Первые результаты измерения температуры в снежном покрове на поисковой зимней площадке в Иркутске

Янченко Наталья Ивановна кандидат технических наук, доктор технических наук ведущий научный сотрудник, Иркутский национальный исследовательский технический университет 664074, Россия, Иркутск область, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83 Ianchenko (Yanchenko) Natalia Ivanovna Leading Researcher, Irkutsk National Research Technical University 664074, Russia, Irkutsk region, Irkutsk, Lermontov str., 83 fduecn@bk.ru

Анциферов Евгений Александрович кандидат химических наук доцент, кафедра «Химии и биотехнологии имени В.В. Тутуриной», Иркутский национальный исследовательский технический университет 664074, Россия, Иркутская область, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83 Antsiferov Evgenii Aleksandrovich PhD in Chemistry Associate Professor, Department of Chemistry and Biotechnology named after V.V. Tuturina", Irkutsk National Research Technical University 83 Lermontov str., Irkutsk, Irkutsk region, 664074, Russia antsiferov@istu.edu

Введение

Снежный покров является важной составляющей природно-климатических и хозяйственных особенностей холодных регионов, снег важен для экологической и климатической систем. В связи с этим необходима регистрация фактических характеристик снежного покрова во времени и в пространстве, т.е. мониторинг.

На наш взгляд сведения об исследованиях таких характеристик снежного покрова, как высота и температура на разных высотах снежного покрова, на основании и/или на почве еще ограничены. Можно предположить, что одна из причин – отсутствие доступных измерительных средств. Как пишет O. Y. Goncharova ^[1] «Анализ температуры поверхности почвы, зимних n-факторов и толщины снежного покрова на территории севера Западной Сибири осложняется еще и практическим отсутствием сети метеостанций, на которых осуществляется мониторинг высоты снежного покрова и температуры почвы». Традиционно высота снежного покрова определяется на метеостанциях как среднее значение из показаний трех снегомерных реек ^[2]. Исследователи В. В. Калинников, А. В. Устинов, Н. С. Косарев ^[3] оценили точность определения высоты снежного покрова новым методом ГНСС-рефлектометрии (ГНСС – глобальные навигационные спутниковые системы). Об оценке глубины снежного покрова с использованием геодезической станции GPS, пишут Юй К., Бан В., Чжан С., Юй Х ^[4]. О датчиках термокосы, расположенных в снежно-ледяном покрове и подлёдном слое пишет П. В. Богородский c соавторами ^[5]. Коллектив исследователей института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН предложил автономный измерительный комплекс, позволяющий оценивать высоту снежного покрова по изменению температуры на границе атмосфера-снежный покров ^{[6, 7]} и температуру в снежном покрове. О необходимости фактических значений температуры в снежном покрове можно понять, например, из публикации Н.В. Чмых, А.М. Бургонутдинова ^[8], в которой отмечено, что при отсутствии фактических значений Т для расчета удельной теплоемкости снежного покрова они предлагали определять Т при помощи интерполяции, указано, что «промежуточные значения температуры предлагаем определять при помощи интерполяции».

Методика и район исследования

Измерения были сделаны с помощью автономного автоматического программно-аппаратурного атмосферно-снежного комплекса, разработанного в институте мониторинга климатических и экологических систем СО РАН ^{[6, 7]} и установленного на поисковых площадках Иркутского национального исследовательского технического университета (ИРНИТУ) в Иркутске.

В Иркутске снежный покров можно характеризовать как «снег бореальных лесов», если принять типы снегов, основанные на диапазонах географических координатах в градусах северной широты и предложенные исcледователями ^[9], т.е. «классификацию типов снега по трем классам: снег бореальных лесов (47–58° с.ш.), снег тундры (58–74 ° с.ш.) и снег полярной пустыни (74–83 ° с.ш.)…».

