ИСПАРЯЕМОСТЬ, ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПО ЛАНДШАФТНЫМ ЗОНАМ КАЗАХСТАНА Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

НАУЧНЫЕ СТАТЬИ

Гидрометеорология и экология №3 2014

УДК 551.573

Доктор геогр. наук М.Х. Сарсенбаев *

Ж.М. Калдарбекова *

ИСПАРЯЕМОСТЬ, ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПО ЛАНДШАФТНЫМ ЗОНАМ КАЗАХСТАНА

ТЕМПЕРАТУРА, ДЕФИЦИТ ВЛАЖНОСТИ, ОСАДКИ, УПРУГОСТЬ ВОДЯНОГО ПАРА, ВОДНЫЙ БАЛАНС, ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС, РАДИАЦИОННЫЙ БАЛАНС, ТУРБУЛЕНТНЫЙ ОБМЕН, СКРЫТАЯ ТЕПЛОТА ИСПАРЕНИЯ, ТЕПЛОПОТОК В ПОЧВЕ, ПРИРОДНАЯ СРЕДА, ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ, ГЕОБОТАНИЧЕСКИЕ ЗОНЫ

Впервые для Казахстана произведен расчет испаряемости по методу Будыко-Зубенок, учитывающий соотношения радиационного баланса увлажненной территории с температурой и влажностью воздуха, которые оказывают главенствующее влияние на физико-географические процессы и состояние природной среды. Определена внутригодовая изменчивость испаряемости по ландшафтным зонам, построена карта изолиний годовой испаряемости. Получены переходные коэффициенты %-ной изменчивости испаряемости от годовой ее суммы, позволяющие в дальнейшем рассчитывать месячное суммарное испарение для различных геоботанических зон Казахстана.

Испаряемость, как это следует из работ [1, 2, 6], представляет собой потенциально возможное испарение при данных метеорологических условиях с достаточно увлажненной поверхности, и дает наглядное представление о верхнем пределе испарения с суши, когда оно не лимитируется недостатком влаги в почве.

Испаряемость - характеристика, широко используемая в географических и климатических исследованиях при расчете безвозвратных потерь влаги на испарение. Она определяется следующими метеорологическими факторами: теплоэнергетическим балансом территории, дефицитом влажности воздуха и интенсивностью турбулентного влагообмена в погранич-

* КазНУ им. аль-Фараби, г. Алматы

105

ном слое лито- и атмосферы. Испаряемость принято считать комплексной характеристикой процессов тепло- и влагообмена в различных географических зонах. Поэтому определение этой характеристики необходимо для расчета суммарного испарения, основного расходного элемента уравнений теплового и водного балансов любой территории. Различное сочетание теплового и водного балансов в пространстве и во времени приводит к разнообразию физико-географических условий и ландшафтов.

Испарение является определяющим параметром при разработке конкретных схем рационального использования водных и земельных ресурсов для оптимально-логистического развития экономики региона.

Следует отметить, что за испаряемость ряд исследователей принимали испарение с водной поверхности, другие - максимально возможное испарение с оптимально увлажненной поверхности суши. К настоящему времени имеются достаточно большое количество методов для расчета этой характеристики, которые неоднократно обсуждались в научной литературе [1, 6, 7, 8, 9, 11].

В работе приведен обзорный анализ ранних исследований испаряемости в Казахстане по методикам Н.Н. Иванова и В.С. Мезенцева [4, 5], и дано сравнение с результатами расчётов авторов по методу Л. Тюрка и М.И. Будыко, до настоящего времени не проводимых для территории РК.

Формула Н.Н. Иванова [7], широко распространена для расчета испаряемости в середине прошлого столетия, имеет вид:

E = 0,0018(T + 25)2 • (100 - r), мм/с, (1)

где E0, T, r - среднемесячные значения испаряемости, температуры и

относительной влажности воздуха соответственно.

Эта формула получена по водному балансу крупных водоемов. Однако, как следует из [2, 6, 9, 11], из-за различия радиационных и тепло-физических условий и шероховатости поверхностей водной глади и суши испаряемость с воды не может представлять энергетические ресурсы процесса суммарного испарения с поверхности почвы и растительности. Это приводит к значительным погрешностям. В условиях достаточного увлажнения данный метод дает приближенные результаты E0, в условиях сухого пустынного климата - слишком высокие значения (табл. 1).

