Суточный ход температуры воздуха у земной поверхности
1. Температура воздуха изменяется в суточном ходе вслед за температурой земной поверхности. Поскольку воздух нагревается и охлаждается от земной поверхности, амплитуда суточного хода температуры в метеорологической будке меньше, чем на поверхности почвы, в среднем примерно на одну треть. Над поверхностью моря условия сложнее, о чем будет сказано дальше.
Рост температуры воздуха начинается вместе с ростом температуры почвы (минут на 15 позже) утром, после восхода солнца. В 13-14 ч температура почвы, как мы знаем, начинает понижаться. В 14-15 ч начинает падать и температура воздуха. Таким образом, минимум в суточном ходе температуры воздуха у земной поверхности приходится на время вскоре после восхода солнца, а максимум - на 14-15 ч.
Суточный ход температуры воздуха достаточно правильно проявляется лишь в условиях устойчивой ясной погоды. Еще более закономерным представляется он в среднем из большого числа наблюдений: многолетние кривые суточного хода температуры- плавные кривые, похожие на синусоиды.
Но в отдельные дни суточный ход температуры воздуха может быть очень неправильным. Это зависит от изменений облачности, меняющих радиационные условия на земной поверхности, а также от адвекции, т. е. от притока воздушных масс с другой температурой. В результате этих причин минимум температуры может сместиться даже на дневные часы, а максимум - на ночь. Суточный ход температуры может вообще исчезнуть или кривая суточного изменения примет сложную форму. Иначе говоря, регулярный суточный ход перекрывается или маскируется непериодическими изменениями температуры. Например, в Хельсинки в январе с вероятностью 24 % суточный максимум температуры приходится на время между полуночью и часом ночи, и только в 13% он приходится на промежуток времени от 12 до 14 ч.
Даже в тропиках, где непериодические изменения температуры слабее, чем в умеренных широтах, максимум температуры приходится на послеполуденные часы только в 50 % всех случаев.
В климатологии обычно рассматривается суточный ход температуры
воздуха, осредненный за многолетний период. В таком осредненном
суточном ходе непериодические изменения температуры, приходящиеся
более или менее равномерно на все часы суток, взаимно погашаются.
Вследствие этого многолетняя кривая суточного хода имеет простой
характер, близкий: к синусоидальному.
Для примера приводим на рис. 22 суточный ход температуры воздуха в
Москве в январе и июле, вычисленный по многолетним данным.
Вычислялась многолетняя средняя температура для каждого часа
январских или июльских суток, а затем по полученным средним часовым
значениям были построены многолетние кривые суточного хода для
января и июля.
Рис. 22. Суточный ход температуры воздуха в январе (1) и июле (2). Москва. Средняя месячная температура 18.5 °С для июля, -10 "С для января.
2. Суточная амплитуда температуры воздуха зависит от многих влияний. Прежде всего она определяется суточной амплитудой температуры на поверхности почвы: чем больше амплитуда на поверхности почвы, тем больше она в воздухе. Но суточная амплитуда температуры на поверхности почвы зависит в основном от облачности. Следовательно, и суточная амплитуда температуры воздуха тесно связана с облачностью: в ясную погоду она значительно больше, чем в пасмурную. Это хорошо видно из рис. 23, на котором представлен суточный ход температуры воздуха в Павловске (под Ленинградом), средний для всех дней летнего сезона и отдельно для ясных и пасмурных дней.
Суточная амплитуда температуры воздуха изменяется еще по сезонам, по широте, а также в зависимости от характера почвы и рельефа местности. Зимой она меньше, чем летом, так же как и амплитуда температуры подстилающей поверхности.
С увеличением широты суточная амплитуда температуры воздуха убывает, так как убывает полуденная высота солнца над горизонтом. Под широтами 20-30° на суше средняя за год суточная амплитуда температуры около 12 °С, под широтой 60° около 6 °С, под широтой 70° только 3 °С. В самых высоких широтах, где солнце не восходит или не заходит много дней подряд, регулярного суточного хода температуры нет вовсе.
Имеет значение и характер почвы и почвенного покрова. Чем больше суточная амплитуда температуры самой поверхности почвы, тем больше и суточная амплитуда температуры воздуха над ней. В степях и пустынях средняя суточная ампли-
Туда достигает 15-20 °С, иногда 30 °С. Над густым растительным покровом -она меньше. На суточной амплитуде сказывается и близость водных бассейнов: в приморских местностях она меньше.
