Estimation of evaporation in the Aktru mountain-glacier basin based on actual data and geoinformation modeling.pdf Введение Испарение является связующим звеном между гидрологическим циклом и энергетическим балансом поверхности Земли [Liu et al., 2022], а также обеспечивает устойчивость природно-климатических условий. В уравнении водного баланса испарение такой же важный элемент, как атмосферные осадки и сток воды. Их точная оценка в масштабе бассейна имеет решающее значение для понимания процессов регионального гидрологического цикла. Максимально возможное испарение с поверхности принято называть испаряемостью. Для обозначения испаряемости в англоязычной литературе используется термин «потенциальное испарение» (с анг. Potential Evaporation). Традиционные методы оценки испарения и испаряемости включают метод водного баланса, уравнение Пенмана-Монтейта [Monteith, 1965], Л. Тюрка [Turk, 1961] и метод, предложенный Дальтоном (1802 г.), отражающий взаимосвязь между скоростью поверхностного испарения и взаимодействующих факторов [Liu et al., 2022]. Эти методы имеют ряд преимуществ - простую структуру, высокую точность и относительно хорошую применимость. Однако они хорошо работают лишь для расчетов показателей в точке пространства и в стационарном (едином) масштабе [Liu et al., 2022], не позволяя отразить региональные особенности. В последнее время, с развитием технологий дистанционного зондирования и геоинформационного моделирования с высоким пространственно-временным разрешением, возможность количественно оценить динамику испарения в региональном масштабе значительно выросла. Фактические данные об испарении и испаряемости на равнинных территориях доступны для многих районов России, однако данные о распределении этих показателей на больших высотах менее многочисленны. Помимо этого наблюдается недостаток информации о горизонтальной и вертикальной дифференциации испарения и испаряемости в высокогорье. Как отмечено в [Севастьянов, 1998], получение климатических характеристик в горах расчетным путем по данным метеорологических станций затруднено, а подчас и невозможно в связи с большим разнообразием природных условий. Более того, существенными проблемами расчета водного баланса горных водосборов являются крайне редкая сеть наблюдений и ограниченная репрезентативность исходных данных [Мезенцев, 2001]. Другим важным вопросом является необходимость определения взаимосвязей, существующих между испарением из стандартных испаромеров и климатическими данными для территории высокогорий. За последние 40 лет было выявлено, что средняя температура Земли возрастает в среднем за десятилетие на 0,18 °С |NOAA..., 2021]. Исходя из этого ожидалось, что воздух у поверхности станет более сухим, что приведет к увеличению испарения с водной поверхности. Однако данные наблюдений показывают обратное - испарение с водной поверхности снижается [Peterson, Golubev, Groisman, 1995]. Это явление назвали «парадокс в испаромере» (с анг. Pan Evaporation Paradox) [Roderick, Farquhar, 2002]. Возможно, это объясняется увеличением влагосодержа-ния в атмосфере с увеличением ее температуры. Другим фактором, способным оказать влияние на уменьшение испарения в испаромере, может быть уменьшение солнечной радиации в результате увеличения облачности и (или) аэрозолей. Проверить эти гипотезы возможно в результате комплексных гидрометеорологических наблюдений, проведенных на различных территориях и в различных физикогеографических условиях, в том числе в высокогорье Алтая. Цель данной работы - оценка испаряемости в горно-ледниковом бассейне Актру для выявления ведущих факторов его пространственно-временной дифференциации. История водно-балансовых наблюдений в высокогорье Алтая-Саянского региона начинается с 1960-х гг. с Международного гидрологического десятилетия (МГД), проводимого в 1966-1975 гг. В