Изучение элементов климата и в том числе элементов водного и теплового балансов конкретных территорий является важной составляющей гидролого-климатических исследований. Разработкам в этой области посвящены публикации многих гидрологов и климатологов, начиная с П. Шрайбера, Э.М. Ольдекопа (1911) и многих других исследователей. В последние десятилетия большое внимание современными гидрологами уделяется реализации математических моделей водного баланса с возможностью одновременного векторного картографирования полей элементов водного баланса и характеристик тепловлагообеспеченности, рассчитанных за разные временные интервалы.
Для подобных картографических обобщений требуется метеорологическая база данных и оптимально соответствующая задачам исследования компьютерная математическая модель. Одной из таких моделей является разработанная И.В. Карнацевичем и С.А. Хрущевым (Омск, 2014) [1–3] компьютерная система массовых расчетов текущих водных балансов речных водосборов неизученных областей суши Weather App, в основу которой положена математическая модель тепловлагообмена между деятельным слоем почвогрунта и атмосферой, получившая название метода гидролого-климатических расчетов В.С. Мезенцева (1957, 1993). Данный метод применялся для районирования Западно-Сибирской равнины по признакам увлажнения и теплообеспеченности и широко используется в современной практике для количественной оценки степени гидромелиоративных воздействий на агроландшафты, для исследования элементов водного и теплового балансов и характеристик естественной тепловлагообеспеченности территорий. Полученные гидрологами с помощью метода В.С. Мезенцева и современных его компьютерных реализаций с автоматизацией картографии поля гидролого-климатических характеристик позволяют решать множество практических задач водохозяйственного и агромелиоративного направлений, а также выполнять эколого-географические и гидролого-климатические исследования для территорий, слабо изученных в гидрологическом отношении.
Целью данного исследования является изучение возможности использования метода гидролого-климатических расчетов В.С. Мезенцева для оценки пространственно-временной изменчивости элементов водного баланса и характеристик естественной тепловлагообеспеченности территории Северного Казахстана. Новизна работы заключается в применении новой компьютерной программы «Weather App» для расчетов по суточным интервалам для территории Казахстана. Это дает новые возможности, например, для оценки водного режима временных водотоков, на которых не ведутся системные наблюдения за водным режимом. Используемый метод расчетов В.С. Мезенцева, с учетом технических возможностей 1960–1980-х гг., уже был апробирован при расчетах с месячной дискретностью исходной метеоинформации и по метеоданным прошлого века. Данные метеонаблюдений, представленные в виде современных электронных баз, позволяют актуализировать выводы в отношении использования метода и современной компьютерной его реализации, а также возможностей подхода в целом при гидрологических исследованиях в условиях недостаточного увлажненных элементарных водосборов Казахстана даже при отсутствии водотоков.
Материалы и методы исследования
Исходными материалами для проведения расчетов текущих водных балансов по материалам наблюдений сотен метеостанций стали ежесуточные данные об атмосферных осадках и средних температурах воздуха за непрерывный ряд суток в течение десятков лет подряд. Для этого была использована выложенная Российским НИИ гидрометеорологической информации Роскомгидромета и Мировым центром данных (г. Обнинск) на сайте [4] база данных в виде сводки ежесуточных измеренных значений средних, минимальных, максимальных значений и ежесуточных сумм атмосферных осадков по наблюдениям на 222 метеорологических станциях территории бывшего СССР (России и сопредельных стран) в пределах периода с 1880 по 2006 г.
Расчеты проводились с помощью Системы управления базами данных (СУБД) «Weather App», созданной в 2011–2013 гг. И.В. Карнацевичем и С.А. Хрущевым на основе метода В.С. Мезенцева, где основные обозначения: KX – суммы атмосферных осадков за соответствующий период, мм; H – суммарное увлажнение, включающее осадки и изменение влагосодержания в деятельном слое, мм; Zm – водный эквивалент теплоэнергоресурсов климата, мм; Z – суммарное испарение, мм; Y – слой стока, мм; V – относительная влажность деятельного слоя почвы, выраженная в долях наименьшей влагоемкости; Vср – средняя за расчетный интервал влажность деятельного слоя почвы.
Результаты исследования и их обсуждение
Использование СУБД «Weather App» [1–3] позволило нам: вычислить значения элементов водного баланса (KX, H, Zm, Z, Y, V, Vср) за ежесуточные интервалы теплого времени года для примера за 2005 г. (рис. 1); сделать выборки из полученных результатов – декадные, месячные, годовые – за любой год, за средний год, месяц, декаду, за вегетационный интервал года (рис. 2–5); построить карту изолиний любого из расчетных элементов за нужный интервал конкретного или среднего года (рис. 6) и карты коэффициентов вариации для любого элемента водного баланса.
Рис. 1. Фрагмент результатов расчета текущих водных балансов с суточным разрешением по метеоданным Петропавловска за 2005 г. (Выполнено Кусаиновой А.А. в программе Weather App)
Рис. 2. Фрагмент результатов расчета ежедекадных сумм ТВБ по суточным интервалам по данным метеостанции Петропавловск за 2005 г. (Выполнено Кусаиновой А.А. в программе Weather App)
На рис. 2 представлены результаты расчета теплового и водного балансов за 2 и 3 декады апреля, а также за 1, 2 и 3 декады мая, июня, июля, августа 2005 г. по суточным интервалам по данным метеостанции Петропавловск.
На рис. 3 отражены результаты расчета месячных сумм, рассчитанных по суточным интервалам элементов теплового и водного балансов за март, апрель, май, июнь, июль, август, сентябрь 2005 г. по данным метеостанции Петропавловск.