Рис. 23. Суточный ход температуры воздуха в Павловске в зависимости от облачности. 1 - ясные дни, 2 - пасмурные дни, 3 - все дни.
На выпуклых формах рельефа местности (на вершинах и склонах гор и холмов) суточная амплитуда температуры воздуха уменьшена в сравнении с равнинной местностью, а на вогнутых формах рельефа (в долинах, оврагах и лощинах) увеличена (закон Воейкова). Причина заключается в том, что на выпуклых формах рельефа воздух имеет уменьшенную площадь соприкосновения с подстилающей поверхностью и быстро сносится с нее, заменяясь новыми массами воздуха. В вогнутых же формах рельефа воздух сильнее нагревается от поверхности и больше застаивается в дневные часы, а ночью сильнее охлаждается и стекает по склонам вниз. Но в узких ущельях, где и приток радиации, и эффективное излучение уменьшены, суточные амплитуды меньше, чем в широких долинах.
3. Понятно, что малые суточные амплитуды температуры на поверхности моря имеют следствием и малые суточные амплитуды температуры воздуха над морем. Однако эти последние все же выше, чем суточные амплитуды на самой поверхности моря. Суточные амплитуды на поверхности открытого океана измеряются лишь десятыми долями градуса, но в нижнем слое воздуха над океаном они доходят до 1 - 1,5 °С (см. рис. 21), а над внутренними морями и того больше. Амплитуды температуры воздуха повышены потому, что на них сказывается влияние адвекции воздушных масс. Также играет роль и непосредственное поглощение солнечной радиации нижними слоями воздуха днем и излучение ими ночью.
Суточный и годовой ход температуры почвы - это измерение температуры в течение суток или года: днем почва нагревается, ночью охлаждается, минимальную температуру имеет при ясной погоде перед восходом солнца, а максимальную около 13 ч, затем температура начинает снижаться. На амплитуду (разность между. максимумом и минимумом температуры) влияют:
время года (летом амплитуда наибольшая);
географическая широта (амплитуда уменьшается от тропиков к полюсам);
рельеф (южные склоны нагреваются сильнее северных);
растительный и снежный покров снижают амплитуду;
рыхлые почвы имеют большую амплитуду, чем плотные;
темные почвы нагреваются сильнее светлых, поэтому амплитуда температуры темных почв выше, чем светлых;
сухие почвы нагреваются сильнее влажных;
при облачной погоде амплитуда снижается.
Годовой ход температуры поверхности почвы определяется в основном приходом солнечного тепла в течение года. В умеренных широтах северного полушария максимум среднемесячной температуры наблюдается в июле, минимум - в январе-феврале. На амплитуду годового хода температуры в основном влияют те же факторы, что и на амплитуду суточного хода температур, но амплитуда годового хода температур возрастает с увеличением широты. Слой почвы, в котором наблюдается суточный и годовой ход температур, называют активным слоем.
Закономерности распространения тепла в почве подчиняются законам Фурье.
1. Независимо от типа почвы период колебаний не изменяется с глубиной, то есть интервал на всех глубинах между максимумами и минимумами в суточном ходе температуры 24 ч, в годовом - 12 мес.
2. Возрастание глубины в арифметической прогрессии приводит к уменьшению амплитуды температуры в геометрической прогрессии. Так, на поверхности суточная амплитуда равна 30 °С, на глубине 20 см - 5, на глубине 40 см - 1 °С, с глубины 70 см начинается слой постоянной суточной температуры. Амплитуда годовых колебаний температуры уменьшается с глубиной по тому же закону. Постоянную температуру в средних широтах наблюдают на глубине 15...20см.
3. Сроки наступления максимальных и минимальных температур как в суточном, так и в годовом ходе запаздывают с глубиной пропорционально ее увеличению; суточные - на 2,5...3,5 ч на каждые 10 см глубины, годовые - на 20...30сут на каждый метр глубины.
Рис. 4.3. Изоплеты годового хода температуры почвы в Москве на оголенном участке (а) и под травяным покровом (б)
Изменения температуры в почве с глубиной в течение суток или года можно представить в виде графика изоплет (рис. 4.3). Нанеся средние значения температуры на разных глубинах для конкретного пункта наблюдений в различные месяцы (часы), плавно проводят изолинии (изоплеты), соединяющие точки с равными температурами.
Контрольные вопросы и задания
1. Перечислите процессы нагревания и охлаждения почвы. 2. При каких условиях тепло идет в глубь почвы (тип инсоляции), а при каких поток тепла направлен из глубины к поверхности (тип излучения)? 3. Опишите приборы и методы измерения температуры почвы и грунта. 4. Что влияет на амплитуду суточного хода температуры почвы? 5. Что такое график изоплет?