этот период стало широко использоваться понятие «репрезентативный» речной бассейн. Были организованы специальные наблюдения, результаты которых затем распространялись на другие бассейны, находившиеся в аналогичных физико-географических условиях [Тронов, 1968]. В качестве репрезентативных бассейнов были выбраны верховья бассейна р. Мульты и верховья р. Аккем. Томский государственный университет (ТГУ) проводил наблюдения за отдельными составляющими водного и ледового балансов в верховьях р. Актру. После окончания МГД эти наблюдения (в бассейне р. Актру) были продолжены под эгидой Международной гидрологической программы (МГП). Одновременно с МГП слежение за ледниками проводилось в рамках программы наблюдений за колебаниями ледников. Как отмечается в [Руководство..., 2011], для выполнения этих двух программ в Советском Союзе были отобраны семь горноледниковых бассейнов в различных регионах. В Алтае-Саянском регионе в качестве опорного (репрезентативного) горно-ледникового бассейна был выбран бассейн верховьев р. Актру. Климатические условия оледенения в бассейне Актру приближены к некоторым средним значениям для Алтая и более типичны, чем в районе Белухи [Тронов, 1966]. После окончания МГП (1984) материалы за составляющими водного и ледового балансов, а также за колебаниями ледников в бассейне были опубликованы в [Ледники., 1987]. Площадь горно-ледникового бассейна Актру (до выхода долины в межгорную котловину) составляет около 50 км2. Площадь, занятая ледниками, согласно [Narozhniy, Zemtsov, 2011], сократилась в бассейне Актру с 18 км2 в 1850 г. до 14,88 км2 в 2008 г. Современное оледенение располагается в интервале высот от 2 400 до 4 044 м, но основная часть площади приходится на интервал 3 200-3 600 м (рис. 1). В последнее время усилиями ТГУ и его партнеров - Института климатических и экологических систем СО РАН и Института географии РАН, были сделаны шаги по восстановлению регулярных исследовательских экспедиций и модернизации научно-исследовательской инфраструктуры в горноледниковом бассейне Актру. В частности, начиная с 2019 г. возобновлен регулярный гляциологический мониторинг [Кутузов и др., 2019] и установлена сеть автоматических метеостанций. С июля 2021 г. в ни-вально-гляциальной зоне Актру стал проводиться автоматический мониторинг за различными параметрами солнечной радиации. В июле 2022 г. были начаты наблюдения за испарением с водной поверхности при помощи сети стандартных испаромеров ГГИ-3000. Автоматические метеорологические комплексы • Географическая станция Актру j _ I Границы бассейна Актру Ледники ~~~| Пойма р. Актру Изолинии рельефа 100 м ----Изолинии рельефа 500 м X Перевал Учитель А вершина Актру-Баш ■ Испаромер ГГИ-3000 -----Реки ---- Трещины 4044 Рис. 1. Географическое положение и особенности района исследований Fig. 1. Geographical location and main features of the study area Методы исследования Оценка испаряемости может быть проведена с использованием целого ряда методов. При этом уже давно признано, что испаряемость каждой природной поверхности обладает уникальными особенностями. Поэтому испарение с водной поверхности, определяемое с помощью водных испаромеров, будет лишь условно отражать испаряемость с различных типов поверхности. Однако ввиду своей простоты и надежности, использование водных испарителей в условиях горных бассейнов является целесообразным способом организации наблюдений и может, в том числе, применятся и для характеристики испаряемости. В данной статье, методология исследования строится на использовании фактических наблюдений, метеорологического мониторинга, уравнения с эмпирическими коэффициентами, а также геоинформацион-ного моделирования. Исследование выполнено на оборудовании уникальной научной установки «Система экспериментальных баз, расположенных вдоль широтного градиента» ТГУ при финансовой поддержке Минобрнауки России (ИБ-2296.61321Х0043, 13.УНУ.21.0005, договор № 075-15-2021-672). Наиболее точным из разработанных методов считается непосредственное измерение слоя испарившейся воды с помощью водных испарителей. Для изучения и мониторинга водного баланса был выбран испаромер-осадкомер ГГИ-3000. Данный прибор предназначен для измерения и регистрации испарения с почвы и водной поверхности, а также для измерения количества выпавших осадков [Наставление..., 1985]. Испаромер ГГИ-3000 представляет собой два металлических сосуда с испарительной площадью 3 000 см2, высотой 60 см, цилиндрической формы с конусообразным дном. Для изменения испарения по высоте испаромеры ГГИ-3000 были установлены в горно-ледниковом бассейне Актру на разных высотах. Первая группа была установлена на метеоплощадке возле бывшей гидрометеостанции Актру (ГМС Актру) на высоте 2 150 м. Вторая группа была установлена на 700 м выше на метеоплощадке у Голубого озера в гляциальной зоне. Определение испарения с водной поверхности испаромера ГГИ-3000 включает измерение уровня воды в испарителе при помощи объемной бюретки и измерительной трубки, а также измерение атмосферных осадков, принятых дождемером, посредством мерного стакана. Для определения величины испарения за период между двумя смежными сроками наблюдений использовалась следующая формула (1): Zm = h1-h2+P , (1) где Zm - количество воды, испарившейся за период между сроками наблюдений, в 1 мм слоя; Р - количество осадков в 1 мм слоя; h1, h2 - уровень воды в испарителе, полученный как среднее значение из трех исправленных результатов измерений по измерительной трубке, мм (h1 - значение уровня в предыдущий срок наблюдений, h2 - текущий срок). Осадки, собранные дождемером, измеряли в те же сроки, в которые измеряли уровень воды в испарителе. Чтобы определить величину осадков в 1 мм слоя, результат измерения (n), определяемый числом делений мерного стакана, делился на 60. Это является следствием следующего соотношения (2): пх5 _ ~ п --х10= 3 000 60 (2) где V - объем осадков в см3; S - площадь дождемера 2 в см ; 5 - цена одного деления мерного стакана в см3; 10 - число миллиметров в 1 см. Измерения производились через равный промежуток времени. В долине реки Актру - ежедневно в 20.00, а также после каждого сильного ливня. Получив и проанализировав полученные сведения, мы сравнили их с данными метеорологического мониторинга (рис. 2). Метеорологический мониторинг Мониторинг основных метеорологических величин выполнялся в горно-ледниковом бассейне Актру в различных высотно-морфологических и ландшафтных комплексах (табл. 1). Оборудование размещалось с учетом опыта многолетних исследований, выполняемых ранее сотрудниками проблемной научно-исследовательской лаборатории гляциоклиматоло-гии ТГУ. В июле 2021 г. на береговой морене Левого Актру была установлена метеостанция профессионального класса Campbell Scientific с 4-компонентным радиометром-балансомером Hukseflux NR01. Полученные с сети метеорологического мониторинга данные регулярно заносятся в базу данных [Ерофеев, Копысов, Локтионова, 2020]. Гидрометеостанция (ГМС) Актру расположена в понижении троговой долины Актру, поэтому приведенные по ней в климатических справочниках данные, из-за большой закрытости горизонта и отсутствия солнца над горизонтом с декабря по январь, не отражают действительные характеристики прямой, суммарной и рассеянной радиации для всего горноледникового бассейна [Научно-прикладной справочник..., 1993]. Поэтому данные по автоматической метеорологической станции (АМС) Голубое озеро (рис. 2) являются более репрезентативными для водосбора Актру. С высотой суммарная радиация обычно уменьшается за счет увеличения облачности. Однако высокие вершины (АМС Купол) часто оказываются выше пояса облачности. Потому для них характерен более высокий приход суммарной радиации. АМС в бассейне Актру Таблица 1 Automatic weather stations for the Aktru basin Table 1 Показатель ГМС Актру Морена Большого Актру (бывш.) Голубое озеро Вершина Купол Широта (N) Долгота (E) Высота (м н. ур. м.)* Начало наблюдений Логгер (производитель) 87,4667 50,4848 2150 Август 2019 Davis 87,4503 50,418 2406 Август 2020 Davis 87,4365 50,4719 2840 Июль 2021 Campbell 87,4759 50,2881 3556 Август 2021 Davis Измеряемые параметры* ТВ, АО, ОВ, СВ, НВ ТВ, АО, ОВ, СВ, НВ, ТГ ТВ, АО, ОВ, СВ, НВ, КР, ДР, ТГ ТВ, АО, ОВ, СВ, НВ, КР Примечание. * ТВ - температура воздуха, ОВ - относительная влажность, АО - атмосферные осадки (дождь), СВ - скорость ветра, НВ - направление ветра, КР - входящая и отраженная коротковолновая радиация, ДР - входящая и отраженная длинноволновая радиация, ТГ - температура грунта. Notes. * ТВ - air temperature, ОВ - relative humidity, АО - precipitation (rain), СВ - wind speed, НВ - wind direction, КР - incoming and reflected shortwave radiation, ДР - incoming and reflected longwave radiation, ТГ - substrate temperature. Таблица 2 Суммарная среднемесячная солнечная радиация на Голубом озере в 2022 г. (для удобства данные приведены в различных единицах измерения) Table 2 Total average monthly solar radiation on the Goluboye Lake in 2022 (the data are given in different units of measurement for the convenience) Рис. 2. Изменение средней суточной суммарной солнечной радиации S, мДж/(м2/сут) по данным наблюдений АМС и климатических справочников Месяц МДж/м2 мес Дж, с/см2 кВт/м2 Июль 550 0,020 0,21 Август 507 0,019 0,19 Fig. 2. Change in the average daily total solar radiation S, mJ/(m2/day) according to AWS observations and climate handbooks Величины суммарной радиации хорошо увязываются с типами погоды [Белова, 1965]. Также в горных районах следует принимать во внимание большую изменчивость суммарной радиации из-за наличия участков образования локальной облачности [Севастьянов, 1998]. Геоинформационное моделирование морфометрических и солярных показателей проводилось нами на основе цифровой модели рельефа (ЦМР) с пространственным разрешением 2 м, состоящей из 14 650 462 пикселей. Цифровая модель рельефа была получена ТГУ по программе «Наблюдения за ледниками из космоса» Французского космического агентства (CNES). В основе ее создания была стереопара из космических снимков Pleiades. С использованием модуля Potential Incoming Solar Radiation ГИС-пакета SAGA нами были рассчитаны прямая, рассеянная, суммарная солнечная радиация и продолжительность солнечного сияния. Ранее по схожей методике в этом программном модуле были рассчитаны элементы водного баланса для малого модельного водосбора для территории юга Западной Сибири [Ерофеев, Копысов, Никифоров, 2018; Erofeev, Kopysov, 2020]. Расчет показателей солнечной радиации выполнялся при коэффициенте прозрачности атмосферы 70 %. Из-за большей закрытости горизонта разница между продолжительностью солнечного сияния на Голубом озере в июле составила на один час больше, чем на ГМС Актру (11 и 10 ч соответственно). В августе продолжительность солнечного сияния на Голубом озере составила уже на два часа больше (10 и 8 ч соответственно). Для заполнения пропусков в распределении испаряемости по двум водоиспарительным площадкам были использованы методы Н.Н. Иванова и Л. Тюрка, основанные на применении формул с эмпирическими коэффициентами. Изначально формула Н.Н. Иванова [Винников, Викторова, 2009] была предложена для расчета ежемесячных сумм испаряемости: ZM = 0,0018 (25 + Т)2(100 -г), (3) где ZM - слой испарившейся воды, мм/мес; T и r -средние месячные температуры и относительная влажность воздуха. Данная формула разработана для равнинных территорий. Например, в условиях Мещерской низменности осреднение измерений за декаду [Семенова, 2019] давало лучшее совпадение результатов расчетов по формуле Н.Н. Иванова и измеренных испарителем ГГИ-3000, разница между которыми составляет около 5 % за два года наблюдений. В данном исследовании формула была адаптирована нами для расчета испаряемости с суточным разрешением с учетом влияния скорости ветра: ZM = 6 х 10“5(25 + Г)2(100 - г)(1 + 0,72 w2), (4) где ZM - слой испарившейся воды, мм/сут; T и г -средние суточные температура и относительная влажность воздуха, (1 + 0,72 ш2) - поправка на скорость ветра по В.Д. Зайкову [Виников, Викторова, 2009], w2 - скорость ветра на высоте 2 м, м/с. Формула Л. Тюрка [Turc, 1961] первоначально была разработана для юга Франции и севера Африки. Она основана на общедоступных климатических данных, таких как солнечная радиация, температура и относительная влажность воздуха. Для учета влияния скорости ветра формула Л. Тюрка нами также была модернизирована включением поправки В.Д. Зайкова: ZM = 0,21 С (S + 2,094) (1 + 0,72 w2), (5) где ZM - слой испарившейся воды, мм/сут; T - средняя суточная температура воздуха; S - суммарная радиация, мДж/(м2 сут); 0,21 - эмпирический коэффициент, уменьшенный нами в виду добавления в формулу поправки на скорость ветра (у Л. Тюрка изначально 0,31); 2,094 - эмпирическая константа, предложенная Тюрком; C - параметр, учитывающий влияние влажности (при т >50 % С=1). По данной формуле ZM линейно увеличивается пропорционально температуре и солнечной радиации с уменьшением относительной влажности ниже 50 %. В горно-ледниковом бассейне относительная влажность почти всегда больше (рис. 3), а поэтому ZM в основном определяется приходом солнечной радиации. Величина относительной влажности не оказывает существенного влияния. Согласно теории испарения Дж. Дальтона (1802 г.), усовершенствованной в 1882 г. Э.В. Штелингом, скорость выноса испарившихся молекул воды воздушными потоками наряду с дефицитом насыщения воздуха над испаряющей поверхностью являются важнейшими факторами скорости испарения [Винников, Викторова, 2009]. Наши данные с автоматических метеостанций (рис. 4) показывают, что средняя за лето скорость ветра с высотой возрастает, что во многом объясняется уменьшением шероховатости от растительного покрова и увеличением длины разгона воздушных масс. Флуктуации скоростей ветра на метеостанциях наглядно отображают сложность циркуляционных процессов в горах. Градиенты температуры приземного слоя воздуха в горно-ледниковом бассейне Актру В силу большого разнообразия ландшафтных условий, создание карты температуры потребовало использования дифференцированного подхода. В основе наших расчетов был градиент температур, рассчитываемый по сети опорных станций в долине Актру, градиент абсолютных высот, описываемый ЦМР, а также коэффициент неравномерного нагревания земной поверхности. Рис. 3. Распределение средней суточной относительной влажности воздуха г, % за летний период 2022 г. Fig. 3. Distribution of the average daily relative air humidity r, % for the summer period of 2022 Рис. 4. Распределение средней суточной скорости ветра, м/с за летний период 2022 г. Fig. 4. Distribution of the average daily wind speed, m/s for the summer period of 2022 При переходе с неледниковой поверхности на ледниковую, так же как и в [Галахов, Мухаметов, 1999], был применен так называемый скачок температуры. Как указано в [Щетинников, 1976], на его величину оказывает влияние не только изменение подстилающей поверхности, но и размеры ледника, а также местная циркуляция воздуха [Ледники..., 1987]. В целом средние суточные значения «скачка температуры» воздуха на ледниках Актру оцениваются в 1,0-1,5 °С [Ледники..., 1987]. Исследование параметров температурного скачка в данной работе не проводилось. В расчетных формулах нами было использовано значение 1,25 °С. С учетом высотных температурных градиентов, полученных на опорных метеостанциях, территория бассейна была разделена на три зоны: Зона 1. Долина Актру. Отметки абсолютных высот в пределах зоны изменяются в пределах от 1 640 до 2 600 м н. ур. м. Нижняя высотная граница расположена до выхода долины в межгорную котловину. Верхнее соответствует высоте «бараньих лбов» у ледника Левый Актру, которые представляют собой естественный барьер для циркуляции воздушных масс в долине. Измеренный высотный температурный градиент составил 0,2 °С / 100 м. Зона 2. Высокогорные плато и поверхности склонов, примыкающих к ледникам, расположенные в диапазоне абсолютных высот 2 600-3 100 м н.у.м. На данных высотах находятся поверхности плато Учитель и Водопадный. Высотный температурный градиент для них составил 0,5 °С / 100 м. Зона 3. Нивально-гляциальная зона Актру (2 6204 044 м н. ур. м). В основе выделения данной зоны лежал «скачок температуры», наблюдаемый при переходе с неледниковой на ледниковую поверхность. Высотный температурный градиент в данной зоне составил 0,4 °С / 100 м. Ночью на дне долины (до высоты 2 300 м и более) часто наблюдаются инверсии температуры, чем объясняются отрицательные или уменьшенные вертикальные градиенты температуры между ГМС Актру и пунктами наблюдений на склонах [Ледники..., 1987]. Возможно, поэтому температура воздуха с высотой не всегда понижается, что хорошо видно на рис. 5, где в отдельные дни температура с высотой повышается (например, 11 и 27 июля, 10 августа) или выравнивается. Другой элемент методики для расчета карты температур горно-ледникового бассейна Актру - использование коэффициента суточного неравномерного нагревания (Diurnal Anisotropic Heat). Данный коэффициент изначально был предложен в работе [Boehner, Antonic, 2009] и представляет собой аппроксимацию суточного неравномерного распределения тепла по поверхности рельефа, задаваемого ЦМР (6): kt = cos(amax - a) arctan(b), (6) где amax - экспозиция с максимальным общим избыточным теплом; a - экспозиция склона; b - угол наклона. Итоговая формула для расчета градиентов температуры приземного слоя воздуха в горно-ледниковом бассейне Актру имела следующий вид (7): Тх,у,2 = [т2 840 - (?х,у - 2840)Atj] (1 + к), (7) где Тх,у,г - температура в расчетной ячейке растра; Т2 840 - температура воздуха на базовой метеостанции; zxy - абсолютные высоты поверхности рельефа, расположенные выше базовой метеостанции; Atj - градиент температуры по двум соседним метеостанциям; к^ - коэффициент суточного неравномерного нагревания поверхности. Пример расчета градиента температуры приземного слоя воздуха в августе 2022 г. для гляциальной зоны Актру (Зона 3) в программном модуле GRID-калькулятор ГИС-пакета SAGA (8): (4,2 - 1,25) х (g1 - 2840) х 0,004 х (1 + g2), (8) где 4,2 - среднемесячная температура базовой станции, расположенной на Голубом озере (°С); 1,25 -температурный скачок, принятый для ледниковых поверхностей (°С); g1 - ЦМР бассейна Актру (метр н.у.м); 2 840 - высота базовой метеостанции над уровнем моря (метр н. ур. м.); 0,004 - высотный температурный градиент (°С/м); g2 - матрица с коэффициентом суточного неравномерного нагревания земной поверхности. Расчет карт температур приземного слоя воздуха дал возможность перехода от измерений в «точке» к расчету изменения градиентов по всей площади бассейна. Как и по метеоданным (рис. 5), июнь 2022 г. оказался самым теплым месяцем 2022 г. в бассейне Актру. Пространственно-временная динамика среднемесячных показателей приведена в табл. 3 и на рис. 6. Рис. 5. Распределение средних суточных температур воздуха в летний период 2022 г. по данным метеонаблюдений, T (°C) Fig. 5. Distribution of average daily air temperatures in the summer period of 2022 according to registered data, T (°C) Таблица 3 Показатели среднемесячной температуры воздуха лето 2022 г. по данным геоинформационного моделирования (Т зон - среднее в выделенной зоне, Т летнее - суммарные показатели по бассейну) Table 3 Indicators of the average monthly temperature of the surface air layer in the summer of 2022 according to GIS-based modeling (Т зон - average in the target zone, T летнее - summer total temperature for the whole basin) № зоны 1 2 3 Всего Месяц VI VII VIII T зон VI VII VIII Т зон VI VII VIII Т зон Тлетнее Минимальная температура, °С 8,8 6,6 5,5 7 -2,3 -2,7 -4 -3 -1,8 -2,2 -2,5 -2,16 -2,7 Максимальная температура, °С 12,2 10 8,9 10,4 7,5 7 5,8 6,7 6,9 6,5 6,2 6,5 12,2 Среднее, °С 10 7,6 6,6 8 5 4,6 3,3 4,3 3,6 3,2 2,9 3,2 5,5 о 5 Километры N -|3 £ Автоматические метеорологические комплексы I I Контуры ледников ----Реки Температура °C -2-рИС-2И~2-4И4-6 I 6 - 8 I I 8-10 10-12 Рис. 6. Распределение приземной температуры воздуха в бассейне Актру в летние месяцы 2022 г. Fig. 6. Distribution of surface air temperature in the Aktru basin in the summer months of 2022 Рис. 7. Средний суточный слой испаряемости ZM, мм/сут и атмосферные осадки (Х) (правая ось) летом 2022 г. Fig. 7. Average daily potential evaporation depth from ZM mm/day and precipitation (X) (right axis) in the summer of 2022 Результаты и обсуждение Наблюдения за испарением с водной поверхности велись периодически, поэтому на рис. 7 они представлены прямыми линиями, отражающими средние за период между измерениями суточных значений испарения с водной поверхности. На рис. 7 хорошо видно, что в период выпадения осадков испаряемость минимальна, а при отсутствии осадков, как правило, наблюдается ясная солнечная погода и максимальная испаряемость. Суточные значения слоя испаряемости, вычисленные по формуле Н. Н. Иванова с учетом поправки на ветер, сильно завышают суточные максимумы. Однако осреднен-ные за более длительные периоды (декады) результаты расчетов близки к наблюденным. Разница между наблюденными и вычисленными для ГМС Актру 31 %, а для АМС Голубое озеро 9 %. В целом с использованием этой формулы за период июнь-август 2022 г. испаряемость с для ГМС Актру составила 219 мм, что на 161 мм меньше вычисленного по данным АМС Голубое озеро. Данные, полученные с использованием формулы Л. Тюрка, показывают меньшую амплитуду колебаний испаряемости и более приближены к фактическим. Средняя разница между наблюденными и вычисленными для ГМС Актру значениями составляет 9 %, а для АМС Голубое озеро 11 %. При этом за период июнь-август 2022 г. испаряемость для ГМС Актру составила 269 мм, что на 54 мм меньше вычисленного по данным АМС Голубое озеро. Ранее за период 1972-1986 гг. водный эквивалент годовых затрат тепла на испарение для ГМС Актру оценивался в 276 мм [Копысов, 2011]. По формуле из работы А.В. Мезенцева [2001] эта величина тесно контролируется значениями радиационного баланса и с высотой уменьшается, во многом за счет роста затрат тепла на таяние снега и мерзлоты. Вообще в абляционный период испарение в горно-ледниковом бассейне Актру с тающей поверхности снега и льда ничтожно мало и при расчетах водного баланса эту составляющую можно не учитывать [Ледники..., 1987]. Во многом это связано с особенностями сочетания влажности и температуры над ледниками, при которых с тающей снежно-ледниковой поверхности испарение почти отсутствует, а то и вовсе преобладает конденсация. Верификация модели с фактическими (измеренными) данными и их калибровка выполнялись в GRID-калькуляторе ГИС-пакета SAGA с использованием следующего выражения (9): Zm=Z^(1+( ^)), (9) где Zj^ - испарение, полученное по формуле Л. Тюрка; к/_ - коэффициент суточного неравномерного нагревания поверхности; п - калибровочный коэффициент. Результаты подбора калибровочного коэффициента n представлены в табл. 4. Итоговые результаты расчета испаряемости за летние месяцы 2022 г. приведены на рис. 8. Наиболее близкие к реальным значениям испарения для ГМС Актру получились с использованием коэффициента 0,8. Однако для метеостанции, расположенной на Голубом озере, наиболее близким оказался коэффициент 1. В расчете карт среднемесячной испаряемости было использовано среднее значение 0,9. Теплоэнергетические ресурсы испарения (испаряемость) с высотой понижаются за счет понижения температуры воздуха и роста затрат на таяние снега и мерзлоты [Мезенцев, 2001]. Однако в частных случаях, как показали наши данные с испаромеров ГГИ-3000, испаряемость с высотой может увеличиваться. Отчасти это можно объяснить местными условиями расположения приборов. Так, на Голубом озере наблюдается большая скорость ветра и увеличенный приход суммарной солнечной радиации по сравнению с расположенной в понижении рельефа троговой долины водоиспарительной площадки на ГМС Актру. Учет солнечной радиации в формуле Л. Тюрка позволяет эффективно использовать ее для геоин-формационного моделирования испаряемости в высокогорных бассейнах. Важным элементом методики стал учет коэффициента неравномерного нагревания поверхности. Его использование, при расчетах температуры приземного воздуха, а также среднемесячной испаряемости, позволило верифицировать расчетные показатели с измеренными данными и выполнить их калибровку. Таблица 4 Изменение среднемесячной испаряемости в зависимости от разных значений n. Значения фактического (измеренного) испарения приведены в виде суммарных показателей для июля и августа 2022 г. Table 4 Conversion of monthly average potential evaporation depending on different values of n. The values of actual (measured) evaporation are given as total figures for July and August 2022 n Метеоплощадка Испаряемость, мм Месяц 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 Факт. (измер.) ГМС Актру 2150 VII 72,8 72,5 72,3 72 71,7 71,4 71,1 70,8 70,5 - VIII 63,2 62,5 62,2 61,7 61,2 60,7 60,2 59,7 59,2 - Г 136 135 134,5 133,7 133 132 131,3 130,5 129,7 132 Голубое озеро 2840 VII 84 87 89 91 93 95 97 99 101 - VIII 66 67 69 71.5 74 76,5 79 81,5 84 - 150 154 158 162,5 167 171,5 176 180,5 185 163 Август Июль Июнь О 5 10 Километры N Автоматические метеорологические комплексы Испаромеры ГГИ-ЗОМ ----- Реки Ледники Испаряемость, мм 0-20 80 - 100 100-120 Рис. 8. Испаряемость в горно-ледниковом бассейне Актру в 2022 г. Fig. 8. Potential Evaporation from the Aktru mountain-glacial basin in 2022 Исследование взаимосвязей между значениями, полученными в стандартных испаромерах, и климатическими факторами, может быть использовано для разработки коэффициентов, приводящих рассчитанные значения к значениям испаряемости в высокогорье. Теплоэнергетические ресурсы испарения (испаряемость) с высотой понижаются за счет понижения температуры воздуха и роста затрат на таяние снега и мерзлоты [Мезенцев, 2001]. Однако в частных случаях, как показали наши данные с испароме-ров ГГИ-3000, испаряемость с высотой может увеличиваться. Отчасти это можно объяснить местными условиями расположения приборов. Так, на Голубом озере наблюдается большая скорость ветра и увеличенный приход суммарной солнечной радиации по сравнению с расположенной в понижении рельефа троговой долины водоиспарительной площадки на ГМС Актру. Учет солнечной радиации в формуле Л. Тюрка позволяет эффективно использовать ее для геоин-формационного моделирования испаряемости в высокогорных бассейнах. Важным элементом методики стал учет коэффициента неравномерного нагревания поверхности. Его использование при расчетах температуры приземного воздуха, а также среднемесячной испаряемости позволило верифицировать расчетные показатели с измеренными данными и выполнить их калибровку. Исследование взаимосвязей между значениями, полученными в стандартных испаромерах, и климатическими факторами может быть использовано для разработки коэффициентов, приводящих рассчитанные значения к значениям испаряемости в высокогорье.

Скачать электронную версию публикации