Микроклиматическая изменчивость радиационного баланса в условиях горного рельефа (на примере территории проведения зимних олимпийских игр «Сочи-2014»)

Terra Humana

В связи с проведением Зимних Олимпийских игр в Сочи возникла необходимость в детальной оценке микроклиматических условий территории строительства олимпийских объектов и спортивных зон. Горнолыжные комплексы располагаются в сложных условиях рельефа, где на близких расстояниях имеют место значительные изменения параметров климата под влиянием абсолютной высоты над уровнем моря и форм рельефа [7; 8]. С помощью микроклиматических исследований можно выполнить детальную оценку пространственной изменчивости таких важных для горно-спортивных трасс характеристик, как продолжительность залегания и высота снежного покрова, скорость и направление ветра и др.

Одним из важнейших факторов формирования различных микроклиматов является солнечная радиация. Она обусловливает тепло- и влагообмен, суточный и годовой ход метеорологических элементов, определяет общий приход тепла к деятельной поверхности [4]. В условиях сложного (горного) рельефа неравномерное распределение солнечной радиации по склонам разной экспозиции и крутизны приводит к большим микроклиматическим различиям в радиационном нагреве различных участков рельефа, что, в частности, сказывается на продолжительности залегания снежного покрова [6; 8].

На конкретных участках горного рельефа детальное пространственное распределение характеристик снежного покрова без проведения специальных микроклиматических наблюдений можно получить только косвенными методами. В работе [8] была установлена зависимость продолжительности залегания снежного покрова в условиях горного рельефа от годовых сумм радиационного баланса и от длительности периода с отрицательным радиационным балансом. Таким образом, для характеристики пространственного распределения продолжительности залегания снежного покрова в горном рельефе необходимо выполнить количественную оценку микроклиматической изменчивости радиационного баланса.

Исследуемая территория проведения Зимних Олимпийских игр в Сочи расположена в разных условиях рельефа в пределах высот 500–2300 м, поэтому пространственная изменчивость радиационного баланса будет зависеть от абсолютной высоты над уровнем моря, экспозиции и крутизны склонов.

В настоящее время имеется сравнительно большое количество работ теоретического и экспериментального характера, посвящённых радиационному режиму склонов. Однако систематизированных данных по изменению радиационных характеристик на склонах разной экспозиции и крутизны в зависимости от высоты над уровнем моря в литературе не приводится. Отдельные расчёты [1; 2 и др.] носят частный характер и не позволяют выполнить интегральную оценку микроклиматических различий радиационного баланса на различных высотах горного рельефа.

В настоящей работе получены количественные значения радиационных характеристик для склонов восьми экспозиций крутизной 10–50° и установлены закономерности их изменения в зависимости от абсолютной высоты над уровнем моря для территории Западного Кавказа. Для этих целей были выполнены расчёты прямой, рассеянной, отражённой, суммарной радиации, эффективного излучения и радиационного баланса при средних условиях облачности для 12 месяцев и в целом за год по данным актинометрических станций, расположенных в горном рельефе исследуемой территории.

Расчёты выполнялись в два этапа: сначала определялся радиационный баланс для нескольких высот (ровного места), представляющих собой общее поднятие местности над уровнем моря; затем, используя в качестве фоновой информации полученные значения радиационного баланса в соответствующих высотных зонах, рассчитывался радиационный баланс склонов разной экспозиции и крутизны.

Для оценки изменения радиационного баланса (В) в зависимости от абсолютной высоты местности были использованы средние многолетние данные [5] актинометрических станций, расположенных в условиях горного рельефа на разных высотах над уровнем моря: Пятигорск (531 м), Шаджатмаз (2070 м), Бермамыт (2583 м). По указанным данным были выполнены расчёты средних за месяц и годовых сумм радиационного баланса для различных высотных уровней с шагом 500 м (табл. 1).

Изменение с высотой годовых сумм радиационного баланса в данном климатическом районе имеет линейную зависимость, коэффициент корреляции составляет 0,99:

число, месяц

Рис. 1. Даты начала и окончания периода с отрицательным радиационным балансом на разных высотах над уровнем моря (Н).

Рис. 2. Изменение длительности периода с отрицательным радиационным балансом (n) в зависимости от высоты места (Н).

В = –0,4051 ∙ Н + 2330,        (1)

где В – годовые суммы радиационного баланса (МДж/м2), Н – высота над уровнем моря (м).

