Альбедо снега расчет
Обновлено: 07.07.2024
определить альбедо снежного покрова по МОДИСу
Программы и алгоритмы для обработки данных дистанционного зондирования: ERDAS, ENVI и другие.определить альбедо снежного покрова по МОДИСу
В ходе попыток рассчитать средствами Аркгиса интенсивность снеготаяния для безлесной местности возник следующий вопрос - а можно ли по снимку МОДИС оценить альбедо снежного покрова для этих целей, и как?
Если в сканэксовском продукте просматривать снимки NOAA, то значение альбедо снега в видимом канале порядка 0,25. 0,30, а альбедо леса меньше в 5 раз.
Но как все это соотнести с реальными значениями альбедо снега?
Для расчетов предполагается использовать известный метод П.П. Кузьмина, им же самим адаптироыванный для данных стандартных наблюдений. Соответственно радиационная составляющая включает максимально возможные суммы радиации (рассчитаны средствами SAGA GIS) за вычетом альбедо и поправки на облачность.
Добрый день,Вам нужно использовать MOD02, и пересчитать DN (исходные яркости) в spectral reflectance. Либо сразу использовать продукт MOD09 - там данные уже приведены к surface reflectance и сделана атмосферная коррекция. Спасибо!
И это уже готовое альбедо будет?
И какие каналы взять, наверное три видимых, или ближний ИК тоже надо? Репутация: 731 Ваше звание: NextGIS Откуда: Москва Контактная информация: Репутация: 904 Ваше звание: программист Откуда: Казань ecolog писал(а): В ходе попыток рассчитать средствами Аркгиса интенсивность снеготаяния для безлесной местности возник следующий вопрос - а можно ли по снимку МОДИС оценить альбедо снежного покрова для этих целей, и как?
боюсь, альбедо вам мало поможет, поскольку таяние определяется в основном температурой воздуха (если не нужна суточная динамика, то DDF работает). Кроме того, для вычисления слоя стока нужно еще учитывать распределение снега в рельефе.
На региональном уровне запасы снега (по слою стока) можно взять из данных AMSR-E (который стоит на тех же Terra, что и MODIS), но в момент бурного таяния (на открытой равнине снег сходит за 3-7 дней) показания его нестабильны. Косвенно оценить запасы воды (точнее, их относительное распределение) можно по многолетним наблюдениям MODIS, используя динамику снежного покрова и ход температур (используя тот же DDF).
ecolog писал(а): Спасибо!И это уже готовое альбедо будет?
И какие каналы взять, наверное три видимых, или ближний ИК тоже надо? Альбедо
В случае MOD09 - да.
В случае MOD02 - не совсем, нужно еще выполнить атмосферную коррекцию.
Мне кажется только видимые, но могу ошибаться.
Да, по среднесуточной температуре мы считаем уже 4 года. Используем ЦМР, вертикальные градиенты температуры, для каждого типа растительности вводятся свои коэффициенты стаиывания, в качестве карты растительности используем Globcover2009. Результаты вполне удовлетворительные для залесенной территории и не совсем хорошие - для безлесной.
Для безлесной части еще используем формулы Е.Г. Попова , учитывающие суточный ход темпеартуры и скорость ветра. Однако они не учитывают абс. влажность, которая тоже сильно влияет на снеготаяние. Сейчас вот попробуем сделать по методу П.П. Кузьмина (учитывает радиационную и адвективную составляющую снеготаяния). На первый взгляд результаты удовлетворительные, но если уточнить данные по альбедо, оин могут стать еще лучше. Главное, удается определить снижение интенсивности таяния при низкой влажности.
Что касается максимального снегозапаса, то его определяем двумя способами:
За прошлые годы - по данным снегомерных съемок, интерполируются раздельно для поля и леса, с учетом коррекции на высоту местности (10%/100 м высоты), типа растительности (коэффициенты взяты из литературы) и на уклон и экспозицию макросклонов.
Если нет даных снегосъемок, определяем по сумме осадков хоолдного периода, с учетом периодов устойчивого и неустойчивого снегонакопления (в последнем снег накапливается только в горах, а на равнине неоднократно устанавливеется и сходит). Для неустойчивого снегонакопления учитывается таяние при оттепелях и фаза осадков (по величиен приземной темпертуры, и темпеартур в пограничном слое), так что рассчитывается снегонакопление с суточным шагом (или большим, если в период таяния не было).
В случае MOD09 - да.
В случае MOD02 - не совсем, нужно еще выполнить атмосферную коррекцию.
Мне кажется только видимые, но могу ошибаться.
Как-то просматриваю скачанный с Ladsweb MOD09 (красный канал) - и чего-тот не понимаю.
Для снега характерные значения 25000. 32000, Указан Scale Factor 10000. Если просто поделить на 10000, то будет нереальное значение.
И еще в свойствах указано Min/max -100. 16000.
Возникает вопрос - что еще нужно днлать с ним чтобы получить реальные значения альбедо?
Что касается MOD43, то результаты корректные, а вот частота выхода продукта - раз в 16 дней маловато.