Суточный и годовой ход температуры почвы
Наблюдения за температурой поверхности почвы и температурой на различной глубине проводятся на некоторых метеорологических станциях уже более 70-80 лет. Обработка этих данных позволила установить закономерности изменения температуры почвы в течение суток и года.
Изменение температуры почвы в течение суток называется суточным ходом. Суточный ход температуры имеет обычно один максимум и один минимум. Минимум температуры поверхности почвы при ясной погоде наблюдается перед восходом Солнца, когда радиационный баланс еще отрицателен, а обмен теплом между воздухом и почвой незначителен. С восходом Солнца, по мере изменения знака и величины радиационного баланса, температура поверхности почвы возрастает, особенно при ясной погоде. Максимум температуры наблюдается около 13 ч, затем температура начинает понижаться, что продолжается до утреннего минимума.
В отдельные дни указанный суточный ход температуры почвы нарушается под влиянием облачности, осадков и других факторов. При этом максимум и минимум могут смещаться на другое время. Хорошо выраженный и правильный суточный ход наблюдается в теплый период при ясной погоде.
Изменение температуры почвы в течение года называется годовым ходом. Обычно график годового хода строится по средним месячным температурам почвы. Годовой ход температуры поверхности почвы определяется в основном различным приходом солнечной радиации в течение года. Максимальные средние месячные температуры поверхности почвы в умервнных широтах северного полушарля наблюдаются обычно в июле, когда приток тепла к почве наибольший, а минимальные - в январе - феврале.
Разность между максимумом и минимумом в суточном или годовом ходе называется амплитудой хода температуры.
Факторы, влияющие на амплитуду суточного и годового хода температуры почвы
На амплитуду суточного хода температуры почвы влияют:
1) время года; летом амплитуда наибольшая, зимой - наименьшая;
2) географическая широта; амплитуда связана с полуденной высотой Солнца, которая в один и тот же день возрастает в направлении от полюса к экватору; поэтому в полярных районах амплитуда незначительна, а в тропических пустынях, где к тому же велико эффективное излучение, она достигает 50-60° С;
3) рельеф местности; по сравнению с равниной южные склоны нагреваются сильнее, северные слабее, а западные несколько сильнее восточных; соответственно изменяется и амплитуда;
4) растительный и снежный покровы; амплитуда суточного хода под этими покровами меньше, чем при их отсутствии;
5) теплоемкость и теплопроводность почвы; амплитуда находится в обратной зависимости от теплоемкости и теплопроводности;
6) цвет почвы; амплитуда суточного хода температуры поверхности темных почв больше, чем светлых, так как поглощение радиации и ее излучение у темных поверхностей больше, чем у светлых; поверхности сухих и рыхлых почв имеют большую амплитуду, чем поверхности влажных и плотных почв;
7) облачность: в пасмурную погоду амплитуда значительно меньше, чем в ясную.
На амплитуду годового хода температуры поверхности почвы влияют те же факторы, что и на амплитуду суточного хода, за исключением времени года. Амплитуда годового хода, в отличие от суточного, возрастает с увеличением широты. В экваториальной зоне она в среднем составляет 2-3° С, а в полярных районах материков превышает 70° С (Якутия).
Амплитуда годового хода температуры оголенной поверхности почвы значительно больше, чети поверхности, покрытой растительностью или снегом.
Закономерности распространения тепла в почве
Суточные и годовые колебания температуры поверхности почвы вследствие теплопроводности передаются в более глубокие ее слои. Слой почвы, в котором наблюдается суточный и годовой ход температуры, называют активным слоем. Распространение температурных колебаний в глубь почвы (при однородном составе почвы) происходит в соответствии со следующими законами Фурье.
1. Период колебаний с глубиной не изменяется, т. е. как на поверхности почвы, так и на всех глубинах интервал между двумя последовательными минимумами или максимумами температуры составляет в суточном ходе 24 ч, а в годовом 12 месяцев.
2. Если глубина растет в арифметической прогрессии, то амплитуда уменьшается в геометрической прогрессии, т. е. с уве- " личением глубины амплитуда быстро уменьшается.
Слой почвы, температура в котором в течение суток не изменяется, называют слоем постоянной суточной температуры.
Температурный режим почвы __67
В средних широтах этот слой начинается с глубины 70-100 см. Слой постоянной годовой температуры в средних широтах залегает глубже 15-20 м.
3. Максимальные и минимальные температуры на глубинах наступают позднее, чем на поверхности почвы (табл. 15). Это запаздывание прямо пропорционально глубине. Суточные максимумы и минимумы запаздывают на каждые 10 см глубины в среднем на 2,5-3,5 ч, а годовые на каждый метр глубины запаздывают на 20-30 суток.
Таблица 15
Среднее время наступления максимумов и минимумов в суточном ходе температуры почвы (июнь)
| Глубина, см | Минимум, ч мин | Максимум, ч мин | Амплитуда " температурных колебаний, °С |
| Нукус (близ Аральского моря, пустыня) |
|||
| Ленинград |
|||
Приведенные законы Фурье иллюстрируются графиками суточного (рис. 12) и годового (рис. 13) хода температуры поверхности почву и температуры на различных глубинах. На этих рисунках четко прослеживается уменьшение амплитуды с глубиной, запаздывание времени наступления максимумов и минимумов с увеличением глубины и независимость периода колебаний от глубины.
Согласно теоретическим расчетам Фурье, глубина, до которой проявляется годовой ход температуры почвы, должна примерно в 19 раз превышать глубину проявления суточных колебаний. В действительности наблюдаются значительные отклонения от теоретических расчетов, и во многих случаях глубина проникновения годовых колебаний оказывается больше расчетной. Это обусловлено различием во влажности почвы по глубинам и во времени, изменением температуропроводности почвы с глубиной и другими причинами. 68
В северных широтах глубина проникновения годового хода температуры почвы составляет в среднем 25 м, в средних широтах- 15-20 м, в южных - около 10 м.
Температурный режим почвы
Рис. 12. Суточный ход температуры почв в июне в Тбилиси.
Цифры у кривых - глубина в метрах.
// /// IV - V VI УГ VIII К-" X XI XII
Рис. 13. Годовой ход средней месячной температуры почвы с естественной поверхностью в Тбилиси. Цифры у кривых - глубина в метрах.
Термоизоплеты
Материалы многолетних наблюдений за температурой почвы на различных глубинах могут быть представлены графически (рис. 14). На таком графике связываются температура почвы, глубина и время. Для построения графика на вертикальной оси откладывают глубины, а на горизонтальной - время (обычно месяцы). На график наносят среднюю месячную температуру почвы на разных глубинах. Затем точки с одинаковой температурой соединяют плавными линиями, которые называют термоизоплеты. Термоизоплеты дают наглядное представление о температуре активного слоя почвы на любой глубине в каждый месяц. Такие графики используют, например, для определения глубины про-
никновения критических температур, повреждающих корневую систему плодовых деревьев.
"/ III V "УН IX XI -1
Рис. 14. Изоплеты температуры почвы (Тбилиси).
Эти графики используют также в коммунальном хозяйстве, в промышленном и дорожном строительстве, при мелиорации.
Мощность мерзлого слоя обязательно учитывается при закладывании дрен в мелиорируемых районах.
Физико-географическое положение.
Физико-географическое положение - это пространственное расположение какой-либо местности (страны, района, населенного пункта или какого-либо другого объекта) по отношению к физико-географическим данностям (экватору, начальному меридиану, горным системам, морям и океанам и т.д.).
Соответственно физико-географическое положение определяется: географическими координатами (широта, долгота), абсолютной высотой по отношению к уровню моря, близостью (или отдаленностью) к морю, рекам, озерам, горам и т.п., положением в составе (расположением) природных (климатических, почвенно-растительных, зоогеографических) зон.
Самарская область расположена на юго-востоке Восточно-Европейской равнины, в центральной части России в 1000 км от Москвы в среднем течении реки Волги по обоим ее берегам, где она делает дугообразную излучину – Самарскую луку. Делится на правобережную и левобережную части.
Правобережье занято Приволжской возвышенностью, пересечённой оврагами и балками. В северной части Самарской Луки - горы Жигули (высота до 370 м). В левобережье, на северо-западе расположено Низкое Заволжье, на северо-востоке - Высокое Заволжье (Сокольи, Кинельские Яры). На юге - пологоволнистая равнина (Средний Сырт, Каменный Сырт), переходящая на юго-востоке в Общий Сырт.
Протяженность области с севера на юг - 335 км, с запада на восток - 315 км. Занимает площадь в 53,6 тыс. кв. км. Это 0,3% общей площади территории России. Граничит с Ульяновской, Саратовской, Оренбургской областями и Республикой Татарстан.
