Учебно-методический комплекс дисциплины «Климатология и метрология» для специальности 5М060800 «Экология» учебно-методические материалы

2. Температура воздуха

Температуру воздуха измеряют на высоте 2 м в психрометрической будке. Температура воздуха изменяется в суточном ходе вслед за изменением температуры земной поверхности. Рост температуры воздуха начинается практически вместе с ростом температуры почвы (запаздывание не превышает 15–20 мин.) и продолжается до 14–15 часов. После чего наблюдается уменьшение температуры воздуха. Нарастание температуры в первой половине дня идет быстрее ее понижения во второй половине. Правильный суточный ход температуры воздуха наблюдается лишь в условиях ясной безоблачной (антициклональной) погоды. Часто он нарушается вследствие адвекции (прихода воздушных масс с другой температурой) или изменения условий облачности. Поэтому минимум температуры может сместиться на полдень, а максимум – на ночные часы, суточный ход вообще может исчезнуть или кривая примет очень сложную форму.

Суточная амплитуда температуры воздуха зависит от:

• 
  суточной амплитуды температуры земной поверхности (чем больше амплитуда на поверхности почвы, тем больше она и в воздухе);
  
• 
  сезона года (зимой меньше, чем летом);
  
• 
  широты места (с увеличением широты амплитуда убывает);
  
• 
  характера почвенного покрова и почвы (над растительностью меньше);
  
• 
  близости водных бассейнов (в приморских областях меньше по сравнению с внутриконтинентальными);
  
• 
  рельефа местности (закон Воейкова: на выпуклых формах амплитуда температур уменьшена, на вогнутых – увеличена).
  

Непериодические изменения температуры воздуха, существенно нарушающие правильный суточный ход температуры, связаны с переносом воздушных масс из других районов Земли. Холодные воздушные массы приносят похолодания, а теплые – потепление. Для характеристики непериодических изменений температуры воздуха служит величина междусуточной изменчивости температуры (МИt).

Междусуточная изменчивость температуры мала в тропиках и растет с увеличением широты. В морском климате она больше, чем в континентальном (это связано с особенностями воздушных масс). Наибольшие ее значения отмечены для районов с резко континентальным климатом: внутренние районы Северной Америки и север Западной Сибири – в зимнее время междусуточная изменчивость температуры около 3,5–5ºС. в целом летом она меньше, чем зимой.

Междусуточная изменчивость температуры складывается из 2 составляющих: годового хода температуры и непериодических изменений температуры. Влияние годового хода температуры приводит к очень небольшим межсуточным изменениям. Так, если температура в Минске в январе -6,9ºС, а в июле +17,7ºС, то в среднем в течение полугода температура от суток к суткам должна изменяться на 0,1–0,2ºС в сутки. На самом деле даже в среднем за многолетний период величина изменчивости в июне – августе составляет 1,4–1,8ºС (а ведь в этот период она наименьшая). К зиме с усилением циркуляционных процессов она увеличивается, достигая max в январе – феврале – 2,5–3,0ºС.

Большие значения междусуточной изменчивости температуры воздуха неблагоприятно сказываются на состоянии зданий и сооружений, создают дискомфортные условия для человека. Установлено, что МИt на 6ºС и выше вызывает отрицательные ощущения у человека. Повторяемость таких условий в зимний период в Бресте составляет около 5%. В отдельные дни температура воздуха может изменятся от суток к суткам на величину 20ºС и более.

С суточным ходом температуры и с непериодическими изменениями температуры воздуха связано явление заморозков.

Заморозки – понижение температуры воздуха ночью до 0ºС и ниже в то время, когда средние суточные температуры уже держатся выше 0ºС.

Такие понижения температуры воздуха могут наблюдаться в весенний и осенний период и наносят большой ущерб сельскому хозяйству республики.

В том случае, если температура воздуха остается положительной, а температура почвы или растений из-за радиационного выхолаживания падает до 0ºС или ниже, явление носит название заморозков на почве. Они особенно неблагоприятны для молодых растений.

По причине возникновения заморозки делятся на:

• 
  адвективные (в данный район приходит холодная воздушная масса (арктический воздух); днем температура воздуха больше 0ºС, а ночью в суточном ходе опускается ниже 0ºС);
  
• 
  радиационные (вызываются радиационным выхолаживанием поверхности почвы в малооблачные и тихие ночи, когда эффективное излучение велико, а турбулентность мала и охлажденный воздух не переносится в более высокие слои; характерны для антициклонов);
  
• 
  адвективно-радиационные (вызываются совместным влиянием этих двух причин: вторжением холодного воздуха и его последующим выхолаживанием).
  