До кучи вот еще интересная методика из статьи, связанной с детальным (послойным) моделированием, так что ИМХО ей можно доверять:
Альбедо
Альбедо верхнего слоя снега (αsn) определяет-
ся согласно работе [Dickinson et al., 1986] как
αsn =(1−0,2fage )αsn,new, (12)
где αsn,new = 0,9 – альбедо свежего снега; fage –
функ ция возраста снега:
fage = τsn (1+ τsn ) (13)
(τsn – возраст верхнего слоя снега, сут). Если верх-
ний слой снега талый, то альбедо снега принимается
равным 0,55.
Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Грицук Илья Игоревич, Дебольский Владимир Кириллович, Масликова Оксана Яковлевна, Пономарёв Николай Константинович, Синиченко Евгений Константинович
В гидравлической лаборатории РУДН выполнены измерения количества тающего снега в реальном времени, исследован процесс непрерывного снеготаяния с последующей инфильтрацией талых вод в грунт в зависимости от начальной плотности, толщины слоя и температуры снега. Рассмотрено влияние дождя на процесс снеготаяния , выполнены эксперименты с воздействием инфракрасного (ИК) и ультрафиолетового (УФ) излучения на снежный покров. Работа является продолжением исследования динамики берегового склона водных объектов в условиях криолитозоны.
Текст научной работы на тему «Экспериментальное исследование влияния солнечной радиации на интенсивность снеготаяния»
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ СНЕГОТАЯНИЯ
И.И. Грицук1,2, В.К. Дебольский1,2, О.Я. Масликова1, Н.К. Пономарёв2, Е.К. Синиченко2
2Российский университет дружбы народов ул. Орджоникидзе, 3, Москва, Россия, 115419
В гидравлической лаборатории РУДН выполнены измерения количества тающего снега в реальном времени, исследован процесс непрерывного снеготаяния с последующей инфильтрацией талых вод в грунт в зависимости от начальной плотности, толщины слоя и температуры снега. Рассмотрено влияние дождя на процесс снеготаяния, выполнены эксперименты с воздействием инфракрасного (ИК) и ультрафиолетового (УФ) излучения на снежный покров. Работа является продолжением исследования динамики берегового склона водных объектов в условиях криоли-тозоны.
Ключевые слова: лабораторный эксперимент, снеготаяние, дождь, солнечная радиация, альбедо снега.
Роль снеготаяния в процессах разрушения берегов равнинных рек изучена слабо, в то время как весеннее изменение температуры, а вместе с ним и превращение снега в воду и образующиеся потоки воды могут играть роль даже большую, чем дождевые осадки. Это выражается в том, что процесс таяния иногда происходит в течение нескольких суток и все твердые осадки, накопившиеся за зимний период (их толщина может достигать нескольких метров), превращаются в потоки воды, провоцируя интенсивные береговые процессы.
Своеобразие снега как твердого вещества состоит в том, что он обладает явно выраженной аморфностью и его механические и термические свойства за сравнительно небольшие промежутки времени могут претерпевать существенные изменения.
Предложенные ранее модели, например модель тепловлагообмена SPONSOR [2], позволяли оценить трансформации характеристик снежного покрова при значительной межгодовой изменчивости погоды.
При радиационном снеготаянии под действием проникающих в снежную толщу солнечных лучей снег тает не только на поверхности, но и в верхнем слое толщиной 20—40 см. Это характерно для континентальных территорий Сибири, Заволжья. Снег тает в первые дни весны, когда температура воздуха еще ниже нуля, а солнечная солнечная радиация уже оказывает ощутимое воздействие [3]. Таяние начинается не сверху, а в глубине снежного покрова под поверхностной прозрачной ледяной пленкой за счет этого «парникового эффекта». Снег непро-
зрачен для лучей длинных волн части спектра, а коротковолновые лучи проходят сквозь тонкий поверхностный слой снега. Этот слой становится своеобразным «ледяным стеклом», не пропускающим собственное длинноволновое излучение глубинных слоев и защищающим их тем самым от охлаждения. В Сибири этот механизм часто обеспечивает таяние основной массы снега при отрицательных температурах воздуха.
В районах России с морским климатом, например в западных областях Карелии, преобладает второй тип снеготаяния различных авторов — снег тает только с поверхности за счет обмена теплом с воздухом.
Конвективное снеготаяние происходит при пасмурной погоде за счет притока теплых воздушных масс. Этот процесс часто усиливается выпадением жидких осадков и может продолжаться круглые сутки. Таяние снега происходит в две стадии: днем талая вода скапливается в крупных порах и движется вниз, оплавляя кристаллы снега; ночью же замерзает. Это явление повторяется много раз и приводит к перекристаллизации снега.
Радиационное снеготаяние. Интенсивность суммарной радиации равна [4]:
где Is — суммарная радиация; I — интенсивность прямой радиации на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам; i — интенсивность рассеянной радиации, h — высота Солнца.
Известно, что коротковолновая часть радиации может проникать в снежную толщу на несколько десятков сантиметров [5]. Известно также, что закон, по которому интенсивность радиации ослабевает с глубиной (закон Бугера-Ламберта):
где I(z) — интенсивность радиации на глубине z м от поверхности снега, в — коэффициент экстинкции (ослабления, м- ).