В первом измерительном сезоне (январь-апрель 2021 г.) прибор (часть комплекса) был установлен на площадке примерно в 200-300 м от нижнего стадиона ИРНИТУ. Во втором сезоне (ноябрь 2021 г. - март 2022 г.) – на стадионе спортивно-оздоровательной базы ИРНИТУ «Политехник» ( 17 км Байкальского тракта, примерно 28 км от ИРНИТУ), в третьем сезоне (октябрь 2022 г. - весна 2023 г.) и четвертом сезоне (октябрь 2023 г. - весна 2024 г.) – на нижнем стадионе ИРНИТУ (рис. 1). На всех наблюдательных площадках, в месте установки прибора, была низкая трава (до 5-7 см), отсутствие влияния автотранспорта, зданий, деревьев.

Рис.1. Автономный автоматический программно-аппаратурный атмосферно-снежный комплекс. Нижний стадион ИРНИТУ. 4 марта 2023 г.

Комплекс включает измерительную рейку (термокоса) длиной 40 см с малогабаритными цифровыми датчиками температуры (17 шт.,), расположенными через 2,5 см по высоте термокосы, солнечную батарею, контроллер, удаленно расположенные компьютеры. Часть термокосы в тот или иной момент времени может находится в снежном покрове (СП) и регистрировать Т по высоте снежного покрова (шаг 2,5 см), а другая часть термокосы (рейки) может находиться вне СП и соответственно, регистрировать температуру воздуха (рис. 2).

Рис.2. Изменение температуры по высоте рейки 25.02.2021 г., на площадке ИРНИТУ

Измерительный комплекс настроен для регистрации Т каждый час и результаты передаются на удаленный сервер, т.е. 408 значений в течение суток (24 часа*17 микродатчиков=408). Высота снежного покрова (СП) определяется по относительно резкому изменению температуры Т на границе воздух-поверхность снега, которое наиболее заметно в темное время суток, в данном случае выбрано 5 часов ночи. Одно и тоже время выбрано для того чтобы сравнивать высоты в разных дней. Отмечаем, что осенью 2020 г. был перевод часов на зимнее время, в данной статье указано фактическое местное время.

Результаты исследования и их обсуждение

Изменение температуры в снежном покрове

В первом поисковом сезоне измерения начаты 21.01.2021 г. Период с 22.01.2021 г., по 06.03.2021 г., характеризуется как период устойчивых отрицательных температур воздуха, без оттепелей. В этот период Т _{min возд} = – 35,4℃ (01.02.2021), Т_{max возд} = 0,6 ℃ (06.03.2021), Т _{средняя возд} = – 15,9℃. Только 6 марта был переход Т через 0℃ и далее началась устойчивая тенденция к положительным Т воздуха.

На рисунках 3 (а, б, в) представлено изменение Т по высоте снежного покрова в отдельные часы (профиль температуры по высоте, h ≠ const и t = const), а на рисунке 4 – изменение температуры во времени в течение трех суток, но на отдельных высотах (профиль температуры во времени, h = const и t ≠ const).

В статье Fierz C., ^[10] указано, «профиль температуры снега отражает распределение температуры внутри снежного покрова в одной точке, как в пространстве, так и во времени». Профили температуры СП представляют собой как бы моментальный снимок распределения температуры в СП.

На рисунках 3 (а, б, в) показано фактическое изменение температуры по высоте рейки во времени, но для наглядности указано изменение Т только в отдельные часы, в 1, 5, 9, 13, 17, 21 час одних суток 27.01.2021 г., 04.02.2021 г., 04.03.2021 г. В темное время суток происходит наиболее резкое изменение температуры на границе атмосфера-снежный покров, это можно видеть по поведению линий на рисунке 2 (5 часов) и на рисунках 3 (а, б, в) для 5, 9, 23 часа, т.е. по изменению «хода» температур можно указать фактическую высоту снежного покрова.

