Vertical temperature gradients in the basin of Sayano-Shushenskoye Reservoir.pdf Прогнозы весенне-летнего стока рек Сибири осно-вываются на оценках пространственного распределенияв бассейне важнейших его факторов - снежного покро-ва, осадков и температуры воздуха. Если в бассейнеравнинной реки эти характеристики в силу их незначи-тельной изменчивости определяются без труда, то длягорных рек, в условиях недостаточной метеорологиче-ской изученности, задача многократно усложняется.Характер снегонакопления, выпадение осадков и тем-пературный режим здесь тесно связаны с орографией.Наличие связи с высотой местности способствовалоширокому распространению так называемых высотныхзависимостей.Объективная оценка температурного режима на раз-личных высотных зонах в период снеготаяния способст-вует значительному увеличению оправдываемости гид-рологических прогнозов. На практике температура воз-духа неизученной горной части бассейна определяетсяпо температуре опорной станции с учетом вертикально-го градиента. В публикациях отечественных исследова-телей климата горных стран можно встретить различныеего величины. Широкое распространение получила ве-личина 0,6оС/100 м. Опыт построения различных высот-ных зависимостей показал, что интенсивность пониже-ния температуры воздуха в горах в теплый сезон изменя-ется в зависимости от орографии, сезона года, влажностивоздуха, особенностей атмосферной циркуляции, усло-вий подстилающей поверхности и от других факторов.Расчет вертикальных градиентов температуры воздуха вгорах Сибири в период снеготаяния являлся основнойцелью данного исследования.Большой интерес представляет характер распределе-ния температуры воздуха с высотой в бассейне водохра-нилища Саяно-Шушенской ГЭС, отличающийся разно-образием ландшафтов и слабой метеорологической изу-ченностью. Бассейн водохранилища расположен в сред-ней части Азиатского материка, включает юг Краснояр-ского края, районы республик Тывы и Хакасии, частьнаходится в пределах Монгольской Народной Республи-ки. Рассматриваемая территория представляет собойсложную систему горных хребтов и межгорных котло-вин Алтае-Саянского нагорья, включающего восточнуючасть Алтая, Западный Саян, Тувинскую котловину, зна-чительную часть Восточного Саяна и горы РеспубликиТыва. Тувинская котловина играет большую роль в раз-витии синоптических процессов и характере погоды вбассейне. Длина котловины (с запада на восток) около400 км, а ширина варьирует от 60 до 150 км. Котловинасо всех сторон окружена горными хребтами. На севереее границей является хребет Западный Саян, на юге -хребет Танну-Ола. Западной границей котловины слу-жит Шапшальский хребет, принадлежащий к системеВосточного Алтая. С востока ее ограничивают хребетАкадемика Обручева и нагорье Сангилен. Централь-ная пониженная часть котловины имеет абсолютныевысоты 500-800 м, а вершины окружающих ее горподнимаются до высоты 2 000-2 500 м. В отличие отсоседней Минусинской котловины, расположенной ксеверу от разделяющего их Западного Саяна, болееоткрытой с северной стороны, Тувинская котловинасо всех сторон изолирована от соседних районов гор-ными хребтами.