Разные авторы предлагают использовать различные значения коэффициента экстинкции в и его зависимости от плотности снега, размера кристаллов льда в снеге, его влажности, участка спектра падающей радиации и т.д. Так, например, существует большая разница в значении в для коротковолнового и длинноволнового участков спектра. В [6] предложено значение в = 10 м-1 для коротких волн и 250 м-1 для длинных.
В упрощенной схеме предполагается, что вся длинноволновая радиация поглощается верхним слоем снега и ИК участок спектра несет энергию, преобразующуюся в тепловую уже на поверхности снега.
Зная о свойстве УФ радиации проникать вглубь непрозрачных веществ (например, облаков), можно предположить, что облачность является задерживающим фактором только для ИК участка спектра. Поэтому в дневные часы воздействие ультрафиолета на снеготаяние происходит при любой погоде (кроме дождливой), тогда как инфракрасное излучение действует непосредственно лишь в ясные дни.
Альбедо. Поглощенная снегом энергия определяется значением альбедо снега. Изменение коэффициента отражения снега в период снеготаяния объясняется
изменением физических свойств снега [5]. Для снега и льда изменение оптических свойств связано с перестройкой структуры при нагреве, которая определяет показатели рассеяния и поглощения снежно-ледовой толщи.
В тех работах, которые учитывают изменение альбедо снега, чаще всего эти изменения связывают с температурой поверхности снега или с его возрастом. В [6] дан обзор моделей, которые учитывают изменение альбедо в зависимости от диаметра снежных зерен и зенитного угла Солнца, а также зависимость коэффициента поглощения от диаметра зерен и плотности снега. В [7] приведены данные измерений интенсивности отраженной радиации над площадками с загрязненным в различной степени снегом и получена зависимость альбедо от поверхностной концентрации примеси. Эта зависимость также может быть использована для расчетов снеготаяния.
поглощается земной поверхностью и идет на нагревание верхних слоев почвы и воды — поглощенная радиация.
Экспериментальные исследования на лабораторной модели
Влияние конвективной составляющей на процесс снеготаяния. Эксперименты проводились в гидравлической лаборатории РУДН на установке, позволяющей моделировать дождевые потоки различной интенсивности, одновременно измеряя как скорость и количество инфильтрационных потоков, так и количество бокового стока [8].
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.В лабораторных условиях имеется возможность наблюдать во времени фазу аккумуляции — образование и накопление влаги внутри снега, превращение его в фирн и фазу оплывания, когда количество воды в фирне достигает критического значения и фирновая толща уже не может удерживать влагу. Количество образующейся талой воды отслеживается во времени посредством инфильтрации в грунт (песок) и измерением ее объема на выходе [8].
Так как в лабораторных экспериментах отсутствовала солнечная (радиационная) составляющая, таяние происходит за счет конвекции тепла. Без дождя: использовались различные начальные параметры снега (исходная температура, плотность) и подстилающей поверхности (рис. 1, а).
При наличии дождя проводилось несколько экспериментов с различной интенсивностью дождя. Общий вид графиков имеет тот же вид, что и в отсутствие дождя, а именно три фазы: аккумуляция, интенсивный сток и непрерывное таяние (рис. 1, б). Как видно из графиков, при наличии непрерывного дождя время аккумуляции сокращается и чем больше интенсивность дождя, тем быстрее наступает таяние. Скорость инфильтрации в данном случае стремится не к нулевому значению, а к значению интенсивности дождя, выбранное для данного эксперимента.
Инфильтрация тающего снега в грунт
Инфильтрация тающего снега и дождя в грунт
Рис. 1. Инфильтрация тающего снега: а) инфильтрация талой воды в грунт (по данным лабораторных измерений); б) инфильтрация талой и дождевой воды в грунт при воздействии дождя на процесс таяния снега
Графики функций зависимости инфильтрации от интенсивности дождя имеют несколько максимумов. Особенно это заметно при большой интенсивности дождя. Это объясняется тем, что дождь, с одной стороны, ускоряет таяние за счет притока тепла в снег, а с другой — вызывает накопление и обрушение накопленной влаги за счет механического добавления жидкости в фирново-снеговую толщу.
Влияние радиационной составляющей на процесс снеготаяния. Эксперименты с воздействием инфракрасного (ИК) и ультрафиолетового (УФ) излучения на снежный покров проводились также в гидравлической лаборатории РУДН. В процессе эксперимента измерялось количество тающего снега в реальном времени. Талые потоки просачивались через подстилающий грунт (в нашем случае — люберецкий песок), предварительно охлажденный до 0—2 °С. Измерения проводились при одинаковой мощности ламп (100 Вт), что дало возможность выявить разницу воздействия разной длины излучений на снеготаяние при прочих равных условиях (температура окружающей среды, плотность и структура снега, толщина снежного покрова). Также при этих же условиях проводился эксперимент со свободным (без воздействия излучения) таянием. Для всех трех случаев были построены графики изменения количества талых потоков во времени (рис. 2).