Можно отметить, что в интервале высот от 0 до 15 см колебания Т незначительные по сравнению с колебаниями Т в верхних слоях снежного покрова (рис.3). Например 4.03.2021г., (рис. 3 в), на конкретной высоте Н = 0 см колебания Т между min и max в течение суток составили минус – Δ 0,9 ℃, на высоте Н=15 см – Δ 2℃, на высоте Н=17,5 см – Δ 2,3 ℃, на высоте Н=20 см – Δ 3,5 ℃, на высоте Н=25 см – Δ 6,3 ℃, на высоте Н=30 см – Δ 10,4 ℃. Например, отметке Н_СП = 0 см (поверхность подстилающего основания) в 3 часа Т ^{3 часа} _max = – 6,6℃, в 15 часов Т ^{15 часа} _min = – 5,7℃ и разница минус – Δ 0,9 ℃.

Fierz C., описывает ^[10] профили температуры снега, измеренные 23–24 февраля 2000 г., на исследовательском участке на высоте 2540 м над уровнем моря, Давос, Швейцария. «…. Эти температурные профили также ясно показывают, что тепло лишь медленно проникает в снег и что тепловые волны сильно затухают с глубиной. Таким образом, ниже примерно 30 см (максимальная высота 50 см) профили температуры показывали только малоамплитудные суточные циклы, которые ниже почти исчезали».

О температуре нижних слоев снежного покрова пишет В.В. Пономарев ^[11], он указывает, что «в зимний период 2017–2018 гг. в заповеднике «Присурский» исследован термический режим снежного покрова и поверхности почвы…. На поверхности почвы в течение зимы под снегом температура составляла около 0°С. В нижней толще снежного покрова (10–20 см от земли) температура зимой составляла 0...-6°С, хотя температура воздуха опускалась до -20 – -25°С» ^[11].

На рисунке 4 показаны изменения температуры в СП в течение суток 13.02.2021 года на отдельных высотах 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 см. Например, на отметке 0 см отмечено изменение Т от - 5,4 °С до - 6,4 °С. На отметке 20 см Т изменяется от - 12,6 °С до - 14,3 °С, на высоте 25 см Т изменяется от - 14,3 °С до - 17,7 °С. Наибольшие изменения Т происходят на высотах, которые ближе к поверхности снежного покрова. Отмечаем, что в эти сутки был снегопад. О связи температуры воздуха, температуры поверхности снежного покрова, скорости ветра и облачности указано в работе В. М. Котлякова и А. В. Сосновского ^[12], но в данной публикации эти факторы не обсуждается.

По данным с 1 марта по 3 марта 2021 г. измерения Т в СП на высотах 10,15,20 и 25 см в течение трех суток (72 часа) построен график (рис. 5). Начало отсчета это 0 часов первых суток. В эти сутки высота снежного покрова Н _max = 32,5 см. Графики похожи на «волны», имеют амплитуды изменения Т на высотах в СП (рис. 5). Наибольшие колебания Т происходят в те часы, когда есть солнечное освещение и в тех слоях СП, которые или на границе, или ближе в границе атмосфера-снежный покров.

О корреляции температуры воздуха и температуры в снежном покрове на высотах

Отдельно представлены графики изменения температуры на разных высотах в снежном покрове и температуры воздуха, с указанием коэффициентов корреляции (рис. 6 а, б, в). Т воздуха замерялась на высоте 40 см, т.к. это максимальная высота термокосы. Так 25.02.2021 г, коэффициент линейной корреляции между Т воздуха и Т на высотах 35, 25, 15 см уменьшается по мере уменьшения высот от поверхности к подстилающему основанию снежного покрова (0 см –подстилающее основание). Коэффициент корреляции между Т воздуха и Т в снежном покрове на высоте 35 см R=0,99; между Т воздуха и Т на высоте 25 см R= 0,72; между Т воздуха и Т на высоте 15 см R=0,15.

