0
Экологический клуб
 
"STENUS"
 
 
 
Калужский краеведческий Интернет-портал


 
Алексанов В.В., Салугашвили Р.С.   О распределении температуры поверхности и напочвенных слоев воздуха на модельном участке города Калуги в летний период 2007 года   / /   ИЗВЕСТИЯ КАЛУЖСКОГО ОБЩЕСТВА ИЗУЧЕНИЯ ПРИРОДЫ. Книга восьмая. (Сборник научных трудов)   Под ред. С.К. Алексеева и В.Е. Кузьмичева   Калуга:   КГПУ им. К.Э. Циолковского   -   2008 C. 57-66.



О распределении температуры поверхности и напочвенных

слоев воздуха на модельном участке города Калуги

в летний период 2007 года


В.В. Алексанов, Р.С. Салугашвили

Калужский государственный педагогический университет

им. К.Э. Циолковского, институт естествознания, Калуга


Резюме: Приведены данные о температуре поверхности грунта и воздуха в 11 контрастных точках на модельном участке городской территории за 19 суток летом 2007 г. Предложены модели, описывающие связь температуры напочвенных слоев воздуха в избранных точках с температурой на уровне стандартных метеонаблюдений.


Одним из важнейших параметров окружающей среды является климат. Особенности климата города неплохо описаны в литературе (см., напр., К.Я. Кратцер [1958]), однако главным образом в масштабах мезоклимата, основываясь на сравнении климата города и окружающей местности или крупных частей города. Микроклиматическое районирование территории города проводится с помощью геотопологического подхода, основанного на геоморфологическом анализе [Романова, 2000], что не может отразить все своеобразие городской среды. На территории города, как и за его пределами, микроклиматическая дифференциация реализуется и в мелких масштабах, в пределах однородной застройки (соседства), т.е. на расстоянии в метры и десятки метров. Подобные микроклиматические различия на территории города изучены слабо. Основным фактором формирования микроклимата является неравномерное нагревание разных участков солнцем, поэтому ведущим микроклиматическим параметром, который к тому же наиболее доступен для измерения, является температура. Широко известны закономерности влияния на температуру поверхности свойств почвы, растительности, экспозиции [Микроклимат…, 1967]. Для отдельных городов Европы уже к середине ХХ в. были построены модели для расчета разности температур в городе и сельской местности [Кратцер, 1958]. Однако не существует моделей, которые учитывали бы все факторы формирования микроклимата в совокупности и позволяли предсказать температуру поверхности и воздуха в определенной точке. В связи с этим сохраняется необходимость в полевых измерениях температуры поверхности на различных участках.

Материал и методы

Хотя основным методом климатических исследований являются длительные постоянные наблюдения на стационарных метеорологических станциях, для изучения климата города используются измерения в местах со специфическими условиями в ходе объезда города и анализ случайных данных [Кратцер, 1958].

В качестве модельного участка была выбрана территория Калужского областного эколого-биологического центра учащихся (КО ЭБЦУ). Она расположена в центре города (пер. Старообрядческий, 4; координаты N 54°30'28'', E 36°15'55'') и обеспечивает значительное разнообразие в сочетании природных и антропогенных условий образования микроклимата. На модельном участке было выделено 11 местоположений, различающихся по наличию свойствам грунта, растительности и положению относительно зданий (табл.1).


Таблица 1. Характеристика модельных точек

Наименование точки

Грунт

Растительность и местоположение

у здания

асфальт

рудеральное высокотравье в 0,1 м от стены здания

асфальт

асфальт

4 м от стены здания

двор

среднесугл.

травостой из устойчивых к вытаптыванию видов в 13 м от стены здания

высокотравье

среднесугл.

рудеральное высокотравье в 7 м от стены здания

трава у здания

асфальт

дерновина злаков в 0,1 м от стены здания

ель

среднесугл.

мервопокровный участок под елью

сад

среднесугл.

под смородиной и яблоней

пашня

среднесугл.

черный пар в центре участка

дендрарий

среднесугл.

дендропарк из различных древесных и травянистых растений

«травостой»

среднесугл.