Самара расположена на излучине Самарской луки, на левом берегу реки Волги, между устьями рек Самара и Сок. Протяженность в меридианном направлении - 50 км, в широтном - 20 км. Географические координаты 53°12" северной широты и 50°06" восточной долготы. Площадь территории города - около 465,97 км² .
Город расположен на новых образованиях, которые лежат на пермских породах. Со стороны Волги преобладают песчаные почвы, со стороны реки Самара - глинистые.
На севере города расположены Сокольи горы. Максимальная вершина гора Тип-Тяв - 286 метров.
Температура на поверхности почвы имеет суточный ход. Минимум ее наблюдается в 3 часа, это связано с излучением почвы и наибольшим ее охлаждение перед восходом солнца. Затем температура поверхности почвы до 13-14 и достигает максимума в 15 часов, на это время приходится максимум солнечной радиации.
Рис.1. Температура поверхности почвы.
Анализируя график видно, что максимальная температура почвы в Самаре была 39 градусов в июле в 1984 году, минимальная температура -43 градуса наблюдалась в январе 1942 года.
В среднемесячных и среднегодовых значениях температуры максимум наступает в июле 20,4 ºС, а минимум в январе -13,5 ºС.
Температура воздуха.
Воздух, как и всякое тело, имеет температуру, отличную от абсолютного нуля. Температура воздуха в каждой точке атмосферы со временем непрерывно меняется. Кроме того, в разных местах Земли в одно и то же время она также может существенно различаться.
Рис.2. Температура воздуха.
Анализируя график видно, что максимальное значение температуры воздуха приходится на летние месяцы: июль – +64 ºС в 1954 году, июнь 1954 и 1975 годов +63 ºС. Следовательно, по высоким значениям температуры характерна засушливость. А минимальные значения температуры воздуха приходится на зимние месяцы: декабрь – -46 ºС в 1979 году, январь – -46 ºС в 1979 году,. Средняя месячная температура воздуха изменяется от +26 ºС в июле, до -14 ºС в январе. Следовательно, по низким значениям температуры зима в регионе холодная и продолжительная, а лето жаркое с частыми засухами, с большими колебаниями температуры и неустойчивостью погоды.
Изменение температуры почвы в течение суток называется суточным ходом. Суточный ход температуры обычно имеет один максимум и один минимум. Минимум температуры поверхности почвы при ясной погоде наблюдается перед восходом Солнца, когда радиационный баланс еще отрицателен, а обмен теплом между воздухом и почвой незначителен. С восходом Солнца температура поверхности почвы возрастает, особенно при ясной погоде. Максимум температуры наблюдается около 13 часов, затем температура начинает понижаться, что продолжается до утреннего минимума. В отдельные дни указанный суточный ход температуры почвы нарушается под влиянием облачности, осадков и других факторов. При этом максимум и минимум могут смещаться на другое время (рис.4.2).
Рисунок 4.2. Суточный ход температуры воздуха и почвы на поверхности и на различных глубинах (Воронеж, август). (доступно при скачивании полной версии учебника)
Изменение температуры почвы в течение года называется годовым ходом. Обычно график годового хода строится по средним месячным температурам почвы. Годовой ход температуры поверхности почвы
определяется в основном различным приходом солнечной радиации в течение года. Максимальные средние месячные температуры поверхности почвы в умеренных широтах северного полушария наблюдаются обычно в июле, когда приток тепла к почве наибольший, а минимальные – в январе – феврале.
Разность между максимумом и минимумом в суточном или годовом ходе называется амплитудой хода температуры
.
На амплитуду суточного хода температуры почвы влияют; время года, географическая широта, рельеф местности, растительный и снежный покров, теплоемкость и теплопроводность почвы, цвет почвы, облачность (рис. 4.3).
Рисунок 4.3. Термоизоплеты почвы, годовой ход (доступно при скачивании полной версии учебника)
На амплитуду годового хода температуры поверхности почвы влияют те же факторы, что и на амплитуду суточного хода, за исключением времени года. Амплитуда годового хода, в отличие от суточного, возрастает с увеличением широты.
Суточные и годовые колебания температуры почвы вследствие теплопроводности передаются в более глубокие ее слои. Слой почвы, в котором наблюдается суточный и годовой ход температуры, называется активным слоем
.
К распространению тепла в почве применима общая теория молекулярной теплопроводности, предложенная Фурье. Законы распространения тепла в почве носят название законов Фурье .
Скачать полную версию учебника (с рисунками, формулами, картами, схемами и таблицами) одним файлом в формате MS Office Word