Рис. 3. Фрагмент результатов расчета месячных сумм суточных элементов теплового и водного балансов (ТВБ) для метеостанции Петропавловск за 2005 г. (Выполнено А.А. Кусаиновой в программе Weather App)
Рис. 4. Пример результатов расчета ежегодных сумм суточных элементов водных балансов по данным метеостанции Петропавловск (Выполнено А.А. Кусаиновой в программе Weather App)
Рис. 5. Результаты расчета сумм суточных элементов водного баланса за вегетационный период по результатам расчета для станции Петропавловск за 2000–2005 гг. (Выполнено А.А. Кусаиновой в программе Weather App)
Данные рис. 4 показывают пример результатов расчета годовых сумм рассчитанных суточных элементов теплового и водного балансов по данным метеостанции Петропавловск с 1992 по 2002 г. (интервал для примера выбран случайно).
Наибольший интерес для земледелия представляют значения элементов водного баланса за вегетационный период года (с мая по август включительно). На рис. 5 представлен фрагмент таблицы ежегодных сумм элементов водного баланса за период с мая по август для станции Петропавловск.
Результаты расчетов за сутки, декаду, месяц, конкретный год, за средний год, за вегетационный интервал года могут применяться для использования в практике: в зависящем от агроклиматических ресурсов сельском хозяйстве, при расчетах влияния климата на условия работы и жизни населения.
Рис. 6. Пример карты изолиний суммарного увлажнения Н за вегетационный период (май – август) 2005 г. для северной части Евразии, полученной по результатам расчета (построено по данным 40 станций). (Выполнено А.А. Кусаиновой в программе Weather App)
Как показано на рис. 6, благодаря компьютерной программе «Weаther App» стало возможным построить карту изолиний любого из расчетных элементов за нужный интервал конкретного или среднего года. Появилась возможность обработать за короткий срок огромные массивы гидрометеорологических данных, соединить базы данных метеорологических элементов с геопространственной характеристикой [5], например в картографическом редакторе Surfer, и представить карту территориального распределения изолиний.
Одном из шагов при расчете текущих водных балансов (рис. 1) является введение поправочных коэффициентов к осадкам (Кпопр). К величинам измеренных осадков за теплый период (апрель – октябрь) нами вводились поправки на ветровой недоучет и смачивание. Таблицы этих коэффициентов опубликованы в Справочниках по климату СССР. Ниже в таблице приведена выборка значений этих коэффициентов для некоторых казахстанских станций для месяцев теплого периода и в целом для зимнего (ноябрь – март) интервала года.
Значения поправочных коэффициентов Кпопр к суммам атмосферных осадков для некоторых метеорологических станций Казахстана [2]
|
Станция |
Зима |
Апрель |
Май |
Июнь |
Июль |
Август |
Сентябрь |
Октябрь |
|
Павлодар |
1,89 |
1,38 |
1,08 |
1,04 |
1,04 |
1,04 |
1,08 |
1,22 |
|
Риддер |
1,37 |
1,05 |
1,02 |
1,02 |
1,01 |
1,02 |
1,04 |
1,08 |
|
Усть-Каменогорск |
1,33 |
1,06 |
1,01 |
1,01 |
1,01 |
1,01 |
1,02 |
1,04 |
|
Зыряновск |
1,09 |
1,02 |
1,02 |
1,01 |
1,01 |
1,01 |
1,01 |
1,02 |
|
Кокпекты |
1,28 |
1,08 |
1,03 |
1,02 |
1,02 |
1,02 |
1,03 |
1,05 |
При проведении расчетов по интервалам также определялись: КХ – сумма зимних осадков (исправленных на недоучет прибором), испарение со снежного покрова S (слой воды, мм), исправленные осадки первой половины апреля, общее увлажнение зимнего интервала (КХ–S). Значения поправочных коэффициентов к осадкам задавали для каждой метеорологической станции в начале расчета. Поправочный коэффициент к суммам твердых осадков в каждую зиму разный: чем больше сумма твердых осадков за зимний интервал, тем меньше принималось значение поправочного множителя Кпопр.
Заключение
1. В статье рассмотрены новые возможности использования модели воднобалансовых расчетов В.С. Мезенцева, которая позволяет вычислять местный сток за любой интервал времени среднего или конкретного года по исходным данным об атмосферном увлажнении земной поверхности и температурным данным.
2. Система управления базой метеоданных в виде компьютерной программы Weather App позволяет быстро рассчитать многолетние с суточным разрешением цепи гидрографов местного элементарного стока без измерений в речных потоках, исключительно на основе данных метеорологическая станций. Высокая корреляция измеренного и рассчитанного стока, влажности почвы позволяет судить о достаточной точности расчета испарения. Поэтому компьютерную систему расчетов гидрологических характеристик по исходным данным метеонаблюдений «Weather App» можно рекомендовать для воднобалансовых исследований неизученных водосборов Казахстана, где сеть гидропостов на сегодняшний день является недостаточно густой.
3. Оценка водных ресурсов элементарного стока для неизученных водотоков с применением воднобалансовых расчетов не означает отказ от речной гидрометрии, но может стать рациональной и дополнить недостаток информации при малой густоте гидропостов из-за отсутствия постоянных водотоков в условиях недостаточного увлажнения. К сожалению, иногда возможности расчетов с применением СУБД Weather App могут быть ограничены досадным отсутствием метеоданных о температурах и осадках за конкретные сутки и соответственно разрывами в рядах суточных метеонаблюдений для некоторых станций. Но дополнительная работа по восстановлению пропусков в базе метеоданных нивелирует этот недостаток.