луговые злаки, конский щавель

под деревьями

среднесугл.

защитная полоса из низкорослых деревьев по границе участка


Для изучения контраста микроклиматических условий можно ограничиться измерениями в период наибольшей контрастности микроклиматических условий, каковым являются малооблачные летние дни. Поэтому измерения проводились при различном режиме погоды: 28.05.-1.06.2007 в жаркую ясную погоду, 2.07 и 8-10.07.2007 в устойчивую пасмурную погоду и 20-31.07.2007. Для измерения были выбраны сроки стандартных метеонаблюдений в 0.00, 3.00, 6.00, 9.00, 12.00, 15.00, 18.00, 21.00, а в ясную погоду – также на рассвете. Измерение температуры проводилось цифровыми термометрами и термохронами DS1921G-F5. Во время измерения прибор экранировался от прямой солнечной радиации. Температура воздуха измерялась в тех же точках на высоте 1 см от поверхности. Для контроля проводили измерение температуры воздуха на высоте стандартных метеонаблюдений (2,5 м) в отдалении от зданий и крупных массивов деревьев.

Статистическая обработка проводилась с помощью программы SPSS v.13.0.

Результаты и обсуждение

Распределение температуры поверхности почвы

Температура поверхности почвы в пределах модельной территории распределена с большими контрастами (табл. 2). Наиболее высокие температуры отмечаются на открытом асфальте, что можно связать с продолжительным временем освещения, высокой теплопроводностью и теплоемкостью данного материала и отсутствием растительности. Участок асфальта вблизи здания холоднее открытого участка. Это можно объяснить меньшей продолжительностью инсоляции в связи с его затенением высокотравьем и самим зданием. Обращает на себя внимание также высокая температура поверхности почвы под черным паром, превышающая таковую на искусственных покрытиях вблизи здания. В целом теплые участки (асфальт, пашня, у здания, двор) практически лишены растительности или обладают крайне деградированным травостоем. Самые холодные участки (сад и дендропарк) характеризуются наличием развитого древесного яруса и высоким проективным покрытием травостоя и расположены на влажных суглинках. Некоторое перераспределение в соотношении участков по температурному режиму происходит на протяжении года и в различные режимы погоды. Так, в пасмурную летнюю погоду повышенной температурой отличаются только участки с искусственными покрытиями, а черный пар оказывается не теплее других точек. В конце июля холодными участками оказались сад, высокотравье и участок под елью. Наибольшая разность среднесуточных температур между участками отмечалась в жаркую погоду начала лета, в пасмурную погоду температурные различия сглаживались.

Наибольшая суточная амплитуда температур характерна для теплых открытых участков. Амплитуды на асфальте вблизи здания значительно ниже, чем на открытом участке асфальта, что указывает на аккумулирующую роль здания. Наименьшей амплитудой характеризуются участки с развитой древесной растительностью и подстилкой.

Таблица 2. Распределение температуры поверхности в различных модельных точках на территории ЭБЦУ (°С)

Дата

Точки

Суточные характеристики

средняя

max

min

амплитуда

28.05-1.06

у здания

28,5

39,6

22,5

17,1

асфальт

32,6

48,1

22,7

25,4

двор

23,1

30,6

18,4

12,1

высокотравье

23,7

30,4

19,3

11,1

трава у здания

25,6

33,4

21,3

12,1

ель

24,0

28,5

19,9

8,6

сад

21,5

27,1

18,1

9,0

пашня

29,4

42,2

19,2

23,0

дендрарий

21,6

26,6

18,4

8,2

«травостой»

23,2

28,9

18,3

10,6

под деревьями

-

-

-

-

Разность

11,1

21,4

4,6


08.07-10.07

у здания

17,7

21,7

13,6

8,1

асфальт

18,4

22,6

13,5

9,2

двор

16,9

20,3

12,6

7,6

высокотравье

16,0

18,7

12,4

6,3

трава у здания

16,5

19,3

13,1

6,2

ель

16,1

18,8

12,7

6,1

сад

15,7

18,3

12,5

5,8

пашня

16,9

20,5

13,0

7,6

дендрарий

15,8

18,6

12,4

6,1

«травостой»

16,1

19,1

12,2

6,9

под деревьями

15,7

17,7

12,4

5,3

Разность

2,7

4,9

1,4


Таблица 2. Окончание

Дата

Точки

Суточные характеристики

средняя

max

min

амплитуда

20.07-31.07

у здания

18,5

20,8

17,0

3,7

асфальт

21,7

37,3

14,2

23,1

двор

19,3

26,2

14,9

11,3

высокотравье

16,7

19,2

14,8

4,4

трава у здания

18,5

21,8

16,1

5,6

ель

16,4

17,5

15,3

2,2

сад

16,5

19,8

14,6

5,2

пашня

19,1

24,7

15,4

9,3

дендрарий

17,0

19,9

15,3

4,6

«травостой»

-

-

-

-

под деревьями

16,9

18,0

15,7

2,3

Разность

5,3

19,8

2,9


Положение суточных экстремумов во всех точках одинаково: минимум приходится на 6 часов, максимум – на 15 часов (рис. 1). Временное положение максимумов и минимумов сохраняется в пасмурную погоду. Температурный контраст между участками меняется в течение суток (табл. 3), являясь максимальным в дневные часы, в период максимальных температур, и сглаживаясь утром.

Таблица 3. Суточный ход разности температур между модельными участками (°С)

Время

28.05-1.06

08.07-10.07

20.07-31.07

max

min

Разность

max

min

Разность

max

min

Разность

0.00

26,1

19,4

6,7

16,2

14,7

1,5

18,1

15,8

2,3

3.00

25,2

19,1

6,1

14,4

13,1

1,3

17,6

15,2

2,4

6.00

22,9

18,1

4,8

13,6

12,2

1,4

17,1

14,2

2,9

9.00

24,5

19,8

4,7

16,1

13,9

2,2

17,2

15,1

2,1

12.00

39,9

21,8

18,1

20,6

17,0

3,7

30,7

16,6

14,1

15.00

48,1

26,6

21,4

22,4

17,3

5,1

34,1

17,4

16,7

18.00

43,5

23,1

20,4

22,6

17,7

4,9

26,7

17,4

9,3

21.00

31,5

22,4

9,1

18,3

16,5

1,7

19,0

16,9

2,1


Распределение температуры напочвенных слоев воздуха

Между температурой нижних слоев воздуха и поверхности почвы наблюдается тесная корреляция, поэтому данный показатель распределен подобно предыдущему (табл. 4). Наивысшими средними температурами в ясную погоду отличается пашня и участки над искусственными покрытиями и вблизи зданий, а в пасмурную погоду в качестве очагов тепла сохраняются только участки с искусственными покрытиями. Самыми холодными микростациями являются сад и дендрарий.


Таблица 4. Распределение температуры напочвенных слоев воздуха в различных модельных точках на территории ЭБЦУ

Дата

Точки

Суточные характеристики (°С)

средняя

max

min

амплитуда

28.05-1.06

у здания

26,5

33,1

21,3

11,8

асфальт





двор

26,5

34,8

20,9

13,8

высокотравье

26,9

34,6

21,1

13,5

трава у здания

26,8

35,5

20,7

14,9

ель

26,7

34,9

20,6

14,3

сад

26,0

32,7

20,2

12,4

пашня

27,0

35,1

20,3

14,9

дендрарий

26,5

35,2

19,7

15,5

«травостой»

26,6

35,2

19,6

15,6

под деревьями

-

-

-

-

Разность

1,0

2,9

1,7


Таблица 4. Окончание.

Дата

Точки

Суточные характеристики (°С)

средняя

max

min

амплитуда

08.07-10.07

у здания

17,4

22,1

14,0

8,1

асфальт

17,8

21,6

14,2

7,4

двор

17,2

20,8

13,3

7,5

высокотравье

16,4

20,6

13,1

7,5

трава у здания

17,0

20,5

13,6

6,9

ель

16,8

20,9

13,5

7,4

сад

16,7

19,5

13,2

6,3

пашня

16,9

19,6

13,0

6,6

дендрарий

16,1

19,6

13,1

6,5

«травостой»

16,9

20,9

13,1

7,8

под деревьями

16,3

19,5

13,3

6,2

Разность

1,6

2,6

1,2


Контроль (2,5)

14,7

19,8

10,1

9,7

Суточная амплитуда температуры воздуха распределена не столь закономерно, как амплитуда температуры поверхности. В ясную погоду наибольшая амплитуда была отмечена в микростациях с развитой растительностью.

Для воздуха на высоте 1 см характерен гораздо меньший температурный контраст, чем для поверхности почвы. В то же время амплитуда температуры воздуха близ поверхности почвы была ниже, чем амплитуда на высоте стандартных измерений. В отличие от поверхности почвы, в температурном контрасте нижних слоев воздуха не обнаруживаются различия между ясным и пасмурным режимом погоды.

Таблица 5. Суточный ход разности температуры воздуха между модельными участками (°С)

Время

28.05-1.06

08.07-10.07

max

min

Разность

max

min

Разность

0.00

22,9

21,9

1,0

18,2

16,5

1,7

3.00

22,1

21,3

0,8

16,2

14,0

2,2

6.00

22,1

19,9

2,1

15,3

14,0

1,3

9.00

25,2

23,8

1,3

15,8

15,0

0,8

12.00

32,7

28,4

4,4

19,0

16,5

2,5

15.00

35,5

32,7

2,9

21,3

19,4

1,9

18.00

34,6

30,3

4,2

20,6

17,1

3,5

21.00

27,7

24,8

2,9

18,9

17,5

1,4

Поскольку измерения проводились с периодичностью три часа, суточный ход температуры воздуха и поверхности почвы совпадает (табл. 5): максимум приходится на 15 часов, минимум – на 6 часов как в ясную, так и в пасмурную погоду. Наибольший температурный контраст отмечался в дневные и вечерние часы.


О соотношении термического режима поверхности почвы и напочвенных слоев воздуха

Термический режим воздуха на высоте 1 см характеризуется следующими особенностями. В ясную летнюю погоду на поверхности почвы (30,0°С) амплитуда температур вдвое выше, чем в воздухе на высоте 1 см (15,6°С), в пасмурную погоду – на 1,5°С. Это легко объясняется тем, что днем поверхность быстрее нагревается солнечной радиацией, а ночью быстрее выхолаживается эффективным излучением [Хромов, Петросянц, 1994]. В летнюю пасмурную погоду напочвенный слой воздуха в среднем на 1,8°С теплее, чем воздух на высоте 2,5 м, и такой же температуры, как и поверхность почвы. То есть наблюдается нормальный вертикальный градиент температур. Амплитуда при такой погоде на 1,0°С ниже, чем в воздухе на высоте 2,5 м.

По соотношению температуры поверхности и температуры воздуха в летнюю погоду исследованные точки можно разделить на две группы (ср. табл. 2, 4). Среднесуточная температура на 2-3 градуса выше на поверхности, чем в напочвенных слоях воздуха, во всех «теплых» по абсолютной температуре микростациях (у здания, асфальт, пашня). В «холодных» микростациях (сад и дендропарк) поверхность почвы оказывается на 4-5 градусов холоднее, чем воздух. Причем подобный режим сохраняется и в пасмурную погоду.

Суточный ход температуры воздуха на высоте 2,5 м и вблизи поверхности почвы (1 см) обнаруживает тесную корреляцию (0,888 – 0,968), что позволяет рассчитывать температуру напочвенных слоев воздуха с помощью простых уравнений линейной регрессии (табл. 6). С другой стороны, температуру напочвенных слоев воздуха можно рассчитать, исходя из температуры поверхности (табл. 7).


Таблица 6. Уравнения линейной регрессии температуры воздуха на высоте 1 см по температуре на уровне стандартных метеонаблюдений для территории ЭБЦУ (за 02.07.2007 - 10.07.2007)

Точка

Модель

Параметры

R2

F

df1

df2

Р

Константа

b

у здания

0,890

48,794

1

6

0,0004

-0,388

1,216

асфальт

0,901

54,496

1

6

0,0003

-0,601

1,261

двор

0,841

31,793

1

6

0,0013

1,123

1,035

высокотравье

0,788

22,343

1

6

0,0032

2,774

0,861

трава у здания

0,886

46,736

1

6

0,0005

3,206

0,889

ель

0,877

42,971

1

6

0,0006

4,500

0,751

сад

0,843

32,143

1

6

0,0013

4,917

0,686

пашня

0,934

85,596

1

6

0,0001

1,621

0,976

дендрарий

0,937

88,748

1

6

0,0001

3,303

0,817

«травостой»

0,934

85,002

1

6

0,0001

2,543

0,879

под деревьями

0,919

68,038

1

6

0,0002

4,995

0,694



Таблица 7. Уравнения линейной регрессии температуры воздуха на высоте 1 см по температуре поверхности для разных микростаций территории ЭБЦУ (лето 2007)

Точка

Модель

Параметры

R2

F

df1

df2

Р <

Константа

b

у здания

0,929

857,120

1

66

0,0001

5,124

0,738

асфальт

0,870

214,771

1

32

0,0001

6,021

0,651

двор

0,829

301,092

1

62

0,0001

-0,833

1,112

высокотравье

0,927

770,807

1

61

0,0001

-1,754

1,155

трава у здания

0,921

729,609

1

63

0,0001

-0,972

1,072

ель

0,906

628,230

1

65

0,0001

-2,826

1,198

сад

0,898

552,178

1

63

0,0001

-5,565

1,414

пашня

0,937

941,303

1

63

0,0001

4,874

0,721

дендрарий

0,878

453,987

1

63

0,0001

-7,175

1,505

«травостой»

0,903

585,080

1

63

0,0001

-3,727

1,282

под деревьями

0,900

234,765

1

26

0,0001

1,352

0,935


Заключение

На модельной территории урболандшафта прослеживаются известные факторы формирования термического режима поверхности и нижних слоев воздуха (растительный покров, состав почвы), осложненные наличием искусственных покрытий и зданий, которые определяют режим освещения в течение суток и влияют на процессы теплопроводности своими физическими свойствами. По особенностям термического режима на модельном участке дифференцируются «теплые» и «холодные» микростации.

Температура поверхности и напочвенных слоев воздуха тесно коррелирует, поэтому при дальнейших микроклиматических исследованиях можно ограничиться измерением одного из этих параметров.

Для построения моделей, позволяющих вычислить температуру поверхности или нижних слоев воздуха на основе данных стандартных метеонаблюдений, требуются длительные измерения в различные сезоны и при разных режимах погоды.


Литература

Кратцер К.Я. Климат города: Пер. с нем. – М.: Изд-во иностранной литературы, 1958. – 239 с.

Микроклимат СССР / под ред. д-ра геогр. наук И.А. Гольцберг. – Л.: Гидрометеоиздат, 1967. – 286 с.

Романова Е.Н. Методы использования систематизированной климатической информации при развитии и совершенствовании градостроительных концепций. – М.: Гидрометеоиздат, 2000. – 159 с.

Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. – М.: Изд-во МГУ, 1994. – 520 с.

***

On the microsite distribution of the ground surface and air temperature in a plot of Kaluga in the summer


V.V. Aleksanov, R.S. Salugashwily

Institute of Natural Science KSPU, Kaluga


Abstract: We have given the data on the ground surface temperature and temperature of air at a height of one cm in 11 points of urban area plot at the 19 days of summer 2007 year. We have obtained some statistical models of air temperature around the surface on the temperature of surface and air at a height of two meters.




Скачать.rar



Сайт создан при поддержке РОССИЙСКОГО ГУМАНИТАРНОГО НАУЧНОГО ФОНДА проект № 09-06-59610 а/Ц "Создание экологического Интернет-портала, как регионального компонента экологического образования"; № 10-06-59629 а/Ц"Создание региональной экологической Интернет-библиотеки"


© Авторы статей