Переход радиационного баланса через ноль в начале периода с отрицательным радиационным балансом по мере уменьшения высоты сдвигается на более поздние даты, в конце периода – на более ранние даты (рис. 1). Таким образом, период с отрицательным радиационным балансом увеличивается с увеличением высоты над уровнем моря. Изменение длительности указанного периода в зависимости от вы-

Таблица 1

Радиационный баланс деятельной поверхности (Мдж/м2) при средних условиях облачности на различных высотах над уровнем моря

Высота, м	Месяц												Год
	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
500	2	45	128	212	306	370	386	319	216	120	22	-7	2119
1000	-16	29	118	198	291	341	356	306	208	112	13	-24	1932
1500	-35	12	97	184	271	312	326	290	201	103	4	-40	1725
2000	-53	-4	81	171	248	284	296	271	193	100	-4	-56	1531
2500	-71	-21	60	157	223	255	265	244	186	96	-13	-72	1309

Cреда обитания

соты места происходит по логарифмическому закону (рис. 2), величина достоверности аппроксимации составляет 0,9998:

n = 45,21 ∙ Ln (Н) – 248,2,      (2)

Terra Humana

где n – период с отрицательным радиационным балансом (дни).

Радиационные характеристики на склонах разной экспозиции и крутизны рассчитывались по известным методикам [3] на основе данных актинометрических станций с часовым разрешением [5].

В результате проведённых расчётов для всех составляющих радиационного баланса получены относительные значения радиации (коэффициенты) для перехода от радиации на горизонтальной поверхности к радиации на склонах разной экспозиции и крутизны. Для наших целей интерес представляют годовые суммы радиационного баланса, поэтому ниже приводятся данные, полученные для этой характеристики.

На рис. 3–5 представлены графики изменения с высотой относительных сумм радиационного баланса (Кс) для южных, восточных и северных склонов. Для склонов с западной составляющей Кс имеют те же значения, что и для склонов с восточной составляющей, соответственно.

С увеличением высоты над уровнем моря различия в годовых суммах радиационного баланса между склонами соответствующей крутизны на южных, юго-восточных (югозападных) и восточных (западных) склонах возрастают. Для северных склонов крутизной 10–30° также характерно увеличение контрастов, а на более крутых северных склонах различия уменьшаются.

На основе полученных закономерностей вертикального распределения относительных годовых сумм радиационного баланса, используя в качестве фоновой информации значения радиационного баланса в соответствующих высотных зонах (табл. 1), можно рассчитать радиационный баланс непосредственно для каждого участка склона и дать детальную площадную оценку пространственного распределения радиационного баланса.

На рис. 6 в качестве примера представлена микроклиматическая карта годовых сумм радиационного баланса для участка горнолыжного комплекса «Роза Хутор», расположенного в верхней части хребта Аибга (высота ~2000–2300 м). В табл. 2 приведена характеристика выделенных районов. На данном участке годовые суммы радиационного баланса изменяются в очень широких пределах – от 700 до 2390 МДж/м2, диапазон изменения составляет

Южные склоны

Рис. 3. Изменение относительных годовых сумм радиационного баланса в зависимости от высоты места на южных склонах (Ксю) крутизной 10–50°.

Восточные склоны

Рис. 4. Изменение относительных годовых сумм радиационного баланса в зависимости от высоты места на восточных склонах (Ксв) крутизной 10–50°.

Северные склоны

Рис. 5. Изменение относительных годовых сумм радиационного баланса в зависимости от высоты места на северных склонах (Ксс) крутизной 10–50°.

1690 МДж/м2. Если рассматривать изменение годовых сумм радиационного баланса на горизонтальной поверхности от уровня 500 до 2300 м (табл. 1), то оно составит всего 721 МДж/м2. Таким образом, изменение радиационного баланса за счёт микроклимата на данном участке горного рельефа в 2 с лишним раза превышает изменение баланса по всему вертикальному профилю.

Таблица 2

Радиационный баланс (B) за год на хребте Аибга

Район на карте	Склоны		B, Мдж/м2
	экспозиция	крутизна
1	С	30°	700
2	С	20°	1010
3	СВ, СЗ	30°	1040
4	СВ, СЗ	20°	1230
5	С	10°	1320
6	СВ, СЗ	10°	1420
7	В, З	10–30°	1530
8	ЮВ, ЮЗ	10–30°	1840
9	Ю	10°	2070
10	Ю	20°	2230
11	Ю	30°	2390
Фоновая величина баланса на ровном месте на высоте 2000 м			1530

Таким образом, в рамках выполненного исследования выявлена пространственная структура и определён диапазон микроклиматической изменчивости радиационного баланса и его составляющих на склонах разной экспозиции и крутизны в зависимости от высоты над уровнем моря для территории Западного Кавказа, в том числе и для горного кластера района проведения Олимпийских Игр «Сочи–2014».

Представленные результаты кроме рассмотренного аспекта, касающегося микроклиматической оценки олимпийских объектов, могут использоваться для удовлетворения потребностей различных секторов экономики, особенно климатоза-

Рис. 6. Радиационный баланс (B) за год на хребте Аибга.

висимых: горной метеорологии, гляциологии, гелиотехники, лесного и сельского хозяйства, при организации спортивных и рекреационных зон и т.д.