Положение бассейна в центре Азиатского матери-ка обусловливает резко континентальный климат,характеризующийся суровой продолжительной зи-мой. В холодное время всю территорию бассейна ох-ватывает Сибирский антициклон, который начинаетформироваться в сентябре и достигает максимума вянваре-феврале. Повсеместно наблюдается инверсиятемператур; градиент повышения температуры с вы-сотой колеблется от 0,5 до 1,2°С/100 м. Мощностьинверсии достигает 2 000 м и выше. В горах, окру-жающих Тувинскую котловину, температура воздухаиногда бывает на 10-20°C выше, чем на дне этой кот-ловины. Котловинный эффект выражается в опуска-нии более плотного холодного воздуха с окружаю-щих гор в котловину, его застаивании и еще больше-му радиационному выхолаживанию вследствие пре-обладания малооблачной безветренной погоды.Для весны на этой территории характерно разви-тие зональной циркуляции атмосферы, сопровож-дающейся прохождением циклонов. В марте теплыефронты скользят по верхней границе выхоложенноговоздуха, что не приводит к турбулентному перемеши-ванию воздуха в приземном слое, часты инверсии. Итолько в начале апреля инверсии разрушаются, кот-ловина начинает прогреваться в результате нарас-тающего перевеса дневного нагрева почвы и воздуханад ночным охлаждением. Устанавливается нормаль-ная температурная стратификация - падение темпера-туры воздуха с увеличением высоты [1].Вертикальные градиенты температур воздухаобычно рассчитываются по данным наблюдений парстанций, расположенных как можно ближе друг отдруга для уменьшения влияния горизонтальных из-менений [2]. В настоящее время в бассейне водохра-нилища Саяно-Шушенской ГЭС на площади181 тыс. км2 действуют 14 метеорологических стан-ций, расположенных на значительном расстояниидруг от друга, в основном в котловине. Температур-ный режим на станциях наблюдается на высотах от540 до 1 400 м. В горах измерения температуры воз-духа не проводятся. В Тувинской котловине (г. Кызыл),действует аэрологическая станция.По данным наблюдений на метеостанциях были рас-считаны вертикальные градиенты температуры воздуха вприземном слое в период снеготаяния (табл. 1). Март небыл включен в расчеты по двум причинам, имеющимотношение к процессу снеготаяния, - частые инвер-сии в котловине и отрицательные температуры насклонах гор. Величины градиентов отличаются боль-шим разбросом, что указывает на влияние локальныхособенностей в расположении станций и значитель-ное удаление друг от друга.Т а б л и ц а 1Вертикальные градиенты температуры воздуха (°С/100 м) по данным метеостанцийв бассейне Саяно-Шушенского водохранилищаСтанции Высота верхнейстанции, м Амплитуда, м Апрель Май Июнь Июль СреднийОленья Речка - Кантегир 1404 689 0,68 0,75 0,51 0,48 0,61Оленья Речка - Кызыл 1404 778 0,82 1,09 1,02 0,96 0,97Оленья Речка - Тоора-Хем 1404 485 0,52 0,66 0,54 0,52 0,56Оленья Речка - Нижне-Усинское 1404 744 0,66 0,78 0,65 0,58 0,67Тоора-Хем - Кызыл 919 293 1,33 1,81 1,81 1,71 1,66Туран - Шагонар 862 323 1,15 1,18 0,59 0,77 0,92Сосновка - Кызыл 947 321 0,31 0,47 0,69 0,78 0,56Сосновка - Сарыг-Сеп 947 241 -0,29 0,00 0,12 0,21 0,01Кунгур-Тук - Кызыл 1310 684 0,69 0,82 0,83 0,86 0,80Кунгур-Тук - Сарыг-Сеп 1310 604 0,50 0,68 0,63 0,65 0,61Кунгур-Тук - Сосновка 1310 363 1,02 1,13 0,96 0,94 1,01Телли - Чадан 983 151 0,00 0,07 0,07 0,33 0,12Хову-Аксы - Шагонар 1043 504 0,69 0,95 0,71 0,87 0,81Средний 0,62 0,80 0,70 0,74 0,72В свободной атмосфере до высоты 4 000 м среднийградиент температуры по данным аэрологическойстанции Кызыл за период апрель - июнь 2006-2007 гг. составил 0,62°С/100 м. Градиенты в свобод-ной атмосфере слабо коррелируются с рассчитаннымиза тот же период по ближайшей паре станций(r = 0,40). Отсутствие дублирующей аэрологическойстанции в бассейне и слабая связь с температурами настанциях не позволяют использовать рассчитанныеградиенты в прогнозах стока.В целях получения объективной оценки распреде-ления температур воздуха с высотой в расчетах задей-ствована вся имеющаяся в Среднесибирском УГМСметеорологическая информация. В расчет были вклю-чены данные наблюдений за температурой воздуха наметеорологических и гидрологических постах бассей-на. Задействованы данные метеорологических стан-ций, расположенных на сопредельных к бассейну тер-риториях. Всего использованы данные наблюдений на25 станциях и 26 постах.В отличие от метеорологических станций, постыведут наблюдения только за максимальной и мини-мальной температурой воздуха. Анализ показал, чтосреднее арифметическое значение между максималь-ной и минимальной суточными температурами возду-ха за период апрель - июль всегда превышают сред-нюю суточную температуру (табл. 2).По данным [2], на распределение температур воз-духа в пределах исследуемой территории значительноевлияние оказывают горизонтальные градиенты. Коли-чество исходной информации не позволяет отдельноотчленить горизонтальную составляющую от высот-ной. Выделение в бассейне районов (рис. 1) позволяетучесть это влияние.Районы были выбраны исходя из особенностейорографии и ландшафтно-гидрологических характери-стик, в дальнейшем границы районов корректирова-лись по виду зависимостей температуры от высоты.Рис. 1. Схема районирования территориипо зависимости T = f(H)Т а б л и ц а 2Величина поправки (°С) от средней между максимальнойи минимальной к средней суточной температуре воздухав бассейне Саяно-Шушенского водохранилищаМесяцРайон IV V VI VIIСевер -0,9 -0,8 -0,6 -0,7Большой Енисей -0,6 -0,4 -0,4 -0,4Малый Енисей -0,7 -0,6 -0,6 -0,7Дархатская котловина -0,7 -0,6 -0,6 -0,7Юг -0,6 -0,2 -0,4 -0,3Хемчик -0,4 -0,3 -0,4 -0,5Для каждого района построены высотные зависимо-сти средних месячных температур воздуха в весенне-летний период (рис. 2). Наблюденные значения былиаппроксимированы линейными зависимостями в соот-ветствии с методом наименьших квадратов. Уравненияпредставлены в табл. 3. Угловые коэффициенты урав-нений, умноженные на 100, и есть средние многолетниемесячные вертикальные градиенты температуры возду-ха, осредненные по районам (табл. 4).Даты схода снежного покрова в котловине обычносовпадают с датами перехода среднесуточной темпера-туры воздуха через 0°.Район "Север"-10-505101520400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200высота, мТемпература воздуха, градапрельмайиюньиюльРайон "Большой Енисей"-50510152025400 600 800 1000 1200 1400высота, мТемпература воздуха, градапрельмайиюньиюльЛ й й ( )Район "Юг"-50510152025500 700 900 1100 1300 1500высота, мТемпература воздуха, градапрельмайиюньиюльЛ й й ( )Район "Хемчик"-10-505101520600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200высота, мТемпература воздуха, градапрельмайиюньиюльРайон "Малый Енисей"-10-5051015201000 1200 1400 1600 1800 2000 2200высота, м Температура воздуха, градапрельмайиюньиюльРайон "Дархатская котловина"Рис. 2. Распределение средних месячных температур воздуха в зависимости от высоты пунктов наблюденийК концу марта пониженные участки районов осво-бождаются от снега. В апреле - мае вертикальный гра-диент достигает максимальных значений, что объясня-ется охлаждающим эффектом заснеженных склонов посравнению с освободившейся от снега котловиной.Периоды с инверсиями снижают расчетные величиныградиентов в апреле. К июню-июлю градиенты повсе-местно уменьшаются, приближаясь к значению0,6оС/100 м.По территории бассейна увеличение градиентов тем-пературы согласуется с общим направлением сниженияувлажненности атмосферы. Наименьшие значения наблю-даются в районах, близких к увлажненному хребту Запад-ный Саян, наибольшие - в засушливой Дархатской котло-вине в пределах Монгольской Народной Республики.По полученным уравнениям можно также приблизи-тельно оценить средние многолетние температуры воз-духа в весенне-летний период на разных высотах.Оценка температурного режима горных стран сопро-вождается еще одной трудностью - задание опорной ме-теостанции, которая обычно расположена в речной доли-не. На графиках наглядно видны отклонения средних зна-чений температуры на станциях от линий связи. Выбравдля оценки температуры на расчетной высоте разныепункты, даже при одинаковом вертикальном градиентеможно получить несколько различающиеся результаты.Т а б л и ц а 3Связь средних месячных величин температур воздуха с высотой пунктов наблюденийМесяц Амплитуда, м Расчетное уравнение Месяц Амплитуда, м Расчетное уравнениеСевер ХемчикIV 400-1 400 Ti = -0,0067·Hi + 5,46 IV 500-1 400 Ti = -0,0061·Hi + 8,56V 400-1 400 Ti = -0,0065·Hi + 12,2 V 500-1 400 Ti = -0,0073·Hi + 17,3VI 400-1 400 Ti = -0,0054·Hi + 17,4 VI 500-1 400 Ti = -0,0073·Hi + 22,9VII 400-1 400 Ti = -0,0051·Hi + 19,2 VII 500-1 400 Ti = -0,0068·Hi + 24,3Большой Енисей Малый ЕнисейIV 600-2 100 Ti = -0,0066·Hi + 4,84 IV 600-2 100 Ti = -0,0079·Hi + 8,04V 600-2 100 Ti = -0,0064·Hi + 12,1 V 600-2 100 Ti = -0,0085·Hi + 16,9VI 600-2 100 Ti = -0,0061·Hi + 18,8 VI 600-2 100 Ti = -0,0072·Hi + 21,5VII 600-2 100 Ti = -0,0054·Hi + 20,2 VII 600-2 100 Ti = -0,0058·Hi + 21,5Юг Дархатская котловинаIV 500-1 400 Ti = -0,0064·Hi + 7,66 IV 1100-2 100 Ti = -0,0085·Hi + 9,10V 500-1 400 Ti = -0,0076·Hi + 17,2 V 1100-2 100 Ti = -0,0091·Hi + 17,8VI 500-1 400 Ti = -0,0074·Hi + 21,9 VI 1100-2 100 Ti = -0,0079·Hi + 22,6VII 500-1 400 Ti = -0,0059·Hi + 22,5 VII 1100-2 100 Ti = -0,0061·Hi + 22,0Примечание. Ti - температура воздуха, град, Hi - высота местности, м.Т а б л и ц а 4Расчетные средние месячные вертикальные градиенты температуры воздуха (°С/100 м) на уровне станцийв бассейне Саяно-Шушенского водохранилищаМесяц Север Б. Енисей Юг Хемчик М. Енисей Дархатская Весь бассейнIV 0,67 0,66 0,64 0,61 0,79 0,85 0,70V 0,65 0,64 0,76 0,73 0,85 0,91 0,76VI 0,54 0,61 0,74 0,73 0,72 0,79 0,69VII 0,51 0,54 0,59 0,68 0,58 0,61 0,59IV-VII 0,59 0,61 0,68 0,69 0,74 0,79 0,68В оперативной практике гидрологических прогно-зов эта задача решается путем расчета средневзвешен-ной температуры воздуха по формуле1( ( ))100njj Tj Hi HjTin=−λ −γ=Σ,где Ti - температура воздуха на высоте Нi, град; Tj -температура на метеостанции, град; Hi - расчетнаявысота, м, Hj - высота метеостанции, м; γ - вертикаль-ный градиент температуры, оС/100 м; λj - весовой ко-эффициент влияния метеостанции; n - число метео-станций, включенных в расчет. Сумма всех весовыхкоэффициентов влияния равна единице.Весовые коэффициенты могут быть определены, на-пример, с помощью оптимизационных процедур, в про-цессе поиска неизвестных параметров в моделях гидро-логических прогнозов [3].Средние месячные значения градиентов по районамможно усреднить нелинейными зависимостями для рас-чета средних многолетних посуточных величин, ис-пользуемых в практике прогнозов талого стока. Учетвлияния на вертикальный градиент смены типов пого-ды, характера подстилающей поверхности, влажностивоздуха и других факторов, позволяет с большой долейобъективности рассчитывать температуру воздуха навсем диапазоне высот бассейна.

Скачать электронную версию публикации