость в течение суток менялась мало и составляла в обеих экспедициях = 0,1-0,3 мУс. В таком случае высота вязкого подслоя /?4 = = мм » где П - кинематическая вязкость воздуха.

Известно, что величина параметра иероховатости зависит от средней высоты неровностей ^о , плотности их располояония

^ , формы и коэффициента аэродинамического сопротивления С . Среди характеристик формы рельефа важнейшей с точки зрения аэродинамики является максимальный наситаб турбулентности ¿0 , ограничиваемый элементами рельейа. Яри неизменной форме рельефа

Пз оценкам разных авторов, проделанным в лаборатории и в естественных условиях (растнтельныэ покровы различных типов), отношение ъо/варьируется в пределах 0,01-0,2.

В период наблюдений на леднике "Купол Вавилова" и на станции йосток средняя высота неровностей смежной поверхности в течение суток изменялась в пределах 0 1-3 см (бугристый фирн, наст), внешняя форма бугорков, густста ¡IX расположения такие б течение суток практически не изменялась. Поэтому, су-

точпий ход параметра «юроховитости молю объяснить только чзме-ненжг.ш кс^фициспти аэродинамического сопротивления.

Та/им образом, выявленный суточшЯ ход параметра шероховатости снежно;! поверхности в полярных районах, по-видимому, связан с чередованием в .течение суток возгонки и сублимации с после-дупдой герекрисгашговциой, усиливагсзПся под действием солнечной радиации. Зги процессы влияют на изменение коэффициента аэродинамического сопротивления элементов микрорельефа поверхности снега, обуславливающие изменения параметра шероховатости и, следовательно, вертикальные профили скорости ветра, температуры и ачкноети воздуха в приледниковом слое атмосферы.

Пря'.'ые измерения тепловых потоков с помочь» тепломеров п снелно-ледовом покрове позволили выявить важную роль солнечной радиации, проникают,ей в тол;ту снега или льда, в формирование "парникового эффекта". "Парниковый эффект" молот оказывать существенное влияние на процессы тепло- и влагообмена поверхности с приледникошм слоем воздуха, определял направления потоков, на процессы поверхностного и внутреннего таяния.

Следовательно, на микро- и мозоуровнях взаимодействие ледника с атмосферой наиболее интенсивно в непосредственной близости от поверхности их соприкосновения и ослабевает по меро удаления от этой поверхности. О течение суток "взаимодействие" прослеживается в сносном покрове до глубины порядка I м, во льду - до 40 см. Трансформация сроПств воздуха над ледником определяется физическими процессами, происходящими на его поверхности и балансом энергии в атмосфере, который, и основном, определяется диссипацией и энергией турбулентных движений.

Таким образом, основными положениями , представляющими предмет защиты по главе il являются :

- методика прямых ерпчньгх измерений потерь массы с поверхности ледников и соответственно затрат тепла на испарение и таяние / 3 /;

- методики дистанционного измерения и непрерывной регистрации компонентов радиационного баланса, тепловых потоков в снеж-но-ледозой толще и температуры поверхности ледника;

- нолуавтоматиэированлая градиентная система для измерения и регистрации температуры и влажности воздуха на нескольких

уровнях до высоты 3 н над поверхность» ледника;

- численная модель приледнккового слоя воздуха о рамках теории подобия .'.'онпна-Обухова с привлечением аппроксимирующей функции ( <í> ) с интегрированием вертикальных профилей 7"; г] ,

£¡(?) a "t?)/ 13/.;

- механизм формирования аномального вертикального профиля влажности в приледниковом слое атмосферы / 12/;

- особенности аэродинамических свойств снеяно-ледового покрова / 14/.

ú главе 3 "Основные результаты комплексного изучения ледников в различных географических районах" рассмотрена региона.! ымо особенности метеорологического режима на примере их анализа на горних ледниках Памира и Памиро-Ллая и Тяимидия, на покровных ледниках архипелага Северная Земля и в .штарктиде на станции Зосток. Рассматривается и обратная задача: определение степени влияния ледника на микро- и маэоклимат окружающего района. При изучении метеорологических условий ледников были обнаружена определенные эмпирические зависимости, обладающие достаточной статистической обеспзчоннсстьо относительно к режиму температуры, ветра и радиационного баланса поверхности ледников. Принятый характер осреднения статистически однородного исходного массива метеорологических измерений делает проводимые аппроксимации достаточно надежными и не ограничивает их применение в одном регионе. Особенный интерес представляют гляциомотео-рологические исследования з Центральной Антарктиде, поскольку географическое расположение покровного ледника, характер подстилающей поверхности, ео однородность долкни определять близкое и квазистационарному состояние пограничного слоя атмосферы. Уникальные природные условия Антарктиды позволяют оценить правомерность использования существующих теоретических схем и полу-змпирических формул для расчета турбулентных потоков тепла и влаги при низких температурах (до -¿0,6°С) и ннзкоЯ массовой доли водяного пара (до -0,09 гПа) в приледниковом слое воздуха. Помимо этого самостоятельный методический интерес представляет комплекс исследований с использованием приборов с усовершенствованными датчиками, расширявшими пределы измеряемых метеорологических величин и их тарировка в этих условиях.

Результаты изучения метеорологического режима и особенностей строения приледникового слоя атмосферы в центральной части Антарктика иллюстрируются сериями прямых измерений и расчетов составляющих теплового баланса ледникового покрова, его структуры, а такхо стандартными метеорологическими наблюдениями. К исследуемым метеорологическим характеристикам состояния приледникового слоя атмосферы относятся прежде всего вертикальные профили скорости вотра, температуры и вл&чсности воздуха. К наиболее общим свойствам вертикальных профилей метеоволичин монно отнести следующие:

- в вертикальном профиле скорости ветра отмечается резкий излом в сторону увеличения вблизи поверхности ледника, который, вероятно, связан с очень малда значением параметра перохова-тости ( =0,1 см днем, и Н. = 0>8 см ночью):

- вертикальные профили.температуры и влажности воздуха, в основном, типичные, отражающие условия термотеской стратификации вблизи ледниковой поверхности. 3 профилях также наблюдается резкое увеличение температуры к незначительно влажности непосредственно у поверхности ледника. Эти аномалии в вертикальном распределении температуры и влажности воздуха связаны с фазовыми переходами воды в непосредственной близости от енэтаой поверхности вследствие испарение с относительно теплой поверхности при сла-бонеустойчнвой териической стратификации атмосферы днем. Вертикальные профили температуры и илгшюсти воздуха определяются,

в основном, реличиней и направлением соответствующих турбулентных потоков. Анализ уравнения теплового баланса ледника показал, что вшкяым звеном массоэнергосбмзна поверхности ледникового или снелно-фирнового покрова с приледниковнм слоем воздуха являются потоки тепла в его верхнем слое. Сложность изучения н учета этого потока связана с тем, что он обусловлен как молекулярной теплопроводностью, так и радиационным теплообменом. В результате приборных измерений в верхнем слое ледникового покрова (черный и белый тепломера) и численных экспериментов установлено значительное влияние радиационного притока тепла от. Солнца на тепловой рсяим лодника. Зависимость поглощения радиации от длины волны приводит к "парниковому эффекту".

Представляет интерес, какова роль этого "эффекта"-в формировании теплового режима ледника в балансе его массы. Распространение тепла в твердом теле выражается известным уравнением теплопроводности. Результаты измерений свидетельствуют, что тепловые потоки проникают до глубины I и , на который перестает быть заметным суточный ход температуры л потока тепла. Было проведено численное интегрирование уравнения теплопроводности с выбранными начальными и краевыми условия!.« и теплофиэическнми характеристиками.

Заявленные существенные изменения параметра иороховатости снежной поверхности в течение суток на станции Восток показали, что в днеБнкз часы при относительно высоких температурах возможно оплавление отдельных кристаллов снега, связанные с "парниковым эффектом" в поверхностном слое снега.Ночью, при замерзании образовавшейся водяной пленки может подвиться корка радиационного происхождения.

Результаты изучения структуры пограничного слоя атмосферы над ледниками содержат анализ обобщенных натурных исследований, выполненных на горных и покровных ледниках с использованием комплекса аппаратуры и соответствующих нетодов.

Известно, что подстилающая поверхность оказывает динамическое и тепловое воздействие на прилегающий к .чей слой атмосферного воздуха. Результатом взаимодействия воздушного потока с подстилающей поверхностью является формирование особых сгойств ЛСЛ. Следовательно, высота, свойства, строение и физические процессы, протекающие в ПСА определяются особенностхги этого взаимодействия, характером подстилающей поверхности на фоне горизонтального воздухообмена.

Изучение вертикальных полей основных метеорологических величин и оценка взаимодействий ледника с атмосферой ка мззо- и микроуровне по данным паропилотных наблюдений, температурно-влажностнсго зондирования атмосферы и градиентных измзрений на ледниках разного типа позволили предложить следующую обобщенную модель строения ПСд кад ледниками: внутренний при.тедниковыа слой, приледниковая инверсия, динамические уровни горно-лэдниковых потоков, орографический слой трэния, слой перехода к атмосферной циркуляции синоптического масштаба.

Характерной особенностью вертикального распределения скорости ветра над исследованными ледниками является наличие слоя повышенных скоростей Бетра, являющегося как бы "центром тяжести" приледииковой воздушной массы. Над горными ледниками толщина этого слоя колеблется от 10 до 30 м,над покровными -от 20 до 50 к.

Следует отметить большую изменчивость во времени мощностей по высоте воздушных потоков над горными ледниками. 'Гак, в утренние часы средняя мощность горноледникового потока составляла 200ч, в отдельные дни высота колебалась ог 15 до 250 м.

На горных ледниках мощность приледииковой инворсни составляет около 30 м, над покровным ледником средняя мощность приледииковой инверсии боэ учета изотсрмии составляла в период ьб-ляции 280 м. Толщина пограничного слоя атмосферы над горндаш ледниками составляет 300-700 м, а над покровкыин - 1400—IS'DO

Данные одновременных температурных зондирований атмосфера на покровном леднике и вне зоны ого влияния поавалиди оцзнсть охлаздаящее влияние ледника Вавилова. Средний температурой "скачок" за период таяния 1984 г. составил 2,о°С.

¿Уравнивание температура воздуха над покровлыа ледником и во вно ледниковой зона наблюдается на высоте 920 м над уровнем моря (в среднем за сезон таяния) или на высето 2ÖQ м над поверхностью ледника.

Установлена близкая к прямой зависимость моэду величиной среднего температурного "скачка" и скоростью ветра в слое охлаждения. Так, усиление скорости ветра на горном ледника до 2,5 м/с способствует теплообмену и охлаждающему влиянии ледника при дальнейшем увеличении скорости ветра, процесс трансформации, зависит от времени контакта воздуха с ледниковой поверхность», ¿лсолаяиванио прнледниковего слоя воздуха над горными ледиихшн оказалось незначительны;.), üokho предполагать, что охлаздавщео влияние ледника зависит от мощности и скорости горно-ледникового потока, определяемого размерами ледника, характером его поворх-ности, степенью покрытия снегом и льдом склонов ледниковой долины, морфологией и другими факторами, которые отдельно выделить

трудно.

Тешд образом, ледник, охлаждая щтаедшпсовиЯ слоП пезду-ха, создает свой мезоклимат, обусловленной мззэиаеятабшмн тепло-диначическиш! свойствами поверхности к окружающим рельефом. Поэтому при изучении взаимодействия ледника с атмосферой следует пытаться устанавливать прямне и обратные связи в системе рельеф- ледник -аккумуляция- абляция - климат. Несмотря на мезокли-матические колебания ледников, они отражают общеклиматичоскио изменения, отдельные лодшжи могут являться индикатора1:!! изменений климата. Для оценки ;>т:;>; изменений и прогнозу их развития необходимы метеорологические данные, которое станут более достоверными при дальнейшем совершенствовании методов оценки взаимосвязи метеорологических параметров с накоплением и расходом насгн лэдчикор и послужат исходя: с: зкепериментальньгн материале« для разработки гидродинамической модели взаимодействия оледенения с атмосферой и- океаном з региональном и локальном маептабах.

0С!ШЫ.4 ШиОДЦ

1. Подведены итоги более чем 30-летних гляциометеорологичес-ких исследований на горных и покровных ледниках и прилегающего

к ним приледниковоге слоя атмосферы зо взаимодействии с окружающей их географической средой. Это позволило ставить и решать задачи изучения как влияния окружающей среды па динамику ледника, так и влияния ледника на пезо- и микроклимат района его расположения.

2. Известно, что ледники весьма чутко реагируют на изменение внешних по отношению к ним факторов. Однако, характер проявления этой реакции в зависимости.от физико-географических условий, типа ледника для каздога отдельного ледника с учетом всей совокупности местных орографических и микроклиматических условий сильно различаются. Это обстоятельство и определило для нас задачу проведения исследования ледников а различных географических районах.

3. Специфичность метеорологических условий ледниковых районов сказывалась на всех этапах исследований - от постановки задачи до выбора приборов и методики экспедиционных наблюдений и измерений, метода обработки полевых материалов. Поэтому созданию физически обоснованной модели взаимодействия ледника и прн-ледникового слоя атмосферы должен предшествовать этап создания

и аппробирования приборов и методов, удовлетворяющих условию получения достаточно достоверной к комплексной информации о составляющих это взаимодействие процессов и явлений. Заверзащим этапом этого комплексного гляциоцотеорологического исследования явился анализ эмпирического (.¡-.терпела на основе численной реализации общепринятых теоретических моделей,при этом часть из них получила в диссертации определенное развитие.

4. мализ существующих методов измерений и обработки гля-циометеорологических данных, оцониа их погреаностск и разработка системы универсальных функций, описывающих структуру прилед-никового слоя атмосферы на основа существенного расширения объема и повышения качества экспериментального материала позволил за счет применения гтрямых и развития численных «огодов в изучении структуры приледникового слоя послуха определить составляющие теплового баланса независимы«;! способами.

5. Анализ комплексных экспериментальных исследований теплового баланса поверхности ледника и теплового режима верхнего слоя ледника позволил установить важную роль солнечной радиации, проникающей в ледниковый покров, в формировании "парникового эффекта" .

о. Результаты выполненной работы приводят нас к выводу о целесообразности использования прямых измерений компонентов теплового баланса и предложенной методики определения турбулентных потоков на основа теории подобия. Успех в реазнии этой задачи определяется точностью и надежностью технических средств. Это, несомненно, потребует больших усилий в области создания новых приборов.

7, Ледники, охлавдая лриледниковый слой воздуха, создают свой мезоклимат, обусловленный теплодинамическими процессами взаимодействия ледниковой поверхности с атмосферой. Несмотря на мезоклиматические колебания ледников, они, отражая общеклиматические изменения, могут являться индикаторами изменений климата.

Публикации по тема диссертации . Содержание диссертации опубликовано в 23 работах, в том числе в двух коллективных монографиях. Основными из них яеляются:

1. Тепловой баланс поверхности ледников Средней Азии (&дчешсо, ЗврагависхиЛ, Парах) //Гляциологические исследования. 195-1:. - !,« 13. - Наука . С.-120-125.

2. О связи таяния льда и снега с балансом коротковолновой радиации па ледниках Сродней дзкя (ледники Яздченко, Ззракязд-ский, Парах) //Успехи совегско.1 гляциологии. ..¡атериачи и йгесоюз. кшцяолоппеского симпозиума. ¿рунэо, 1933. С.99-104 (в соавторстве с 0.Л.Дроздовым).

3. Ирп^'Э испарения, таяния и топлопотоков на ледниках //Дэтеркалц гляциолонтсаих исследований. Хроника, обсуждения. Зап.22 1973. С.117-122.

4. Количественная оценка потерь массы с поверхности ледника за короткие промежутки времен:!. Азтореф.капд.дисс. - Я., 1974.

5. О возмогшем новом подходе к расчету тепло- и влагоооме-на на поверхности ледников //ДЦтериалц гляциологических исследований. Хроника, обсуждения. Зпп.27. 1976. - С.175-177 (в соавторстве с С.С.Зялитинкевичеу).

6. О новом подходе к оценке турбулентного тепло- и влаго-обмена на ледниках //.'¡атериали. гляциологических исследований. Хроника, обсуждения, ¿т.30. 1977. -С.101-104 (в соавторства с С.С.Зилитинке вичем).

7. Роль испарения в водно-ледовом балансе ледника Абрамова //Труда С.иТК!Г;.иI. -Вип.оЗ (131). 1977. -С.10-17 (в соавторство

• с Ю.Н.£мельяновда, В.К.Иоэдряхинка).

8. Итоги работ географического факультета ЛГУ на горных ледниках в период ЦРД //Материалы гляциологических исследований. Хроника, обсуждения. -¡Зып. 36. 197Э. -С. 160-165 (в соавторстве

( с 0.А.Дроздовым и др.).

9. Взаимодействие ледника и приледникового слоя атмосферы/У Материалы гляциологических исследований. Хроника, обсуждения. -Еып.54. 1983. -С.48-52 (в соавторстве с Ю.Н.Курочкиным, А. А. Уткиным и др.).

10. Влияние отдельного ледника на климат //Взаимодействие оледенения с атмосферой и океаном. - 1!., Наука, 1937 . -С.214-234 (в соавторстве с А.Н.Крепко, А.II.Волошиной).

IX. Исследование некоторых характеристик приземного слоя воздуха над ледником - МГИ. Ли.61. 19скЗ. - 0.137-139 (в соавторстве с З.Г.й!орачевским).'

12. О примере аномального вертикального распределения характеристик влажности в приледниковом слое воздуха /Л'лтериалы гляциологических исследований. Хроника, обсуждения. 1069. № ¿5. С. 133-140 (в соавторство с А. ¿¡.При гелем, З.Г.йЬрачовским).

13. Об определении турбулентных потоков явного и скрытого тепла по данным градиентных наблюдений в условиях приледнниовой инверсии //«Цториалы гляциологических исследований. Хроника, обсуждения. 1939, № 63. -С.138-142 (в соавторстве с д.М.Криге-лем, Б.Г.га'орачевским).

14. Суточный ход параметра кероховатости снежной поверхности на Северной Земле и в Антарктиде /ЛЬтсриалы гляцпологи-ческих исследований. Хроника, обсуздения. ГЗЭО. & 72. -С.101-104 (в соавторства с А.Юригелем).