Согласно В.С. Мезенцеву [9] испаряемость представляет собой энергетические ресурсы испарения, которые равны сумме положительных, «направленных к поверхности почвы» основных элементов теплового ба-106

ланса - Я+, Р+, В+ (положительные значения радиационного баланса, теплового потока в почве и турбулентного теплообмена в атмосфере). Трудности их определения привели автора этого метода к расчету испаряемости через суммы среднесуточных температур воздуха выше 10 °С, т.е. его формула была разработана для теплого периода:

Е0 = 0,2^ Т>; рс+ 306, мм/год. (2)

Анализ этого метода, приведенный в работе [6] показал, что неучет затраты тепла на нагревание почвы завышают годовые значения максимально возможного испарения (табл. 1).

Таблица 1

Годовые значения испаряемости для различных природных условий

Казахстана, мм/год

Геоботанические зоны Расчетный метод автора

Иванов Мезенцев Тюрк Будыко-Зубенок

Лесостепная 873 880 395 739

Степная 893 1000 395 797

Полупустынная 844 1130 470 1092

Пустынная 1446 1320 592 1255

Предгорная 973 - 437 911

Примечание: данные по формулам (1) и (2) приняты из работ [8, 9].

Уравнение Л. Тюрка [11] получено на основе обобщений и анализа элементов водного баланса для речных бассейнов. Для годового периода эта формула имеет вид:

Е0 = 300 + 25Т + 0,05Т3, мм/год, (3)

где Т - среднегодовая температура воздуха.

Анализ, проведенный в работе [2] показал, что формула (3) не пригодна для определения Е0 в условиях континентального климата, где

среднегодовая температура не характеризует температурный режим летнего периода, когда в основном происходит максимальное испарение, т.е. для условий Казахстана данный метод не подходит и дает априори заниженные результаты (табл. 1).

В настоящее время принято считать, что теоретически обоснованным методом является метод Будыко, который используя основные положения теплового баланса установил, что при расчете испаряемости для больших территорий можно пренебречь турбулентным теплообменом с атмосферой, т.е.

107

где ^ - радиационный баланс увлажненной территории, Р - теплопоток в

почве; Ь - скрытая теплота испарения.

В целом же за год, когда величина Р близка к нулю, затраты тепла на испарение Е0Ь приближаются к значению радиационного баланса , т.е. для годового интервала:

Е0 = ^. (5)

Будыко разработал комплексный метод определения испаряемости, который является наиболее физически обоснованным, т.к. в нем учитываются основные определяющие испаряемость факторы - , а также

температура и влажность воздуха.

Для территории СССР Л.И. Зубенок [6] усовершенствовала комплексный метод до практического использования, что позволяет определять значения Е0 для каждого месяца в зависимости от среднемесячного

дефицита влажности воздуха и характера климатических условий различных геоботанических зон - от тундры до пустынь и предгорных районов. Для вычисления ежемесячных значений условного дефицита влажности используются материалы сетевых метеостанций по температуре и упругости водяного пара. Таким образом,

Е0 = / (( ), мм/мес, (6)

где (() = (в — вф) - условный дефицит влажности воздуха; е - максимальная упругость водяного пара, насыщенного при его температуре; -

фактическая влажность воздуха.

При определении величин испаряемости по формулам (3) и (6) были использованы материалы 51 метеостанции за период наблюдений 1990...2010 гг., распложенных в различных географических зонах. Из них, для лесостепной зоны использованы 5 метеостанций, степной - 9, полупустынь - 10, пустынь - 15, для предгорий Юго-Восточного и Восточного Казахстана - 12. Результаты расчетов Е0 усреднялись по метеостанциям

для каждой геоботанической зоны в отдельности (табл. 1).

Сопоставление годовых значений испаряемости из работ [8, 9] и расчетов по формулам (3) и (6) приведены в табл. 1. 108

Данные табл. 1 указывают, что расчетные величины испаряемости по первым трем методам, полностью соответствуют выше проведенному анализу формул (1, 2, 3). Вместе с тем, в работе [3] формулу Тюрка, разработанную для бассейнов экваториальной зоны, пытались «адаптировать» через подобранные поправочные коэффициенты к континентальным условиям Казахстана, что, на наш взгляд, не совсем корректно, и выводы из этой статьи остаются весьма сомнительными. Поэтому, за эталон нами был принят метод Будыко-Зубенок, который, как отмечается в [9], является физически и теоретически обоснованным и показывает наиболее реальные величины испаряемости и их изменения по географическим зонам.