По данным от 25 марта 2023 года также установлена линейная корреляция между температурой воздуха и температурой на высотах 15, 25 см в снежном покрове (рис.7 а, б), коэффициент корреляции уменьшается с уменьшением высот в снежном покрове от R=0,85 при Н=25 см (рис. 7 а) до R=0,47 при Н=15 см, в то время как максимальная высота СП 32,5 см постоянна (рис. 7 б, табл. 1). Результат от 27.03.2023 представлен на рисунке 8. Так же можно отметить, что чем ниже максимальная высота СН (табл. 1), тем выше коэффициент корреляции на высотах 10-15 см (рис. 6 в, рис. 7 б, рис. 8).

Таблица 1. Коэффициент корреляции между Т воздуха и Т в снежном покрове

Температура поверхности снежного покрова

В отдельные часы в течение суток, если Т поверхности снежного покрова ниже, чем Т воздуха, то наблюдается явление выхолаживания СП ^[11]. Так В. В. Пономарев ^[11] изучал термический режим снежного покрова и поверхности почвы в заповеднике «Присурский» и отмечает такой факт, что «высота снега 5 апреля составляла 44 см. …. При ясном небе происходило интенсивное выхолаживание приземного слоя (верхнего слоя снега). По данным на 4 ч. над самой поверхностью снега (4–5 см) воздух остыл до -6.4°С, в то время как на высоте 2 м температура была на 6 градусов выше (-0.4°С)».

Установлено, что 22.01.2021 г. максимальная высота СП равна 22,5 см, 23.01.2021 Н _{max СП} =22,5 см и 26.01-28.01.2021 Н _{max СП}=25 см. На рис. 9 показано изменение разности температур между Т воздуха и Т поверхности снежного покрова. Например, 23.01.2023 г, Н _{max СП} =22,5 см и в 8 часов утра Т _возд = – 16,25℃, на поверхности снежного покрова Т _{снежного покрова} = - 18,17℃, Δ=1,9℃ (рис. 9). Температура воздуха замерялась на высоте 40 см, это максимальная высота термокосы. На рисунке 9 показано, что в отдельные часы в течение суток поверхность снежного покрова холоднее воздуха и линии графика расположены выше оси абсцисс.

Ход кривых (рис. 9) имеет свои особенности, связанные не только с изменением Т атмосферного воздуха, но и другими факторами, такими как, выпадение осадков снега, скорость ветра, солнечная радиация и т.д., которые здесь не рассмотрены.

Заключение

Представлены результаты полевых измерений температуры воздуха, температуры в снежном покрове, высоты снежного покрова, полученные с помощью автономного автоматического атмосферно-снежного программно-измерительного комплекса в Иркутске на площадке ИРНИТУ в январе-марте 2021 г., феврале-марте 2023 г. Высота снежного покрова определялась по относительно резкому изменению температуры на границе атмосферный воздух-поверхность снега.

Установлено, что происходит изменение температуры в снежном покрове на одной и тоже высоте в течение суток, при этом в интервале высот от 0 до 15 см (0 см – подстилающее основание) колебания температуры между min и max незначительные по сравнению с колебаниями температуры в верхних слоях снежного покрова.

Показано, что графически изменения температуры в снежном покрове на высотах, которые ближе к атмосферной поверхности снежного покрова имеют более выраженные амплитудные суточные циклы, в отличие от изменений на низких высотах.

Установлена линейная корреляция между температурой воздуха и температурой на различных высотах в снежном покрове, коэффициент корреляции уменьшается с уменьшением высот в снежном покрове, при условии постоянной максимальной высоте снежного покрова, например, в течение суток.

Показано явление выхолаживание поверхности снежного покрова в отдельные часы в течение суток, когда температура поверхности ниже, чем температура воздуха.

Отмечено, что фактические значения, полученные в автономном автоматическом режиме реального времени, такие как температура воздуха, температура и высота снежного покрова могут иметь прикладное значение и со временем, с развитием цифровизации, могут быть востребованны для управления урбо-экосистемой города и/или отедельных территорий.