Рис. 2. Эксперимент с одинаковой мощностью длиновонового и коротковолнового участков спектра: 1 — свободное таяние; 2 — УФ; 3 — ИК. Мощности ламп в обоих случаях одинаковы (100 Вт)
Так как во всех трех случаях присутствует одинаковая для всех конвективная составляющая снеготаяния (эксперименты проводились при определенных начальных условиях), были получены графики зависимости снеготаяния исключительно от воздействия УФ и ИК-радиации путем вычитания из полученных экспериментально зависимостей графика свободного (конвективного) таяния (рис. 3, участок возрастания объема таяния).
В системе уравнений (1)—(3) для лабораторных условий мы пренебрегаем излучением атмосферы и воды, затратами тепла на испарение и конденсацию и учитываем исключение в полученных графиках конвективной составляющей, получаем:
где ЬI =334 Дж/кг — удельная теплота таяния; в — коэффициент экстинкции; А — альбедо снежного покрова.
Рис. 3. Объемы снеготаяния под влиянием УФ (нижняя линия) и ИК (верхняя линия) участков спектра (без воздействия тепловой составляющей)
Таяние происходит во всей снежной толще. Талые потоки на всех слоях суммируются с приходящими с верхних горизонтов. В итоге подстилающей поверхности достигает сумма этих потоков, вычисляемая суммированием формулы (4) по координате г (от -г до 0). Рассматривая интегральную сумму по толщине снежного покрова и учитывая изменение альбедо, получаем:
где Т — время полного таяния снежного покрова, £ — текущее время.
Исследование изменения альбедо снежного покрова по данным экспериментов. Из уравнения (5), зная входящие параметры и интерполируя полученные после вычитания конвекционной составляющей, графики М (см. рис. 3), можно при желании получить график зависимости альбедо от времени при воздействии лучей разной природы:
Из рис. 4 видно, что под воздействием ИК-лучей альбедо изменяется и достигает нулевого значения быстрее, хотя начальное значение близко к 1, что означает практически полное отражение в начале таяния. УФ-волны практически сразу проникают вглубь снега, чем и объясняется меньшее отражение с поверхности, но альбедо под воздействием УФ-лучей уменьшается с меньшим коэффициентом экс-тинкции. Период максимума таяния для случая с ИК-лампами наступает быстрее (см. рис. 2).
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.Зависимость альбедо от времени в процессе таяния носит экспоненциальный характер, что хорошо согласуется с данными, приведенными в [7].
О 2 4 6 В 10 12 14 16 1S 20 22 24 26 2S 30
0 2 4 6 В 10 12 14 16 1В 20 22 24 26 2В 30
Рис. 4. Графики изменения альбедо в процессе таяния снега для ИК (1) и УФ (2) излучений
Интенсивность воздействия на снег ИК и ИФ излучения ослабевает с глубиной по закону Бугера-Ламберта. Существует большая разница в значении коэффициента экстинкции для коротковолнового и длинноволнового участков спектра. Вся длинноволновая радиация поглощается верхним слоем снега, и ИК участок спектра несет энергию, преобразующуюся в тепловую уже на поверхности снега.
Поскольку короткие волны (УФ) проникают вглубь непрозрачных веществ и преобразуются в тепловые потоки внутри снежной толщи, влияние этих лучей на снеготаяние носит отличный от влияния ИК лучей характер.
Под воздействием ИК излучения альбедо снежного покрова изменяется и достигает нулевого значения быстрее, хотя начальное значение альбедо свежевы-павшего снега близко к 1, что означает практически полное отражение в начале таяния. УФ-волны практически сразу проникают вглубь снега, чем и объясняется меньшее отражение с поверхности, но альбедо под воздействием УФ-лучей уменьшается с меньшим коэффициентом экстинкции.
Полученные результаты исследования одной из составляющих единого термогидродинамического процесса (радиационное снеготаяние) являются необходимой частью общего прогноза влияния изменения климата на течение деструкци-онных криогенных процессов в зоне ММП.
[1] Грицук И.И., Дебольский В.К., Масликова О.Я., Пономарев Н.К. Влияние осадков в виде дождя на деформации берегового склона русел рек в условиях многолетнемерзлых пород // Лед и снег. — 2012. — № 3(119). — C. 73—78. [Gritsuk I.I., Debolskiy V.K., Masli-kova O. Ya., Ponomarev N.K., Sinichenko E.K. Vliyanie osadkov v vide dozhdya na deformacii beregovogo sklona rusel rek v usloviyah mnogoletnemerzlih porod // Led i sneg. — 2012. — № 3(119). — S. 73—78.]
[2] Шмакин А.Б., Турков Д.В., Михайлов А.Ю. Модель снежного покрова с учетом слоистой структуры и ее сезонной эволюции // Криосфера Земли. — 2GG9. — Т. XIII. — № 4. — С. 69—79. [Shmakin A.B., Turkov D. V., Mihailov A. Yu. Model snezhnogo pokrova s uchetom sloistoy strukturi i ee sezonnoy evolyucii // Kriosfera Zemli. — 2GG9. — T. XIII. — № 4. — S. 69—79.]