Следует отметить, что Е0 рассчитывалась для двух предгорных районов: для Восточного Казахстана она составила 765 мм/год, для Южных и Юго-Восточных предгорий - 1050 мм/год. Кроме того, испаряемость за зимний период для различных географических условий составляет от 0,2 до 2,2 % от ее годовой суммы, т.е. этими значениями можно пренебречь.

По результатам произведенных расчетов по методу Будыко-Зубенок впервые была построена карта изолиний годовых значений испаряемости для геоботанических зон Казахстана с шагом изолиний в 50 мм (рис.). Надо сказать, что подобной карты в географическом атласе РК нет. Справедливости ради укажем, что в работе [5] приводится карта испаряемости на основе расчетов по методике Н.Н. Иванова, которая априори даёт существенные отклонения от реальных значений Е0.

Месячные значения испаряемости по методу Будыко-Зубенок приведены в табл. 2, где видно, что величины Е плавно возрастают в весенний период, достигают максимума в июне - июле и, начиная с августа, плавно уменьшаются к концу года. По широтам годовые значения Е увеличиваются от лесостепной зоны и достигают наибольших величин в полупустынях - пустынях, в предгорных зонах они соответственно уменьшаются на 20... 38 %.

Таблица 2

Расчетные значения испаряемости по методу Будыко-Зубенок, мм

Природная зона Месяц Год 3-11

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Лесостепная 0 1 10 68 121 149 139 120 84 40 6 1 739 737

Степная 1 2 9 75 124 156 148 132 94 47 7 2 797 793

Полупустын. 3 7 30 98 154 199 200 182 130 67 17 6 1092 1077

Пустынная 6 12 52 114 163 215 223 201 145 83 31 9 1255 1228

Предгорья 5 9 25 84 128 159 164 148 106 56 18 6 907 887

109

КУРГАН

ЧЕЛЯБИНС

ОМСК

НОЦОКУЗНЬЦК

I ГАМАК

САРАТОВ

КОСТ<

'ЕНБУРГ

ПАВЛОДАР

^РУБЦОВСК

ЕРЕЙМЁ11ТАУ АСТАЙЯ

ьаиклш

о ФОР,!,

УЧКУДУК

ЗЛРЛВШЛН

1КЕНТ

НАМАНГАН

ДЖАЛАЛ-АБАД

:тан

ФЕРГАНА^г

® АСТАНА Столицы Iосударс-1 н Условные обозначения

® АЛМАТЫ Города республиканского подчинения | Лесостепь Полупустыня - | Горные районы —' Границы государств

® КАРАГАНДЫ Центры областей 1-1 1ХХХД I - •■■!

® каражал I орода Уу^/УА Степь | | Пустыня ---000_^ Изолинии испаряемости Масштаб: 1 : 10 ООО ООО

Рис. Карта годовых значений испаряемости Ео (мм) по методу Будыко-Зубенок для геоботанических зон

Казахстана.

Кроме того, на основе табл. 2 были получены переходные коэффициенты для расчета месячных величин испаряемости в %-х от годовой суммы Е0 по соотношению

Еп

K =

•100 %.

(7)

Полученные коэффициенты оказались весьма устойчивой характеристикой и закономерно изменяются как внутри года, так и по ландшафтным условиям. Значения этих коэффициентов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Распределение для территории Казахстана месячной испаряемости в %-х

от годовой суммы

Природная зона Месяц

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Лесостепная 0,0 0,2 1,4 9,2 16,4 20,2 18,9 16,2 11,3 5,4 0,8 0,1

Степная 0,1 0,2 1,1 9,4 15,6 19,5 18,6 16,5 11,9 6,0 0,9 0,5

Полупустынная 0,3 0,6 2,7 9,0 14,1 18,2 18,3 16,7 11,9 6,1 1,5 0,5

Пустынная 0,5 1,0 4,1 9,1 13,0 17,2 17,7 16,0 11,5 6,6 2,4 0,7

Предгорная 0,6 1,0 2,8 9,3 14,1 17,5 18,0 16,3 11,7 6,2 2,0 0,7

На взгляд авторов, внутригодовой ход процессов испарения должен соответствовать аналогичным изменениям теплоэнергетических и климатических факторов, т.е. изменчивость суммарного испарения внутри года следует аналогичному ходу испаряемости. Основываясь на логическом анализе этих процессов полагаем, что полученные значения переходных коэффициентов из табл. 3 вполне позволяют использовать их для расчета суммарного испарения за месячные интервалы времени в %-х от годовой суммы. Они вполне сопоставимы с аналогичными коэффициентами для некоторых географических зон бывшего СССР, приведенных в [9]. Однако данные табл. 3 были получены по материалам двух последних десятилетий и целенаправленно только для географических зон Казахстана.

Таким образом, изменения климатических условий в последние десятилетия предопределили изучение изменчивости одного из главных элементов теплового и водного балансов - испарения для территории Казахстана. По результатам проведенных исследований авторы пришли к следующим выводам и положениям.

1. Расчеты годовых величин испаряемости из работ [4, 5] и материалы наблюдений метеостанций для различных ландшафтных зон РК показали, что значения Е0 по методикам Н.Н. Иванова, В.С. Мезенцева и

111

Л. Тюрка дают существенные отклонения от результатов по комплексному методу М.И. Будыко.

2. Метод Будыко-Зубенок является наиболее теоретически обоснованным, так как учитывает соотношения радиационного баланса увлажненной территории с температурой и влажностью воздуха, которые оказывают определяющее влияние на физико-географические процессы и состояние природной среды. С учетом изложенного, данный метод вычисления испаряемости является эталонным.

3. Исследования показали, имеет место внутригодовая изменчивость Е0

по геоботаническим зонам (табл. 2).

4. Впервые для территории Казахстана по методу Будыко-Зубенок построена карта изолиний годовой испаряемости, которая имеет как научное, так и практическое значение. Она охватывает изменения Е0 по

всем ландшафтным условиям РК.

5. Полученные переходные коэффициенты, выражающие %-е распределение месячной испаряемости от годовой ее суммы для геоботанических зон, аналогичны внутригодовым параметрам из работы [9]. Это позволяет использовать их при последующих расчетах месячных величин суммарного испарения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Будыко М.И. Климат и жизнь. - Л.: Гидрометеоиздат, 1971. - 470 с.

2. Будыко М.И. Тепловой баланс земной поверхности. - Л.: Гидрометеоиздат, 1956. - 255 с.

3. Вилесов Е.Н., Колча Т.В. О возможности использования формулы Тюрка для расчета испаряемости в условиях Казахстана. // Вестник КазГУ, серия геогр. - 2000. - №1 (10). - С. 10-14.

4. Вилесов Е.Н., Сергеева Ю.Ю. Оценка величины испаряемости и некоторых гидроклиматических параметров в условиях природных зон равнинного Казахстана // Проблемы гидрометеорологии и экологии: Матер. Междунар. научно-практ. конф. - Алматы: 2001. - С. 145-150.

5. Вилесов Е.Н., Таранец Л.К., Таранец С.А. О величине испаряемости на территории Республики Казахстан. // Вестник КазНУ, серия геогр. -1995. - Вып. 2. - С. 188-200.

6. Зубенок Л.И. Испарение на континентах. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976. - 264 с.

7. Иванов Н.Н. Мировая карта испаряемости. - Л.: Гидрометеоиздат, 1957. - 38 с.

112

8. Константинов А.Р. Испарение в природе. - Л.: Гидрометеоиздат, 1968. - 532 с.

9. Мезенцев В.С., Карнацевич Н.В. Увлажненность Западно-Сибирской равнины. - Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - 168 с.

10. Рекомендации по расчету испарения с поверхности суши. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976. - 96 с.

11. Тюрк Л. Баланс почвенной влаги (перев. с франц.). - Л.: Гидрометеоиздат, 1958. - 228 с.

Поступила 10.07.20104

Геогр. гылымд. докторы М.Х. Сарсенбаев

Ж.М. Калдарбекова

БУЛАНУШЫЛЬЩ, ОНЬЩ АНЬЩТАЛУЫ ЖЭНЕ ЦАЗАЦСТАННЬЩ ЛАНДШАФТТЬЩ ЗОНАЛАРЫ БОЙЫНША

ТАРАЛУЫ

Алгаш рет Казацстан уш1н физико-географиялыц процесстер мен цоршаган ортага белгм 6ip эсерт тиг1зетт, ылгалды территориядагы радиациялыц баланс пен ауа температурасы мен ылгалдылыяыныц арасындагы цатынасты ескеретт, Будыко-Зубенок ddid бойынша буланушылыцты аныцтау есептелдi. Ландшафттыц зона бойынша жыл iшiндегi буланушылыцтыц взгерс аныцталып, жылдыц буланушылыцтыц изолиния картасы тургызылды. КР эртYрлi геоботаникалыц зоналары Yшiн, айлыц булану сомасын аныцтауга мYмкiндiк беретiн, буланушылыцтыц жылдыц сомасыныц пайыздыц таралу коэффициентi аныцталды.

113