По температуре заморозки условно делятся на:

• 
  слабые – температура на поверхности почвы падает до -1–2ºС, а температура воздуха на высоте остается положительной;
  
• 
  сильные – температура на поверхности почвы снижается до -3–4ºС, температура воздуха – отрицательная;
  
• 
  очень сильные – температура на поверхности почвы – до -5–6ºС.
  

Заморозки в воздухе, т.е. на высоте 2 м, в Беларуси бывают во все месяцы теплого периода года, за исключением июля. В апреле повторяемость заморозков почти повсеместно превышает 50%, т.е. из каждых двух дней один бывает с заморозками. В мае повторяемость заморозков резко сокращается, но именно в это время они наиболее опасны. В первой декаде июня повторяемость заморозков уменьшается до 2–4%. Осенние заморозки начинаются, как правило, во второй декаде сентября. В октябре заморозки обычное явление (из каждых 3 дней 2, а то 3 с заморозками). И чем они чаще, тем интенсивнее. Заморозки на почве возможны во все месяцы теплого периода. В г. Бресте заморозки на поверхности почвы в среднем оканчиваются 5 мая и появляются 5 октября. Самый поздний заморозок был отмечен 29.05.1958 г., самый ранний 16.09.1953 г.

Возникновение заморозков зависит от типа почвы, микрорельефа. Теплофизические свойства осушенных торфяных почв имеют ряд особенностей: малая теплопроводность (малый поток тепла от нижних слоев почвы), малая теплоемкость (быстрое охлаждение), большая излучательная способность. Все это повышает вероятность возникновение заморозков на таких полях. В нижних частях склонов, в замкнутых понижениях, на дне долин, на лесных полянах, где скапливается холодный воздух, заморозки, наблюдаются чаще. На вершинах и верхних частях склонов, наоборот, реже, как и вблизи водоемов.

Прогнозирование заморозков зависит от их генетического типа.

Предсказание адвективных заморозков связано с общим прогнозом погоды.

Меры борьбы с заморозками.

• 
  Дымление при помощи дымовых куч и с самолета;
  
• 
  Укрытие наиболее ценных культур соломенной резкой, лапами хвойных деревьев, пленкой;
  
• 
  Полив (больше влажность воздуха → меньше эффективное излучение).
  

Распределение средней годовой температуры воздуха на уровне моря представлено на карте. Годовой ход температуры воздуха рассмотрим на примере нашей республики. Температурные условия Беларуси, расположенной в умеренной зоне, четко подразделяют на сезоны года. Внутри сезона температура воздуха более постоянная или имеет однонаправленные изменения и преобладающие типы погоды.

В мае температура воздуха в республике вырастает на 6–7,5ºC и достигает 12–14ºC. Температурное поле в связи с прогреванием восточных областей становится более однородным, средняя температура по РБ +13ºC.

Т.о. весной нарастание температуры идет столь быстро, что каждый последующий месяц теплее предыдущего (на протяжении одной весны).

Лето в Беларуси достаточно теплое и солнечное. Ослабевает Исландская депрессия, уменьшается циклоническая деятельность в умеренных широтах. Усиливается влияние Азорского максимума, который регенерирует антициклоны, идущие на восток. Это приводит к формированию малооблачной погоды. На формирование климата определяющее влияние имеет солнечная радиация. Летом в среднем бывает два дня в месяце с плотными низкими облаками, но немного и абсолютно ясных дней. Подавляющее большинство дней в летние месяцы с переменной облачностью, усиливающейся в послеполуденные часы.

В июне продолжается нарастание температуры воздуха, хотя и более медленное, чем весной. Достигает максимума продолжительность солнечного сияния и высота солнца над горизонтом. Увеличивается R. Средняя месячная температура повышается до 15–17ºC.

С июля начинает уменьшаться величина поступающей солнечной радиации, но температура продолжает повышаться как над сушей, так и над океаном. На территории Беларуси она достигает 17,5–18,5ºC. Только с августа начинается медленное уменьшение температуры до 16–17,5ºC.

В большинстве лет самым теплым месяце года в Беларуси является июль или август. За период 100-летних наблюдений ни разу май или сентябрь не были самыми теплыми месяцами (исключение – май 1993 г. был самым теплым для западных районов).

В сентябре средняя месячная температура составляет 10,5–13ºC, понижение идет с юго-запада на северо-восток, в отличие от летних месяцев, когда самой теплой областью была Гомельская, теплее на крайнем юго-западе (брестская область). Подобное распределение сохранится до конца года. Средняя температура по РБ 11,9ºC.

В октябре на большей части республики температура падает до 5–7,5ºC (6,2). Усиливается роль адвекции в формировании термического поля. В ноябре продолжается резкое падение температуры воздуха: на северо-востоке она отрицательна (-0,5ºC), на юго-западе еще положительна (+2,5ºC). Средняя республиканская температура ноября 0,7ºC. В отдельные годы ноябрь может быть по настоящему зимнем месяцем с температурой
-4–7ºC (что наблюдалось в 1993 г.).

Как и рост температуры весной, так и ее падение осенью идет столь стремительно, что каждый последующий месяц оказывается холоднее предыдущего. Но осенью из этого правила возможны исключения.

Средняя годовая температура в Беларуси составляет 4,5–7ºC, увеличиваясь с северо-востока на юго-запад.

Т.о., средние месячные температуры плавно изменяются от одного месяца к другому, повышаясь от января к июлю или к августу и затем понижаясь.

Разность средней месячной температуры самого теплого и самого холодного месяца называют годовой амплитудой температуры воздуха. Годовая амплитуда температуры воздуха изменяется в зависимости от:

1) географической широты (на экваторе приток солнечной радиации изменяется мало, по направлению к полюсу различия в поступлении солнечной радиации между летом и зимой возрастают, поэтому растет и амплитуда температур воздуха);

2) подстилающей поверхности (над океаном меньше, чем над сушей. Если бы Земля была сплошь покрыта океаном, то годовая амплитуда температуры воздуха изменялась от 0ºC на экваторе до 5–6ºC на полюсах. Такое распределение действительно наблюдается над южной частью Тихого океана, в северной части Тихого океана – амплитуда больше (влияние соседних материков), до 15ºC. Над материками амплитуда еще больше в южном полушарии – более 15ºC, над Азией в Якутии – до 60ºC (а Оймяконе абсолютная амплитуда составляет 102ºC).

3) удаленности от океанов и общей циркуляции атмосферы (годовая амплитуда температуры меньше в тех районах суши, где велика повторяемость воздушным масс морского происхождения и, наоборот, в тех районах океана, где часто господствуют воздушные массы с соседнего материка, амплитуды увеличены).

Не только моря, но и больше озера уменьшают годовую амплитуду температуры воздуха и смягчают климат. Что проявляется на озере Байкал и других.

4) С высотой годовая амплитуда температуры убывает. В горах внетропического пояса температура убывает в среднем на 2ºС на каждый километр высоты, в свободной атмосфере больше.

Климат над морем, характеризующийся малыми амплитудами, называется морским, климат над сушей – континентальным. Например, в умеренном поясе в качестве границы между морским и континентальным климатом можно принять амплитуду (годовую) температуры воздуха в 25ºC. Если она меньше 25ºC – климат морской, больше – континентальный. Между ними находится широкая меридиональная полоса переходного климата с разницей экстремальной температуры около 25º (23–25ºC). Она проходит через Карелию, Ленинградскую область, Беларусь и Западную Украину. Годовая амплитуда температуры в континентальных климатах растет за счет зимних холодов: в приморских странах зима теплая, в материковых – морозная. Летние месяцы внутри материков жаркие, а на берегах океанов теплые, но разница не такая значительная, как зимой.

Отличительной особенностью морского климата является смещение самого теплого времени с июля на август, а самого холодного – с января на февраль.

Различие между морским и континентальным климатами заключается и в продолжительности переходных периодов: весна и осень в морских странах продолжительные – до 2 месяцев, а в континентальных – короткие – до 2 недель. Показателем степени континентальность климата служит суточная амплитуда температуры воздуха: внутриматериковые районы – днем жарко, ночью холодно, на берегах морей и океанов – днем тепло, ночью умеренно прохладно. Также степень континентальности можно охарактеризовать при помощи влажности воздуха, чутко реагирующей на удаление от океана (обычно берется дефицит насыщения).
Континентальность климата – совокупность характерных особенностей климата, определяемых воздействиями материка на процессы климатообразования.

Сюда относятся:

1. 
   увеличение в сравнении с океаническими районами годовых и суточных амплитуд температуры воздуха;
   
2. 
   увеличенные междусуточная изменчивость температуры и изменчивость ее аномалий за различные промежутки времени;
   
3. 
   уменьшенные относительная влажность и облачность летом и днем;
   
4. 
   большее, чем на океане, непостоянство в выпадении осадков и общее их уменьшение;
   
5. 
   уменьшенная скорость ветра и т.д.
   