[3] Дюнин А.К. В царстве снега. Серия: Человек и окружающая среда. — Новосибирск: Наука, 1983. — 16G с. [Dyunin A.K. V carstve snegs. Seria: Chelovek i okruzhayushaya sreda. — Novosibirsk: Nauka, 1983. — 16G s.]
[4] Пряхина С.И. и др. Метод косвенного расчета радиационного баланса. Учебно-методическое пособие для студентов. — Саратов, 2G11. [Pryahina S.I. i dr. Metod kosvennogo rascheta radiacionogo balansa. Uchebno-metodicheskoe posobie dlya studentov. — Saratov, 2GG1.]
[5] Кузьмин П.П. Физические свойства снежного покрова. — Ленинград: Гидрометеоиздат, 1957. — 18G с. [Kuzmin P.P. Fizicheskie svoystva snezhnogo pokrova. — Leningrad: Gidro-meteoizdat, 1957. — 18G s.]
[6] Мачульская Е.Е. Моделирование и диагноз процессов тепловлагообмена между атмосферой и сушей в условиях холодного климата: Дисс. . канд. физ.-мат. наук. — М., 2GG1. [Malchulskaya E.E. Modelirovanie i diagnoz processov teplovlagoobmena mezhdu atmosfe-roy i sushey v usloviyah holodnogo klimata: Diss. . kand. f.-m. nauk. — M., 2GG1.]
[7] Калюжный И.Л., Шутов В.А. Современное состояние проблемы натурных исследований снежного покрова // Водные ресурсы. — 1998. — Т. 25. — № 1. — С. 34—42. [Ka-lyuzhniy I.L., Shutov V.A. Sovremennor sostoyanie problemi naturnih issledovaniy snezhnogo pokrova // Vodnie resursi. — 1998. — T. 25. — № 1. — S. 34—42.]
[8] Грицук И.И., Дебольский В.К., Масликова О.Я., Пономарев Н.К., Синиченко Е.К. Лабораторное исследование снеготаяния как составляющей сезонного процесса деформаций русла // Вестник РУДН. Серия «Инженерные исследования». — 2G13. — № 3. — С. 83— 91. [Gritsuk I.I., Debolskiy V.K., Maslikova O.Ya., Ponomarev N.K., Sinichenko E.K Laborator-noe issledovanie snegotayaniya kak sostavlyaushey sezonnogo processa deformaciy rusla // M.: Vestnik RUDN. Seriya «Inzhenernie issledovaniya». — 2Gl3. — № 3. — S. 83—91.]
PILOT STUDY OF INFLUENCE OF SOLAR RADIATION ON INTENSITY OF SNOWMELT
I.I. Gritsuk1,2, V.K. Debolskiy1,2, О.Ya. Maslikova1, N.K. Ponomarev2, E.K. Sinichenko2
Russian Academy of Sciences Water Problems Institute
Gubkina str., 3, Moscow, Russia, 119333
Key words: laboratory experients, snow melting, rain, solar radiation, albedo of snow.
Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Грицук Илья Игоревич, Дебольский Владимир Кириллович, Масликова Оксана Яковлевна, Пономарёв Николай Константинович, Синиченко Евгений Константинович
Экспериментальное исследование интенсивности снеготаяния на лабораторной модели Влияние зимних и весенних условий на размыв рек в криолитозоне Лабораторное исследование снеготаяния как составляющей сезонного процесса деформаций русла Размытие мерзлых берегов северных рек в зависимости от направления берегового уклона Модель формирования талого стока на малых водосборах на примере реки Лосиха (Алтайский край) i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.Текст научной работы на тему «Динамическая классификация снежного покрова»
Том 11, часть 3, Специальный выпуск, 2006
ДИНАМИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ СНЕЖНОГО ПОКРОВА*
In this paper a method of the derivation of the dynamic classification scheme of the snow cover is described. Results of the first experiments on the albedo modification dependent on snow classes are presented. The fundamental purpose of the study is an improvement of the snow characteristics description in the hydrodynamic models owing to the accounting for the vertical structure and variation of the physical properties of snow.
При моделировании изменения климата одним из наиболее тонких и сложных моментов является воспроизведение обратных связей климатической системы с максимальной близостью природе. Сезонный снежный покров наряду с облачностью — это сильнейший показатель обратной связи в климатической системе. Снежный покров при своем появлении радикально меняет энергетику атмосферы, с другой стороны, эти изменения отражаются на свойствах снежного покрова.
* Работа выполнена при частичной финансовой поддержке INTAS (грант № 03-51-5296), Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 04-05-64151, № 05-05-08018), ОФИ (грант № 06-0564104), NATO ESP CLG (грант № 981842).
© Институт вычислительных технологий Сибирского отделения Российской академии наук, 2006.
В настоящей работе кратко описывается алгоритм динамической классификации и приводятся первые результаты по его испытанию в рамках модели общей циркуляции атмосферы Гидрометцентра России.
1. Динамическая классификация снежного покрова
В работе [1] построено глобальное распределение классов, которое используется в оперативной практике оценки свойств снежного покрова при расшифровке спутниковой информации 1ЧОАА (США). М. Штурмом предложен формальный алгоритм определения класса снежного покрова. Средние годовые метеорологические величины (приземная температура воздуха, интенсивность осадков и скорость ветра) сравниваются с соответствующими критическими величинами. Блок-схема этого алгоритма приведена на рис. 2. Классификация снега проводится для годового интервала по месячным средним многолетним величинам [2]. В ряде регионов мира М. Штурм сверял свою классификацию с реальной стратиграфией и таким образом подбирал критические величины.
Основной задачей при разработке динамического метода, с помощью которого предполагается рассчитывать тип снега для произвольного текущего момента времени, является
Рис. 1. Стратиграфия классов снежного покрова по [1].
Рис. 2. Блок-схема алгоритма вычисления классов снега: Те — температура приземного слоя воздуха, °С; Р — интенсивность осадков, мм/день; V — скорость ветра, м/с; Т^, Р^, У^ — критические величины для температуры приземного воздуха, осадков и ветра.
определение интервала осреднения и критических параметров, используемых при сравнении. В экспериментах, результаты которых приведены ниже, использовалось осреднение за трехмесячный интервал, предшествующий расчетному моменту. Критические константы, использованные для климатической и динамической классификаций, подобраны в результате многочисленных предварительных экспериментов (табл. 1). Можно видеть, что они отличаются от критических коэффициентов климатической классификации в основном для осадков.
Один из критериев разумности динамической классификации, которым мы пользовались при получении критических коэффициентов, — это соображение, что для конца зимы в Северном полушарии на этане окончания формирования снежного покрова распределение площади каждого класса должно быть близким к распределению классов но [1|, которые, как уже упоминалось, во многих регионах мира сравнивались с вертикальными снежными шурфами. Близость относительных площадей в феврале в динамической классификации к относительным площадям в климатической классификации можно видеть
Т а б л и ц а 1. Критические значения, используемые для динамической и климатической классификаций и интервалы усреднения
Дата публикации: 5 сентября, 2018 . Добавить комментарий
Образование снежных осадков
Нагреваемые у земной поверхности воздушные массы насыщаются водяными парами и поднимаются вверх, постепенно при этом охлаждаясь. При определенной температуре влажность воздуха достигает величины предельной насыщенности, и дальнейшее понижение температуры приводит к тому, что воздух становится пересыщенным. Излишки водяных паров конденсируются в виде мельчайших капель.
В зависимости от конкретных термодинамических условий они могут исчезать, расти или замерзать и превращаться в кристаллики льда.
Зародыши кристаллов льда растут вследствие конденсации на их поверхности паров воды из окружающего воздуха и замерзания этой влаги. Скорость роста кристаллов тем большая, чем ниже температура облака, в котором зарождаются эти кристаллы. Утяжеленные кристаллы льда начинают падать и при этом обрастают дополнительным слоем льда, образующимся из капель воды, которые они встречают на своем пути.
Кристаллы образующегося в атмосфере льда весьма разнообразны по своей форме :
иглы, призмы, пирамиды, столбики, пластинки, звездочки и комбинированные фигуры. Опускаясь вниз, они претерпевают большие изменения, могут расплавляться и превращаться в капельки тумана или увеличиваться и превращаться в снежинки, ледяную крупу или град, выпадающие на поверхность земли в виде твердых осадков.
Форма и размеры достигающих земной поверхности частиц твердых осадков зависят от термодинамических условий зарождения и роста кристаллов льда в атмосфере и температуры приземных слоев воздуха. Различают 10 основных типов частиц.
Международная классификация снежинок (Гляциологический словарь, 1984)
В количественном отношении среди выпадающего снега преобладают пластинчатые и звездчатые снежинки. Размер снежинок тем больше, чем выше температура приземного слоя воздуха. В безветренную погоду при температуре около 0 ° снежинки во время падения могут соединяться и выпадать в виде крупных хлопьев. При сильном ветре, сталкиваясь в воздухе, они крошатся и выпадают в виде обломков.
Формирование снежного покрова
Снежный покров на склонах гор характеризуется значительной пространственной неоднородностью и изменчивостью. Неоднородность высоты, плотности и строения снежного покрова образуется с самого начала выпадения снега на поверхность склонов, увеличиваясь за счет процессов перекристаллизации, уплотнения и течения снега, и формирования новых слоев снежного покрова.
Усиление ветра вызывает общую метель, резко меняющую условия формирования снежного покрова в зависимости от местных орографических особенностей горной поверхности.
При метелевом переносе снега может создаваться очень большая неоднородность снежного покрова вследствие перераспределения ранее отложенного снега, выдувания его на положительных формах рельефа, создания больших надувов в понижениях и образованиях снежных карнизов. На неровной поверхности земли с мелкими формами рельефа метелевый перенос нивелирует неровности и делает их мало заметными на снежном покрове. Вблизи от препятствий снегоперенос вызывает образование сугробов сложной формы. Плотность снежного покрова после низовой метели существенно увеличивается и может достигать 400 кг/м 3 .
Свежевыпавший снег под действием собственного веса уплотняется. По мере образования новых слоев снежного покрова нагрузка на предыдущие слои увеличивается, вызывая дополнительное уплотнение.