В климате над морем (морской климат) наблюдаются малые годовые амплитуды температуры воздуха по сравнению с континентальным климатом над сушей с большими годовыми амплитудами температуры.

Годовой ход температуры воздуха на широте 62° с.ш. в Торсхавне (Фарерские острова) и Якутске отражает географическое положение этих пунктов: в первом случае – у западных берегов Европы, во втором – в восточной части Азии. Средняя годовая амплитуда в Торсхавне 8°, в Якутске 620C. На континенте Евразия наблюдается возрастание годовой амплитуды в направлении с запада на восток. Величина годовой амплитуды температуры воздуха зависит от географической широты. В низких широтах годовые амплитуды температуры меньше по сравнению с высокими широтами.

Было предпринято несколько попыток математически выразить степень континентальности климата. В формулы вводились кроме показателя амплитуды температуры (объективного) эмпирически подобранные коэффициенты.

,

Была определена «чисто океаническая амплитуда» (которая зависит только от широты): А_т = 5,4·sinφ. Для расчета континентальности необходимо разность фактической годовой амплитуды и «океанической» разделить на фактическую амплитуду. Этот индекс континентальности говорит о том, какая доля амплитуды температуры воздуха создается за счет наличия суши на земном шаре. k<10% в южных частях океанов и близок к 100% (90) во внутренних частях Австралии, северной Африке. Распределение индекса континентальности отражено на карте.

где A_r – годовая амплитуда; А_с – суточная амплитуда; D_о – дефицит влажности; 0,36φ – линейная зависимость суммы трех указанных компонентов от широты φ; 14 – их сумма на экваторе.

Многочисленность формул, их сложность, обилие эмпирически подобранных коэффициентов, отсутствие показателя влияния рельефа, стремление ограничится соотношением только 2 показателей (тепла и влаги) – говорит о нерешенности проблемы. Очевидно, что физическая сущность континентальности заключается в том, что территория получает мало тепла от фазовых переходов воды, что обеспечивает хорошее летнее прогревание, а зимой сильное охлаждение.

В зависимости от широты и континентальности климата выделяют 4 типа годового хода температуры воздуха: экваториальный, тропический, умеренного пояса и полярный (таблица 5). Для характеристики непериодических изменений температуры в течение года служит величина изменчивости средней месячной температуры.

Так, в г. Бресте за 120 лет средняя температура января изменялась от -20,4ºС в 1893 г. до -0,4ºС в 1975 г. (в пределах 19º), а июля – от 16ºС до 22ºС (А = 6º). Но это крайние пределы колебаний, в действительности температура того или иного месяца отклоняется от средней многолетней величины на 3ºС зимой и 1,5ºС летом в сторону увеличения или уменьшения.

Изменчивость средней месячной температуры возрастает с увеличением широты. В морском климате она меньше, чем в континентальном, а особенно велика – в переходных областях, где часто сменяются воздушные массы.
Таблица 5 – Типы годового хода температуры воздуха

Тип	Годовая амплитуда, ºС		Время наступления максимумов*	Время наступления минимумов*	Примечания
	материк	океаны
Экваториальный	5	<1	21.03 23.09	22.06 22.12	Температура выше 0°С весь год
Тропический	10–15	<5	22.06	22.12	Температура выше 0°С весь год (в муссонных областях max перед началом муссона)
Умеренный
континентальный	25–40 (до 60)		Январь	Июль	3 подзоны: субтропическая, собственно умеренная и субполярная
морской		10-15	Февраль	Август
Полярный	30–40	Около 20	Февраль–март	Июль

* даты для Северного полушария.
Если на кривой годового хода температуры откладывать не среднюю температуру каждого месяца, а декадные температуры или температуры по пятидневкам, то плавная кривая «растворится» в зазубринах – возмущениях годового хода.

Если такого рода возмущения устойчивы, т.е. повторяются из года в год, то они носят названия календарных особенностей. На территории Беларуси известны периоды потеплений осенью, на фоне падающей температуры воздуха (падение приостанавливается или наблюдается рост температуры) так называемое «бабье лето». При этом в сентябре максимальные температуры могут достигать +30ºC, а в октябре +25ºC.

В весенний период известны возвраты холода: весной температура в годовом ходе повышается, а в определенные периоды температура существенно падает или рост ее существенно замедляется. Так в мае (средняя месячная температура в РБ +13ºC) температура может понижаться до -3–6ºC, а в июне до 0–2ºC.

Такие возмущения в годовом ходе температуры воздуха свидетельствуют о том, что в данный район в это время вторгаются воздушные массы определенного типа.