Наряду с механическим уплотнением в снежном покрове происходят интенсивные процессы изменения структуры зерен снега в результате термодинамической нестабильности поверхности кристаллов и массопереноса.
Существенные изменения снежного покрова происходят также из-за процессов таяния и испарения с поверхности, под воздействием жидких осадков и других метеорологических факторов.
В процессе формирования снежного покрова в нем могут возникать ледяные корки, слои уплотненного ветром снега, слои глубинной изморози и слои с различной структурой снега. В течение времени залегания снежного покрова различия в характеристиках соседних слоев могут нарастать или, наоборот, исчезать в зависимости от конкретных термодинамических условий их существования.
Таким образом, снежный покров не является стабильным. Все параметры, характеризующие мощность, строение, плотность, непрерывно меняются.
Метаморфизм снежного покрова
Различают четыре типа метаморфизма снега: изотермический, температуроградиентный, метаморфизм таяния-замерзания и динамометаморфизм. Описанные ниже (кроме метаморфизма таяния-замерзания) типы метаморфизма обычно действуют одновременно, и их разделение несколько условно. Поэтому можно говорить лишь о преобладании того или иного типа метаморфизма.
поверхности, перемещение этого вещества путем поверхностной диффузии или процессов возгонки-сублимации и отложения вещества на менее выпуклых и вогнутых участках. В результате такого перераспределения вещества происходит округление зерен снега и рост более крупных за счет мелких зерен (собирательная перекристаллизация).
Метаморфизм начинается с того, что выпадающие на поверхность земли снежинки разрушаются и распадаются на части, после чего в результате округления и собирательной перекристаллизации снег превращается в мелкозернистую среду, состоящую из округлых, продолговатых или неправильной формы зерен примерно одинакового размера. В дальнейшем количество зерен в единице объема снега уменьшается, а средний и диаметр увеличивается. Это приводит к постепенному превращению мелкозернистого снега (0.1-1мм) в среднезернистый (1-2мм), а затем в крупнозернистый (более 2мм). Большое влияние на эту стадию метаморфизма оказывают условия выпадения снега и формирования снежного покрова, мощность данного слоя и вышележащих слоев, температурный режим, ветер и ряд других факторов.
Температуроградиентный метаморфизм характеризуется преобразованием структуры снега путем роста одних кристаллов за счет уменьшения и исчезновения других под действием температурного градиента. Кристаллы льда испаряются с более теплых поверхностей, образовавшийся при этом водяной пар мигрирует по межкристаллическому пространству в направлении, противоположном направлению теплового градиента, и сублимируется на более холодных поверхностях ближайших кристаллов
В результате температуроградиентного метаморфизма растут новые формы скелетных кристаллов, которые постепенно заменяют обломки снежинок и зерна снега. В нижних слоях снежного покрова растут крупные кристаллы глубинной изморози
в виде ограненных призм, пирамид и чашеобразных форм. Интенсивность процесса перекристаллизации тем больше, чем больше градиент температуры и чем выше температура рассматриваемого слоя снега. Наиболее высокая интенсивность этого процесса наблюдается в начале зимы в тех случаях, когда малая толщина снежного покрова сочетается с низкой температурой воздуха. При таких условиях нижний слой свежевыпавшего снега может за одну-две недели полностью превратиться в слой глубинного инея.
Третий тип метаморфизма связан с таянием кристаллов и замерзанием воды в снеге. При проникновении воды в горизонты снежного покрова с отрицательной температурой происходит частичное замерзание водные пленок на поверхности зерен и вокруг контактов между ними. При этом происходят изменения в форме и величине зерен и связях между ними.
Повторение процессов частичного таяния и последующего замерзания мокрого снега вызывает фирнизацию снега и образование различных новых структур, начиная от рыхлой структуры из округлых зерен, бусинок или полусфер, мало связанных друг с другом, и заканчивая снежистым пористым льдом.
Процессы изменения структуры снега под действием, внешних механических усилий, называют динамометаморфизмом.
Динамометаморфизм снега самым тесным образом взаимосвязан с метаморфизмом, происходящим из-за термодинамической нестабильности кристаллов льда и под действием потоков тепла и диффузии водяного пара в снеге.
Процесс вызывает существенные изменения механических свойств снега в процессе его деформации. Чаще всего он сопровождается уплотнением снега и увеличением его прочности.
ТЕРМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ И ТАЯНИЕ СНЕЖНОГО ПОКРОВА
Термический режим снежного покрова определяется преимущественно теплообменом на поверхности и в меньшей степени между почвой и снегом.
Величина потока тепла на поверхности снежного покрова определяется элементами радиационного баланса, турбулентным теплообменом, испарением или конденсацией, выпадением жидких осадков. Интенсивность потока непостоянная и может изменяться в широких пределах даже в течение одних суток, возможно также изменение направления потока.
Большое количество энергии поступает к поверхности снежного покрова в виде прямой и рассеянной солнечной радиации, однако лишь небольшая ее часть поглощается снегом, а остальная отражается от поверхности снега. Альбедо снежного покрова (отношение количества отраженной радиации к количеству падающей на поверхность снега радиации) изменяется в зависимости от структуры, влажности и загрязненности снега. Для свежевыпавшего снега альбедо составляет от 0,95 до 0,80. Это значит, что снежный покров может получать лишь от 5 до 20% поступающей радиации. Альбедо поверхности сухого переметенного снега колеблется от 0,80 до 0,65. Альбедо снижается по мере увлажнения снега, особенно в период его таяния. Альбедо средне- и крупнозернистого тающего снега порядка 0,60- 0,40, а у загрязненного снега с водой может уменьшаться до 0,20.
Количество поступающей прямой солнечной радиации зависит от ориентации и крутизны склонов, соответственно наблюдаются большие различия термического режима снежного покрова на разных склонах.
Снег плохо пропускает радиацию, поэтому проникающая в снег часть солнечной энергии поглощается верхним слоем снежного покрова толщиной в несколько десятков сантиметров. Верхний (10 см) слой поглощает до 90% радиации. Под действием проникающей радиации может возникать парниковый эффект снеготаяния при отрицательной температуре воздуха, когда на поверхности снежного покрова образуется тонкая ледяная корка, а под ней происходит частичное оплавление кристаллов.
Много тепла снежный покров теряет в виде длинноволновой радиации. Определенную роль играют также элементы радиационного баланса, учитывающие обратную радиацию от облаков и атмосферы. Сочетание прихода тепла за счет проникающей радиации и потери путем длинноволновой радиации приводит к тому, что в ночное время радиационный баланс чаще всего имеет отрицательное значение и соответственно поток тепла направлен из снежного покрова в атмосферу, а в дневные часы наоборот.
Турбулентный теплообмен обусловливается разностью температуры воздуха и поверхности снега. Когда температура воздуха выше температуры поверхности снега, тепло от воздуха передается в снег. Если же воздух холоднее снега, то тепло поступает из снега в воздух. Интенсивность турбулентного теплообмена увеличивается по мере увеличения разности температуры поверхности снега и воздушных масс и роста скорости движения воздуха над снежным покровом.
Турбулентный теплообмен может сопровождаться выносом водных паров из толщи снега, возгонкой снега и испарением водных пленок. При определенных условиях происходит сублимация содержащихся в воздухе водяных паров на поверхности снега в виде инея.
Наиболее благоприятные условия для его образования появляются в ясные холодные ночи без сильного ветра при поступлении масс влажного воздуха.
Суточные изменения температуры поверхностного слоя распространяются в снежный покров до 50 см, причем амплитуда колебаний температуры быстро уменьшается с глубиной, а температурный градиент в этой зоне может изменять направление.
На склонах гор наблюдается сильно выраженная пространственная неоднородность температурного режима снежной толщи. Даже при одинаковых температурных условиях на поверхности снежного покрова и одинаковой его высоте градиент температуры будет больше на крутых склонах, где меньше толщина покрова. Различия температурного градиента в свою очередь обусловливают различия в интенсивности процессов температуроградиентного метаморфизма.
Таяние снежного покрова начинается в приповерхностном слое за счет проникающей радиации или на поверхности за счет турбулентного теплообмена при температуре воздуха выше 0 ° , образовавшаяся при этом свободная вода просачивается вниз. Если средние слои снежного покрова имеют отрицательную температуру, то просачивающаяся вода замерзает в виде линз льда.
По мере усиления таяния снега зона фильтрации воды увеличивается, температура снега в ней повышается до 0 ° и в снеге образуются постепенно расширяющиеся микроканалы для стока воды. При наличии в снежном покрове ледяной корки вода, достигнув этой корки, может стекать далее по ней или фильтровать по нижнему слою толщи снега и образовывать подснежные каналы стока.
Фильтрация воды снижает прочность снега и является одной из причин образования лавин из мокрого снега и водоснежных потоков.
На склонах гор процессы метаморфизма усложняются из-за неоднородности мощности и плотности снежного покрова и действующих в нем напряжений сжатия и сдвига.
Различие крутизны и ориентировки склонов и неровности рельефа приводит к тому, что процессы метаморфизма снежного покрова могут протекать по-разному даже на относительно близко расположенных друг от друга участках.
Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Рубинштейн К. Г., Громов С. С., Золоева М. В.
In this paper a method of the derivation of the dynamic classification scheme of the snow cover is described. Results of the first experiments on the albedo modification dependent on snow classes are presented. The fundamental purpose of the study is an improvement of the snow characteristics description in the hydrodynamic models owing to the accounting for the vertical structure and variation of the physical properties of snow.
Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Рубинштейн К. Г., Громов С. С., Золоева М. В.
Сравнение характеристик снежного покрова для бассейнов великих сибирских рек по результатам численных экспериментов, данным наземных и спутниковых наблюдений и реанализов Аналитический обзор современного состояния проблемы влияния циклонической деятельности на условия формирования обильных осадков в холодный период года Аналитическое исследование снежного покрова окрестностей г. Иркутска и г. Слюдянки Совершенствование управления экологической безопасностью на основе исследования атмосферных выпадений в районе влияния производства алюминия Динамико-статистический метод детализации метеорологических параметров i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.Pilot study of influence of solar radiation on intensity of snowmelt
Читайте также: